摻鐿光纖放大器的相干合成實(shí)驗(yàn)研究 - 圖文-

1、 纖激光器的輸出功率要比半導(dǎo)體激光器低得多。所以如何提高光纖激光器的輸出功率就成了目前研究的一個(gè)重要課題。而光束合成技術(shù)作為一種可以提高光 纖激光器輸出功率的重要途徑也便成了光電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 從合成的原理上講,光束合成可分為非相干合成和相干合成兩種。光纖激光器的非相干合成就是簡(jiǎn)單的將多路光纖激光通過(guò)一些光學(xué)元件組合為一束,由 于各路光纖激光之間沒(méi)有相位上的關(guān)系,所以得到的合成光束是非相干的。這種合成技術(shù)雖然可以使總的激光功率提高,但光束質(zhì)量相對(duì)于單個(gè)光纖激光來(lái)說(shuō) 卻下降了很多；而光纖激光器的相干合成是在精確控制各路激光相位的基礎(chǔ)上對(duì)光束的一種相干合成,各路光纖激光間有嚴(yán)格的相位上的關(guān)

2、系,得到的合成光 束是相干的。因此可以在得到高功率輸出光束的同時(shí)保證輸出激光的光束質(zhì)量,并且具有光束的光譜、相位、偏振等特性可控的優(yōu)點(diǎn)。從理論上來(lái)講,對(duì)N束功 率相同的激光進(jìn)行非相干疊加,則目標(biāo)上的光強(qiáng)增加至N倍；而如果進(jìn)行相干合成,則目標(biāo)上光場(chǎng)的振幅增至N倍,光強(qiáng)增至N2倍,更具有優(yōu)勢(shì)。因此光纖激光器 的相干合成技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。而對(duì)于自組織型光纖激光器相干合成原理的研究有助于更好地研究光纖激光器的相干合成技術(shù),以 便將其用于提高光纖激光器的輸出功率,這將具有非常重要的意義。 本文采用數(shù)值模擬分析的方法著重研究光纖激光器陣列的泵浦功率、耦合長(zhǎng)度、增益等參數(shù)對(duì)同步現(xiàn)象的

3、影響。并根據(jù)研究結(jié)果,對(duì)光纖激光器陣列的輸 出光強(qiáng)進(jìn)行優(yōu)化。主要內(nèi)容包括： 1. 介紹光纖激光器相干合成技術(shù)的基本概念、應(yīng)用,全光纖激光相干合成的分類、發(fā)展以及最新階段的研究成果。 2.較全面的介紹了利用多腔諧振腔理論和環(huán)形場(chǎng)理論來(lái)推導(dǎo)光纖激光器陣列的光譜響應(yīng)函數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程,較為深入的介紹了光纖的耦合模理論。并給出分 析光纖激光器陣列動(dòng)態(tài)特性的理論基礎(chǔ)。 3.利用非線性耦合迭代法,微擾理論和線性變換方法,對(duì)光纖激光器陣列的動(dòng)態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了深入的分析,討論了光纖激光器陣列的閾值以及脈沖輸出條件隨 泵浦功率的變化關(guān)系。通過(guò)對(duì)公式的推導(dǎo)重點(diǎn)闡述了光纖激光器陣列在常增益系數(shù)條件下的穩(wěn)定性隨耦合器的長(zhǎng)度,

4、陣列數(shù)的變化關(guān)系,并解釋了對(duì)應(yīng)的物理 含義。 8.期刊論文 肖瑞.侯靜.姜宗福.Xiao Rui.Hou Jing.Jiang Zong-Fu 光纖放大器陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)特性研究 -物理學(xué)報(bào) 2007,56(8 從光纖激光器陣列相干合成遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布的解析表達(dá)式出發(fā),詳細(xì)研究了陣列占空比、陣元個(gè)數(shù)以及陣元的相位誤差對(duì)相干合成遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣分布、中心主瓣 的角寬度及所占能量的影響.給出了占空比為12.5%時(shí),三路保偏光纖放大器相干合成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 9.學(xué)位論文 肖瑞 主振蕩功率放大器方案光纖激光相干合成技術(shù) 2007 光纖激光相干合成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高功率高亮度光纖激光系統(tǒng)的重要技術(shù)途徑。論文采用主振蕩功率放大器(

5、MOPA方案，全面系統(tǒng)的對(duì)光纖放大器陣列的相 干合成技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。 本文運(yùn)用夫瑯禾費(fèi)衍射理論，得到了光纖放大器陣列相干合成遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布的理論模型，分別討論了相干合成激光器數(shù)目、陣列占空比、相位、激光器 間的部分相干性以及偏振對(duì)相干合成遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布的影響；對(duì)光纖放大器的相位噪聲進(jìn)行了理論研究，分析了光纖放大器相位噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，為控制電路 的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)；相位控制電路是整個(gè)鎖相系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分之一，它直接決定著相干合成的成敗與否，論文根據(jù)外差探測(cè)的工作原理，設(shè)計(jì)了高 頻相位檢測(cè)與控制電路，外差探測(cè)的移頻量為40 MHz，相位校正精度優(yōu)于20，控制帶寬大于10 KHz：論文對(duì)影

6、響控制精度，控制帶寬等性能指標(biāo)的因素 進(jìn)行了分析，為控制電路的進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。 本文對(duì)MOPA方案光纖激光相干合成技術(shù)進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究。首先用自主研制的相位檢測(cè)與控制電路對(duì)輸出功率為1W的光纖放大器的相位噪聲進(jìn)行了 實(shí)驗(yàn)研究和測(cè)量，功率為1W的光纖放大器的相位噪聲的頻率小于1KHz；然后采用兩種相位控制方法實(shí)現(xiàn)了MOPA方案原型系統(tǒng)： 1爬山法。借鑒自適應(yīng)光學(xué)中相位控制理論，提出用爬山法對(duì)MOPA方案中摻鐿光纖放大器進(jìn)行相位探測(cè)與校正。通過(guò)自動(dòng)尋優(yōu)的方式不斷改變相位調(diào)制 器的控制電壓，使系統(tǒng)輸出保持在干涉最強(qiáng)處，爬山法系統(tǒng)的控制精度為10。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了兩路摻鐿光纖放大器的相干合成

7、。 2外差法。外差法通過(guò)探測(cè)信號(hào)光和受調(diào)制的參考光的干涉信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光相位變化的測(cè)量，通過(guò)實(shí)時(shí)探測(cè)和校正光路中相位的變化，確保輸 出光束的相位一致。首次在國(guó)內(nèi)用外差法實(shí)現(xiàn)了三路摻鐿光纖放大器的相干合成輸出，其中每路光纖放大器的輸出功率1W，三路總功率3W。系統(tǒng)開環(huán)時(shí) ，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑為動(dòng)態(tài)、模糊的干涉條紋，條紋可見度為6；系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑為穩(wěn)定、高對(duì)比度的干涉條紋，條紋可見度有大幅度提高，達(dá)到53。 這表明閉環(huán)控制使三路光纖激光的相位變化得到了有效補(bǔ)償，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了相位鎖定運(yùn)行和高相干度合成輸出。 用外差法對(duì)主振蕩功率放大器方案實(shí)現(xiàn)相位探測(cè)與校正時(shí)，對(duì)每路信號(hào)的相位控制都是獨(dú)立進(jìn)行的，

8、每一路的相位變化都是相對(duì)參考信號(hào)而言的，系統(tǒng) 多路擴(kuò)展性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)大功率相干合成輸出。同時(shí)，論文的主振蕩功率放大器方案可適用于固體激光器以及其它激光器的相干合成。 論文的工作為實(shí)現(xiàn)高功率激光器陣列的相干合成方案打下了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，具有重要的參考價(jià)值和應(yīng)用實(shí)踐意義。 10.期刊論文 侯靜.肖瑞.劉澤金.姜宗福.HOU Jing.XIAO Rui.LIU Ze-jin.JIANG Zong-Fu 兩種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鐿光纖放 大器的相位校正 -強(qiáng)激光與粒子束2006,18(11 在光纖激光器陣列的相干合成技術(shù)中,主振蕩并聯(lián)放大器(MOPA方案最關(guān)鍵的技術(shù)是對(duì)光纖放大器進(jìn)行相位控制與校正.本文用兩種方

9、法分別對(duì)摻鐿光纖 放大器進(jìn)行了相位控制與校正.一種是爬山法,通過(guò)自動(dòng)尋優(yōu)的方式不斷改變相位調(diào)制器控制電壓,使系統(tǒng)輸出保持在干涉最強(qiáng)處;另一種是外差法,通過(guò)實(shí)時(shí)探 測(cè)和校正光路中相位的變化,確保輸出光束的相位一致.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中主振蕩激光器的波長(zhǎng)為1 083 nm,輸出功率0100 mW連續(xù)可調(diào).光纖相位調(diào)制器是鈮酸鋰相 位調(diào)制器.光纖放大器輸出功率01 W連續(xù)可調(diào),整個(gè)光路為全保偏光路.爬山法系統(tǒng)的工作頻率為100 kHz,控制精度為/10;外差法系統(tǒng)的移頻量為40 MHz,精度優(yōu)于/20.在兩類閉環(huán)控制過(guò)程中,鈮酸鋰相位控制器都很好地實(shí)現(xiàn)了光纖放大器的相位校正.該工作為實(shí)現(xiàn)光纖激光器陣列的相干合

10、成打下實(shí)驗(yàn)基 礎(chǔ). 引證文獻(xiàn)(16條 1.周樸.馬閻星.王小林.馬浩統(tǒng).許曉軍.劉澤金 模擬退火算法光纖放大器相干合成期刊論文-強(qiáng)激光與粒子束 2010(5 2.任愛(ài)紅.張蓉竹.孫年春 偏振方向?qū)﹃嚵泄馐h(yuǎn)場(chǎng)能量分布的影響期刊論文-強(qiáng)激光與粒子束 2010(7 3.耿鵬程.侯藍(lán)田.韓偉濤.龐輝 七芯光子晶體光纖耦合特性的研究期刊論文-燕山大學(xué)學(xué)報(bào) 2010(4 4.馬閻星.王小林.周樸.馬浩統(tǒng).趙海川.許曉軍.司磊.劉澤金.趙伊君 光纖激光器陣列的多抖動(dòng)法相干合成期刊論文 -強(qiáng)激光與粒子束 2010(12 5.周樸.劉澤金.許曉軍 湍流對(duì)相干合成與非相干合成遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量的影響期刊論文-中國(guó)激光

11、 2009(5 6.馬閻星.司磊.周樸.王小林.馬浩統(tǒng).李霄.許曉軍.劉澤金 多抖動(dòng)法主振蕩功率放大器相干合成技術(shù)期刊論文-強(qiáng)激 光與粒子束 2009(11 7.周樸.王小林.馬閻星.冷進(jìn)勇.馬浩統(tǒng).王建華.許曉軍.劉澤金 強(qiáng)泵浦條件下光纖放大器相位噪聲的測(cè)量期刊論文強(qiáng)激光與粒子束 2009(11 8.史曉剛.竇汝海.荊帥.陳建國(guó) 相干合成系統(tǒng)的抖動(dòng)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的影響期刊論文-激光技術(shù) 2009(5 9.于益.王衛(wèi)民.魯燕華.謝剛.彭躍峰.劉東 二極管激光光柵-外腔光譜合成技術(shù)模擬研究期刊論文-強(qiáng)激光與粒子束 2008(2 10.范馨燕.劉京郊.王濤濤.劉金生.武敬力 主動(dòng)鎖相光纖放大器相干合成技術(shù)研究進(jìn)展期刊論文-半導(dǎo)體光電 2008(4 11.劉澤金.周樸.許曉軍 高能光纖激光系統(tǒng)淺析期刊論文-強(qiáng)激光與粒子束 2008(11 12.閆愛(ài)民.劉立人.劉德安.周煜.職亞楠.魯偉 光纖激光陣列鎖相和孔徑裝填技術(shù)研究進(jìn)展期刊論文-激光與光電子 學(xué)進(jìn)展 2008(8 13.周樸.侯靜.陳子倫.劉澤金 光纖激光器自組織相干陣列的理論分析期刊論文-強(qiáng)激光與粒子束 2007(5 14.周樸.侯靜.陳子倫.劉澤金 高功率光纖激光的時(shí)間部分相干性對(duì)相干合成的影響期刊論文-強(qiáng)激光與粒子束 2007(8 15.陳子倫.侯靜.周樸.姜宗福 光