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激光组束技术驱动激光器向高功率发展

2013-06-07 11:17
小伊琳
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  ——激光组束技术使得激光功率在过去的几年中有了成倍的增长。目前,利用光纤激光器相干组束技术和半导体激光器多波长组束技术,均使得激光器的功率水平达到了千瓦量级。

  光纤激光器和半导体激光器一个明显的优点是体积小,功率高。但由于非线性损耗、热效应以及光损伤问题,使得单个激光器的功率水平受到限制。利用激光组束技术可以有效地提交该类激光器的功率水平。激光组束技术分为两类:一类是非相干组束技术,另一类是相干组束技术。

  1. 非相干组束技术研究进展

  非相干组束技术十分简单易行,其方法是使得多个激光器的输出激光沿着相同的方向传播,使得激光的功率可以得到成倍的增加,功率水平和激光器的数目成正比。但是一般情况下,利用该技术输出激光的亮度没有得到明显的提升。

  半导体激光器非相干激光组束技术,是通过将多个半导体激光器在空间上按照一定的次序进行排列,使得其输出激光沿着相同的方向传播,从而得到高功率的激光输出。由此得来的高功率激光输出可以直接应用于对光束质量要求不高的场合,如作为泵浦源以及热源,应用价值十分巨大。

  光纤激光器非相干组束技术,相比于半导体激光器非相干组束技术,有着更好的光束质量。目前,光纤激光器非相干激光组束技术在激光武器领域被广泛应用。美国海军在2010年研制出了33kW激光武器系统,可以击中距离1海里的目标。 目前,美国海军正在研发输出功率为100kW的激光武器系统,预计该系统将在 2014年研制成功。

  2. 相干组束技术研究进展

  相干组束技术较之非相干组束技术复杂一些,其优势是可以明显提高激光的亮度。相干组束技术又分为两类:一类是锁相相干组束技术,另一类是多波长相干组束技术。锁相相干组束技术和锁模原理相似,通过一定控制,使得各个激光的相位“锁定”,产生“相干叠加”。多波长相干组束技术是通过将不同波长的激光进行组束,从而提高总输出激光的亮度,该技术避免了锁相相干技术中需要相位“锁定”带来的技术难度,但相应地,输出激光的光谱宽度也被展宽。

  2.1 基于半导体激光器的相干组束研究进展

  上世纪九十年代,研究人员利用锁相相干组束技术对多个半导体激光器进行了实验研究,最终得到了5.5 W的功率输出。近年来由于新技术的发展,许多研究小组的研究成果均大大超过了上述结果。MIT林肯实验室的Fan及其同事,利用锁相相干组束技术对218束放大的半导体激光器激光进行实验研究,得到了最高功率为38.5 W的激光输出。其实验装置图如图1所示。一束种子激光通过衍射光学器件后,分为21束,通过准直系统将这21束激光准直到双通放大器中进行放大。这21束光的相互之间的相位“锁定”是通过电路反馈装置来实现的。接着,这21束光中的每一束又被分成11束,进行第二通放大。其中有13束不起作用,因此共有218束。据研究人员介绍,该系统还有很大的功率提升空间,需在实验中进一步确认。

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