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三大光纤激光相干合成技术团队 工物院四路相干合成获突破

2013-09-05 00:12
来源: 激光网

  近日,中国工程物理研究院应用电子学研究所报道了四路板条激光的相干合成,输出功率达到400W。

  该技术采用象散调节扩束装置将长条形板条激光束整形为方形光束,设计了二维高占空比光束拼接装置,四束光拼接后填充因子达到85%。板条激光的光轴通过紧凑的高帧频光学探测系统探测,并用基于压电陶瓷的快反镜加以校正。光轴闭环后,四光束的均方根光轴误差均小于2微弧度。用基于FPGA和随机并行梯度下降算法的相位控制系统锁定四束激光的活塞相位。相位锁定后,远场光斑峰值功率提高了3.8倍,达到理想值得95%。相干合成系统获得了较高的光束质量,当相位控制系统闭环时,合成光束的光束质量优于1.26倍衍射极限(BQ),主辨包含了超过50%的激光能量。实验结果表明该技术路线有实现更高功率激光相干合成的潜力。

  相干合成近年来成为激光技术领域的热点研究课题。激光器采用多模块结构,控制各单元(孔径)激光器输出光束的相位达到锁相输出,实现光束的相干合成。一方面,在保持光束质量的同时提高了输出光束的功率,实现了亮度的提高;另一方面,模块化的结构分散了热效应,有利于克服“热”造成的高能激光平均亮度下降。基于相干合成的高能激光系统同时解决了亮度和热管理两个难题,已经成为高能激光系统发展的重要方向。

  进入21世纪以来,高功率光纤激光技术得到了迅速发展,其在高能激光系统中的巨大应用潜力也被各国军方和科研人员一致看好;而光纤激光器固有的紧凑结构非常适合于构建激光阵列,光纤激光相干合成技术成为了相干合成技术领域最为热门的研究内容。美国定向能协会(DEPS)举办的定向能系统年会和固体与二极管激光技术年会几年来均开设专题研讨相干合成技术,激光科学领域CLEO和SPIEPhotonicsWest等国际会议以及斯坦福大学均设置了相干合成技术研讨班。仔细研究激光技术的发展历史不难发现,相干合成技术的发展历史和激光器本身的历史几乎一样长,并且涉及气体激光器、化学激光器、半导体激光器、固体激光器、光纤激光器等各种类型。

        一、光纤激光相干合成发展现状

  光纤激光器的出现使得相干合成技术获得了突飞猛进的发展。其原因除了光纤激光器本身的独特优势、紧凑的结构特别适合于相干合成和百千瓦战术使用的需求外,光纤通信商业推广过程中配套产生的几种器件(即光纤熔锥耦合器、多芯光纤、带尾纤的相位调制器与声光移频器等)起到了至关重要的作用。光纤熔锥耦合器、多芯光纤使得基于激光能量注入耦合和倏逝波耦合的被动相位控制十分便利,带尾纤的相位调制器与声光移频器使得主动相位控制能够具备兆赫兹量级的控制带宽,可以用于控制大功率条件下的相位起伏,实现锁相输出。

  研究人员在探索和实践中不断推陈出新,提出了不同机理、不同类型的相干合成实现方式并进行了实验验证,相干合成技术以前所未有的速度取得了一系列突破性进展。2003年,美国NorthropGrumman公司和麻省理工学院的J.Anderegg等实现了4路瓦量级和2路十瓦量级光纤激光相干合成。2004年,HRL实验室的H.Bruesselbach等实现了7路瓦量级光纤激光相干合成。2006年,NorthropGrumman公司和美国空军研究实验室的J.Anderegg等实现了4路百瓦量级和9路十瓦量级光纤激光相干合成。2006年,NorthropGrumman公司的G.D.Goodno等以光纤激光作为种子源,利用LiNbO3相位调制器进行主动相位控制实现了2路万瓦级板条放大器的相干合成,输出功率为19kW。2008年通过技术改进实现了2路万瓦级板条放大器相干合成,输出功率达到30kW。2009年3月,NorthropGrumman公司的J.Marmo等以光纤激光作为种子源,利用LiNbO3相位调制器进行主动相位控制实现了4路和7路万瓦级板条放大器的相干合成,输出功率为63kW和105.5kW。

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