基于公共环形腔耦合的光纤激光器相干合成技术

为提高光纤激光器无源自调整相干合成阵列的效率、稳定性和可扩展性,提出了基于公共光纤环形腔耦合与单模光纤滤波的光纤激光器相干合成方案。将多个2×2的光纤耦合器分别插入各单元激光器的谐振腔,利用耦合器余下的端口,两两相连构成公共环形耦合腔。采用单模光纤滤波技术,提高了各输出激光束之间相位锁定的稳定性。利用该方案在实验上实现了三路光纤激光器的被动锁相输出,实验测得的远场干涉光斑、输出功率及光谱均表明该方案适于构建性能较好的光纤激光器相干合成阵列。     

光纤复合环形腔单模激光器的研究

单模光纤激光器在光通讯和光传感中具有广阔的应用前景。分析了复合腔光纤激光器的构成及单模的实现特点,提出了一种新颖的光纤复合环形腔激光器结构,并对其进行了实验研究。该激光器使用了波长为980nm的半导体激光器作为泵浦源。三个腔长均为2m,彼此之间的腔长差为1～2mm的光纤环形滤波器与主谐振腔构成复合腔。此激光器在波长为1562nm处得到了线宽小于0.1nm的单模激光输出,输出的光功率可达到1mW。该激光器的阈值为5mW,斜率效率为4%。     

利用全光纤结构Michelson腔实现两路高功率双包层光纤激光器相干合成

Michelson腔技术是实现激光相干合成的有效方案. 利用Michelson腔技术, 实现了全光纤结构下的两路光纤激光器的相干合成, 获得了功率为11.75 W, 效率为95.76%的相干输出. 实验研究了相干合成效率与激光腔长差的关系以及抽运对称性对相干合成效率的影响. 实验表明相干合成效率极易受激光腔长差的影响, 不同腔长差下相干合成效率差异可达18%以上, 且存在最佳腔长差; 抽运对称性对相干合成效率的影响在2%以内.     

谱线和耦合系数对光纤激光器相互注入锁定的影响

相互注入锁定是相干合成技术中最具发展前景的方案之一. 在两个光纤激光器相互注入锁定的基础上,利用可调节光纤光栅改变其中一个激光器的中心谱线和利用不同的分束器改变两个激光器间的耦合系数,同时监测两个激光器的远场光斑和谱线,判断激光器谱线和耦合系数对相互注入锁定的影响. 通过理论和实验得到：提高耦合系数可以提高锁定的频率差;两个激光器的谱线越接近锁定的效果越好,当激光器的谱线超过一定范围时,两个激光器将不能被锁定. 关键词： 光纤激光器 相干合成 相位锁定     

两光纤激光器相干合成的实验研究

利用迈氏腔技术,进行了光子晶体光纤(PCF)激光器相干合成的实验研究,实现了两光子晶体光纤激光器的相位锁定,获得了功率为47W的相干输出.解释了在迈氏腔的两个输出光路上分别实现相干相长和相干相消的物理机理.实验结果表明,合成激光光谱较单台PCF激光器的激光光谱有显著的改善,波长带宽小于5nm. 关键词： 光子晶体光纤 相位锁定 迈氏腔 光纤激光器     

基于外差法的光纤激光器相干合成

采用波长1064 nm,功率为1 W的种子激光实现了两路光纤激光的相干合成,采用了两只保偏光纤准直器接收两路光干涉信号,与利用透镜直接把干涉信号会聚在探测器上相比,这种耦合方式得到的光干涉信号的条纹对比度更高。对相位噪声以及相位噪声的带宽进行了研究,结果表明,相位噪声由电信号串扰以及环境扰动产生。通过人为拨动光纤来增加相位噪声带宽,当相位噪声带宽增加时,相位控制精度下降。提出了提高相位控制精度的方法,实验获得了桶中功率为21.3%、斯特列尔比为79%、相位控制精度为0.008的相干合成效果。     

基于外差法的光纤激光器相干合成

采用波长1064 nm,功率为1 W的种子激光实现了两路光纤激光的相干合成,采用了两只保偏光纤准直器接收两路光干涉信号,与利用透镜直接把干涉信号会聚在探测器上相比,这种耦合方式得到的光干涉信号的条纹对比度更高。对相位噪声以及相位噪声的带宽进行了研究,结果表明,相位噪声由电信号串扰以及环境扰动产生。通过人为拨动光纤来增加相位噪声带宽,当相位噪声带宽增加时,相位控制精度下降。提出了提高相位控制精度的方法,实验获得了桶中功率为21.3%、斯特列尔比为79%、相位控制精度为0.008的相干合成效果。     

光纤激光器阵列的多抖动法相干合成

采用自行设计的基于大规模可编程门阵列（FPGA）结构的控制电路,实现了4路光纤激光的多抖动法相干合成。对大气湍流和机械振动引起的相位噪声进行了有效补偿,使远场光斑条纹对比度由开环时的0.21提高到了闭环时的0.93,闭环时远场特定孔径内的能量较开环时提高了3.3倍。该方法还对人为抖动光纤引起的较高频率噪声具有很好的抑制作用,系统闭环后,远场光斑条纹对比度可达到0.72。     

基于迈克尔逊型耦合腔光纤激光器相干合成的理论与实验研究

为使光纤激光器在自由空间中进行有效的相干合成,提出了耦合臂上带有会聚透镜的迈克尔逊型耦合腔,并将外腔配置为f－f结构以增强内部反馈.利用高斯光束的ABCD定律分析了外腔的传输特性,详细研究了外腔偏离f－f结构对相互注入耦合效率的影响,指出输出光纤端面与透镜前焦平面的偏差是影响反馈耦合效率的关键因素.基于此特别设计的迈克尔逊型耦合腔,实验上实现了两路光纤激光的有效相干合成.当透镜被移走时,阵列输出功率下降为原始值的78.5％,且相干态变得不稳定.     

两光子晶体光纤激光器相干锁定的实验研究

利用自成像腔技术进行光子晶体光纤(PCF)激光器光束相干合成的实验研究,实现了两光子晶体光纤激光器的相位锁定.在不使用滤波器的情况下,实验仍能观测到清晰的下涉图样,且在高功率输出状态以及环境噪声情况下干涉图样仍可保持稳定,表明具有单模大模场特性的光子晶体光纤在实现光束相干合成方面比传统的双包层光纤(DCF)有明显的优越性.实验还表明耦合输出镜的反射率对相干输出功率有一定影响,当反射镜的反射率分别为5%,10%和15%时,两台激光器相干输出斜率效率分别为63.8%,61.6%和60.2%.在抽运功率为150 W和耦合输出镜的反射率为5%时,获得95.8 W的最大相干功率输出,相干功率合成效率为90.2%.实验中无任何热光效应产生,有望利用该方法获得更高的相干输出功率.     

2 kW级光纤激光相干偏振合成

基于主动锁相相干偏振合成系统实现了四路500 W级全光纤窄线宽保偏放大器的共孔径合成输出。当相位控制系统处于闭环状态时, 整个合成系统的输出功率达2164 W, 合成效率为94.5%。实验中, 随着功率的提升, 合成效率未发生明显退化。这是目前相干偏振合成系统的最高输出功率。     

外腔两束光纤激光频谱组束的实验研究

报道了外腔2个大模面积双包层Er3+/Yb3+共掺光纤激光器频谱组束的实验结果,获得了最大功率为0.80 W、组束效率高达82.5%的组束激光输出。演示和分析了光纤末端放置位置的改变、光栅的旋转对输出光谱和组束效率的影响,结果表明:当光纤末端距系统轴的位置超过某一定值时,输出光谱呈现多模;当光栅与水平面所成角度减小时,组束效率逐渐增大。     

外腔两束光纤激光频谱组束的实验研究

报道了外腔2个大模面积双包层Er3+/Yb3+共掺光纤激光器频谱组束的实验结果,获得了最大功率为0.80 W、组束效率高达82.5%的组束激光输出。演示和分析了光纤末端放置位置的改变、光栅的旋转对输出光谱和组束效率的影响,结果表明：当光纤末端距系统轴的位置超过某一定值时,输出光谱呈现多模;当光栅与水平面所成角度减小时,组束效率逐渐增大。     

基于随机并行梯度下降算法的多波长激光相干合成

由于受到受激布里渊散射(SBS)等非线性效应的限制,单频激光放大器的功率在百瓦量级,以非单频激光多波长激光作为种子源能够有效地抑制SBS并提高放大器功率.与单频激光相干合成相比,非单频率、多波长激光的相干合成有望将输出激光功率成量级地提高.基于随机并行梯度下降(stochastic parallel gradient descent,SPGD)算法,实现了四波长激光的相干合成.在系统闭环时,四路多波长激光合成后的主瓣能量能够提高3倍,达到理想值的75%.验证了多波长、非单频激光相干合成的可行性,为高功率相干合成的发展提供了新的途径.     

Coherent combining of two fiber lasers in a Michelson-type coupled cavity

Coherent combining of two fiber lasers using a Michelson-type coupled cavity has been demonstrated experimentally. To make the fiber lasers combined efficiently, two convergent lenses are introduced into the two arms of the coupled cavity, and an f-f arrangement is specially configured for the cavity to improve internal feedback. When the lenses are taken away, the output power decreases to nearly 78.5% of its original value, and the coherent state become less stable than before. Through tuning the FBG (fiber Bragg grating) of one fiber laser, the converting process from incoherent state to coherent state is investigated, and the spectrums, output power and the beam patterns all indicate that the brightness of coherent state increases to nearly twice of incoherent state’s, i.e. four times of component laser’s.     

光纤激光相干合成高速高精度相位控制器

基于随机并行梯度下降算法（SPGD）和现场可编程逻辑阵列（FPGA）设计制作了相干合成（CBC）相位控制器。理论分析表明,该控制器单次迭代速率大于1.125 MHz,对于2路和16路相干合成,其平均控制带宽的理论值分别大于70 kHz和9 kHz,与现有的SPGD算法相位控制器相比有了量级上的提高。利用该控制器进行了验证性实验,表明该控制器能够实现高速高精度相位控制。当利用相位控制器对两路激光的相位进行锁定时,目标圆孔内能量提高了1.51倍,远场光斑对比度提高了5.29倍。     

模拟退火算法光纤放大器相干合成

提出了利用模拟退火算法实现相干合成的思路。对利用模拟退火算法实现多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,验证了方法的有效性,并分析了算法收敛速度与合成光束数目的关系。进行了两路W量级光纤放大器相干合成的实验,结果表明,模拟退火算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.8倍,并使得目标圆孔内能量大于理想值80 %的概率从19.4 %提升到了51.3 %,取得了较为明显的相干合成效果。     

多抖动法主振荡功率放大器相干合成技术

采用多抖动相位控制方法实现了两路和三路1 Ｗ量级光纤放大器的相干合成,对实验结果进行了详细分析。实验中,将种子光源输出激光分为两路（或三路）,分别通过光纤放大器进行功率放大,并采用多抖动法实现相干合成。控制系统开环时,远场光斑条纹模糊不清,两路和三路合成时条纹对比度分别为0.19和0.12;系统闭环时,远场光斑条纹清晰可见,对比度提高到0.93和0.81,合成效率分别为80%和77%。此外,对两路和三路的合成效果进行了比较,指出了各路的控制资源对合成效果的影响。     

Coherent beam combining master oscillator-power of hybrid phase control in amplifier configuration

A novel scalable architecture for coherent beam combining with hybrid phase control involving passive phasing and active phasing in master oscillator-power amplifier configuration is presented. Wide-linewidth mutually injected passive phasing fibre laser arrays serve as master oscillators for the power amplifiers, and the active phasing using stochastic parallel gradient descent algorithm is induced. Wide-linewidth seed laser can suppress the stimulated Brillouin scattering effectively and improve the output power of the fibre laser amplifier, while hybrid phase control provides a robust way for in-phase mode coherent beam combining simultaneously. Experiment is performed by active phasing fibre laser amplifiers with passive phasing fibre ring laser array seed lasers. Power encircled in the main-lobe increases1.57 times and long-exposure fringe contrast is obtained to be 78% when the system evolves from passive phasing to hybrid phasing.