大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法

2024-01-29 01:49:15

專利名稱：大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法
技術領域：
本發明屬於光纖雷射器技術領域，特指ー種能實現全光纖結構光纖雷射高亮度輸出的新方法。本方法提出了大功率光纖雷射相干合成的新結構，使用主動相位控制及自適應光學技術對大功率光纖雷射進行光束控制，能實現全光纖結構的高亮度光纖雷射輸出。
背景技術：
光纖雷射器具有轉換效率高、光束質量好、熱管理方便、結構緊湊等優點，近年來發展迅速。與傳統的固體和化學雷射器相比，光纖雷射器結構簡單，具有易於製造和維護等優勢，使其在遠程焊接、三維切割等エ業領域得到了廣泛的應用，並在國防軍事領域也有著良好的應用潛力。雖然光纖雷射器作為新一代高能雷射光源已經得到廣泛應用，但是受到摻雜光纖熱損傷、非線性效應等物理機制的限制，單模光纖雷射器的輸出功率有限。根據理論分析，光纖的損傷閾值、各種非線性效應閾值均與光纖的模場面積成正比，而單模光纖纖芯直徑小(一般單模光纖纖芯直徑小於6um)，導致其損傷閾值和非線性效應閾值低，難以實現高功率輸出。為實現更高的亮度輸出，ー種重要的技術途徑是採用雷射器相干合成的方法。即雷射器米用多模塊結構，控制各單兀(孔徑)雷射器輸出光束的相位達到鎖相輸出，實現光束的相干合成。一方面，在保持光束質量的同時提高了輸出光束的功率，實現了亮度的提高；另ー方面，模塊化的結構分散了熱效應，有利於克服「熱」造成的高能雷射平均亮度下降。基於相干合成的高能雷射系統同時解決了亮度和熱管理兩個難題，已經成為高能雷射系統發展的重要方向。相干合成光纖雷射陣列構成的高能雷射系統與傳統單孔徑高能光纖雷射系統相比，在系統成本、熱管理以及光束控制等方面具備明顯優勢，近年來國際上掀起了光纖雷射相干合成技術研究的熱潮。傳統的相干合成技術其子孔徑採用空間拼接，因此最終的亮度受佔空比等因素制約。特別是在高功率，多路數的條件下，如何有效提高子孔徑間的佔空比是傳統的相干合成進ー步發展必須克服的問題。此外由於空間結構帶來的光路調節困難直接影響相干合成的可擴展性及系統的穩定性。全光纖結構能有效解決空間結構引起的系統不穩定等問題，但全光纖結構一般用於非相干合成。目前，美國IPG光子技術公司採用全光纖結構實現了 50kW的多模雷射輸出，由於是非相干合成即僅僅是單純的功率合成，不能提高輸出雷射的光束質量，且輸出端採用多模光纖，因此該雷射器光束質量較差。據報導其30kW連續波輸出時，光束質量約為4臓.mmd，大於10倍衍射極限，50kff連續波輸出時，光束質量大於20倍衍射極限；隨著合成路數的增加，光束質量還將退化，不能實現高亮度輸出。光束浄化被認為是ー種提高雷射光束質量的有效手段已經廣泛應用於固體/氣體雷射器領域。光束浄化的概念最早由美國休斯實驗室的奧麥拉於1969年提出。該實驗室將多元高頻振動法即多抖動法用於雷射發射並對此開展了近十年的研究。目前光束浄化主要有兩種方案，ー種是基于波前傳感的傳統自適應光學方案即波前共軛式，ー種是基於優化算法的優化自適應光學方案即優化式。從控制方法的角度看波前共軛式，先用波前傳感器測量波前畸變獲得相位畸變分布，然後根據相位共軛原理通過控制波前變形元件產生共軛相位以補償相位畸變；而優化式則是將存在波前畸變的光學系統作為一個待優化的控制系統，應用最優控制理論控制波前變形元件，使得反映系統性能的評價函數達到唯一極值，以達到消除系統波前畸變的目的。與波前共軛式相比，優化式技術結構緊湊，不需要複雜的波前探測和波前重構、計算量小，可以不受閃爍效應等畸變條件的限制，更適合應用於高功率雷射條件下。特別是隨著以隨機並行梯度下降算法(stochastic parallel gradientdescent, SPGD)為代表的高速算法的出現，極大加快了系統的迭代速度，使得基於優化算法的自適應系統具有校正快速波前畸變的能力，拓展了應用範圍。光束浄化只能作用於相干光源，對於功率合成即非相干合成，由於多路光束相位 的高速隨機變化，無法進行光束淨化控制，不能提高其雷射亮度。我們發現，採用主動相位控制，能夠實現主振蕩器功率放大(Master Oscillator Power Amplifier, ΜΟΡΑ)結構合成的多模光纖輸出光的相位鎖定，得到穩定的高階模輸出。此時，輸出雷射具有相干性，因此可以用光束浄化系統對其進行控制，提高光束質量，實現高亮度的光纖雷射輸出。全光纖結構相干合成及將相干合成光束進行光束淨化，在本發明之前從未有相關報導。

發明內容
為實現光纖雷射器的高亮度輸出，本發明提出了ー種新型全光纖結構的相干合成方法，採用主動相位控制及自適應光學技術實現光纖雷射器的高亮度輸出。本發明提出的大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法包括雷射器、全光纖光束合成器件、相位控制器及光束浄化裝置四部分，雷射器採用多路單模光纖雷射器合束的方式，採用主振蕩-功率放大(Master Oscillator Power-Amplifier,ΜΟΡΑ)方式，利用成熟的單模光纖雷射器技術產生每一路子雷射。然後使用全光纖光束合成器件光纖合束器，將各支路單模雷射合併進ー根多模光纖，由於多模光纖具有較大的纖芯半徑，因此能承受高功率的雷射輸出。由於最後的多模雷射只是將各支路雷射合併，所以可以合適選擇多模光纖的長度並將其伸展固定，避免盤繞引起的彎曲損耗等問題。通過雷射合束，將多路雷射合束進單根多模光纖，有效解決了相干合成空間拼接佔空比低這ー問題。同時使得雷射實現全光纖結構，增強了系統的穩定性。相位控制器包括相位控制模塊和性能評價模塊，性能評價模塊包括探測模塊和控制模塊，在雷射器子光路中接入相位控制器，通過探測模塊對輸出光場取樣，控制模塊進行數據處理並產生控制信號加載在相位調製器上，實現對各路雷射相位的鎖定。通過相位控制器，能夠實現穩定的光強輸出，解決了合束器輸出光場不穩定等問題。光束浄化裝置採用優化式自適應光學系統。優化式自適應光學系統採用的優化算法為隨即並行梯度下降算法、模擬退火算法或遺傳算法的ー種。典型的優化式自適應光學系統包括性能評價模塊和波前校正器，其中性能評價模塊包括探測模塊和控制模塊，探測模塊負責採樣雷射性能函數的採集，而控制模塊主要負責信號的處理，運算並產生波前校正器的控制信號。波前校正器對出射的多模雷射進行相位調製，實現光束浄化的目的。通過光束浄化，能夠調高光束質量，解決多模光纖雷射光束質量差等問題。
本發明的大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制系統結構為雷射器種子雷射N路，每一路種子雷射器1_ (i=l, 2，…N)含有相位調製器2-i (i=l, 2，…N)，並熔接光纖放大器3-i (i=l, 2，…Μ)，#路放大器的輸出端與Nxl路合束器4的#個輸入端ロ熔接在一起，合束器出ロ端連接有準直器5，準直器5後設有擴束鏡6，擴束鏡6後設有分束鏡I 7，分束鏡I 7將光分成2部分，一部分進入相位控制器8，另一束經波前校正器9反射後，再由分束鏡II 10分成2部分，其中一束光作為雷射器的輸出雷射，另一部分經縮束透鏡11，進入性能評價模塊12，性 能評價模塊12與波前校正器9相連，相位控制器8與相位調製器相連。#路種子雷射1- (i=l, 2，…Μ)經光纖雷射放大器3- 進行功率放大後，由合束器4合併進單根多模光纖中並由準直器5出射。出射雷射經擴束系統6擴束後被分束鏡7分成2部分。一部分進入相位控制器8，相位控制器8根據入射光不斷對相位調製器產生控制信號，由此實現對各子路雷射的相位鎖定。另一束入射至波前校正器9靶面並被其反射。分光鏡10將反射光分成2束,一束光作為雷射器的輸出雷射,另一束則經縮束系統11後進入性能評價控制模塊12。控制模塊12根據探測信號對波前控制器9產生對應的控制信號，不斷對波前控制器進行控制，由此對多模光纖雷射進行浄化，實現高功率高光束質量的光纖雷射輸出。
本發明的優點在幹
突破傳統光纖相干合成空間拼接的方式，採用全光纖合束的方式有效解決低佔空比及空間不穩定性等問題，採用相位控制及光束浄化技術解決多模雷射光束質量差問題。首先雷射器為帶有主動相位控制的多路單模光纖合束，通過該方式可以獲得穩定的單口徑高功率的雷射輸出，然後利用基於優化式自適應光學系統直接對合束的光纖雷射進行淨化，在保證高功率輸出的同時提高光束質量。該方法能突破單模光纖雷射器功率限制，同時解決相干合成空間佔空比低，穩定性差等問題，是獲得聞売度雷射的有效方法。


圖I為光纖雷射器大功率高光束質量輸出的方法結構不意圖，
圖2為大功率高光束質量雷射系統中雷射器種子光結構示意圖，
圖3為大功率高光束質量雷射系統中相位控制系統結構示意圖，
圖4為大功率高光束質量雷射系統中光束淨化系統結構示意圖，
圖5為光纖雷射器大功率高光束質量輸出的方法實驗評價函數曲線圖，
圖6為光纖雷射器大功率高光束質量輸出的方法實驗光斑圖。
具體實施例方式下面結合圖示對本發明進行進ー步說明。圖I為本發明提出的一種實現大功率光纖雷射器全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法的結構示意圖。1-1、1_2、"·1_Ν分別是N路種子光，2-1、2-2、"·2_Ν分別是N路相位調製器，3-1、3-2、…3-Ν分別是N路放大系統。根據實際需求，放大系統可以是ー級或者多級級聯。N路放大系統輸出雷射經合束器4後合併進ー根多模光纖中，由於多模光纖纖芯半徑更大，因此能夠承受高功率的雷射。5是雷射準直器，將合束後的高能雷射準直輸出至自由空間。分束鏡7將雷射分成兩部分。一部分(佔雷射準直器4輸出總能量的1%以內)進入相位控制器8，相位控制器8根據入射光不斷對相位調製器產生控制信號，由此實現對各子路雷射的相位鎖定，另一部分入射在波前校正器9的靶面。波前校正器9可以是各種不同類型的變形鏡，也可以是液晶空間光調製器其它各種具有波前校正功能的器件。10是分光鏡,分光鏡10從輸出雷射中分出一部分雷射能量(佔此時雷射總能量的1%以內)，輻照進性能評價模塊12，性能評價模塊12對輸入信號進行探測，產生下一步的控制信號，不斷向波前校正器施加反饋信號。通過波前校正器對雷射波前進行調製，使得算法的性能評價函數不斷提升，實現高功率高光束質量的光纖雷射輸出。
圖2是種子雷射結構示意圖，根據需要I至N路種子光可以是由同一種子光經分束器分束得來(圖2-a)，也可以是N個獨立的種子光源単獨為每一路後續放大光路提供(圖 2_b)。圖3是相位控制器示意圖。根據實際要求，探測模塊31-1可以為光電探測器或者CCD等具有光強探測能力的器件。種子雷射器的中心波長必須在探測器的響應範圍之內。探測器將雷射時域特性轉換成電信號，並輸入控制模塊31-2。控制模塊31-2可以是電子計算機，也可以是數位訊號處理器(DSP)，也可以是大規模可編程門陣列(FPGA)，使用優化算法對探測器獲得的信號進行計算，產生下一步控制信號並加載至相位調製器32。波前校正器32可以是LiNbO3相位調製器，也可以是壓電陶瓷等具有相位調製功能的相位調製器。波前校正器32根據輸入信號對多模雷射進行相應的相位調製，最終實現提高雷射功率密度的目的。相位調製器為折射率調製型相位調製器或者位移型相位調製器。圖4光束浄化裝置結構示意圖。根據實際需求，探測模塊41-1可以為光電探測器或者CCD等具有光強探測能力的器件。種子雷射器的中心波長必須在探測器的響應範圍之內。探測器將雷射時域特性轉換成電信號，並輸入控制模塊41-2。控制模塊41-2可以是電子計算機，也可以是數位訊號處理器(DSP)，也可以是大規模可編程門陣列(FPGA)，使用優化算法對探測器獲得的信號進行計算，產生下一步控制信號並加載至波前校正器42。波前校正器42根據輸入信號對多模雷射進行相應的相位調製，最終實現提高雷射功率密度的目的。為驗證方案的可行性，我們在實驗室條，進行了小功率條件下全光纖結構2路相干合成及光束浄化實驗。種子光經1x2分束器(Splitter)分束後，直接與合束器(Coupler)的2臂焊接，合束器出射光纖空間耦合進多模光纖(MMF)。多模光纖參數25/125，NA=O. 22。雷射經多模光纖傳輸後，由準直器(CO)出射至空間，然後經稜鏡(Prism)分束入射至空間光調製器靶面(SML)。再由空間光調製器反射後經透鏡聚焦入射至相機(Camera)。相機採集光斑並將信號輸入PC機，PC機運行SPGD算法得到控制信號並將指令發送給SML,由此控制整個光場的波前。相位控制系統閉環前，由Camera可以觀察到輸出的高階模光強分布不穩定，隨時間做無規則的變化。而鎖相後，能夠得到穩定的遠場光強分布。此時開啟光束浄化系統。系統採用像清晰度函數(Image Sharpness Function, ISF)作為性能評價函數，圖5為光纖雷射器大功率高光束質量輸出的方法實驗評價函數曲線圖，其定義式
/ = \\l2(x,y)dxdy評價函數由淨化前的I. 0064增至2. 96，提高近3倍。
圖6為光纖雷射器大功 率高光束質量輸出的方法實驗光斑圖。從圖像計算可得，雷射遠場衍射半徑內的能量由40%増大至71%，有效提高了多模雷射的光束質量，充分驗證了方案的可行性。
權利要求
1.大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法，包括雷射器、全光纖光束合成器件、相位控制器及光束浄化裝置，其特徵在於，雷射器採用多路單模光纖雷射器合束，相位控制器包括相位控制模塊和性能評價模塊，其中性能評價模塊包括探測系統和控制系統；光束浄化裝置包括性能評價模塊和波前校正器，其中性能評價模塊包括探測系統和控制系統，該方法具體過程為利用單模光纖雷射器產生每一路子雷射，然後使用全光纖光束合成器件一光纖合束器，將各支路單模雷射合併進ー根多模光纖，在雷射器子光路中接入相位控制器和光束浄化裝置，通過相位控制器，實現穩定的光強輸出，通過光束淨化裝置，調高光束質量。
2.根據權利要求I所述的大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法，其特徵在幹，該方法採用主振蕩功率放大器結構，具體包括雷射器種子雷射N路，每一路種子雷射器(Ι-iジ(i=l, 2，…N)含有相位調製器(2-i)(i=l, 2，…N)，並熔接光纖放大器(3-i) (i=l, 2，…Μ)，Λ/路放大器的輸出端與tfxl路合束器(4)的#個輸入端ロ熔接在一起，合束器出口端連接有準直器(5)，準直器(5)後設有擴束鏡(6)，擴束鏡(6)後設有分束鏡I (7)，分束鏡I (7)將光分成2部分，一部分進入相位控制器(8)，另一束經波前校正器(9)反射後，再由分束鏡II (10)分成2部分，其中一束光作為雷射器的輸出雷射，另一部分經縮束透鏡(11)，進入性能評價模塊(12)，性能評價模塊(12)與波前校正器(9)相連，相位控制器(8)與相位調製器相連。
3.根據權利要求I所述的大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法，其特徵在幹，N路種子雷射可以由同一種子源分束得到，也可以由N個不同的獨立種子源得到。
4.根據權利要求I所述的大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法，其特徵在幹，N路光纖放大器可以是單級放大，也可以是級聯放大。
5.根據權利要求I所述的大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法，其特徵在幹，相位控制器中的相位控制模塊為電子計算機、數位訊號處理器、大規模可編程門陣列中的ー種。
6.根據權利要求I所述的大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法，其特徵在於，相位調製器為折射率調製型相位調製器或者位移型相位調製器。
7.根據權利要求I所述的大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法，其光束浄化裝置採用優化式自適應光學系統，優化式自適應光學系統採用的優化算法為隨即並行梯度下降算法、模擬退火算法或遺傳算法的ー種。
全文摘要
本發明公開了大功率光纖雷射全光纖結構相干合成及高亮度光束控制方法。該方法具體為首先雷射器為多路單模子雷射合束的結構，對每一路子光源進行放大，同時每一路中含有相位調製器件，能夠實現鎖相功能，實現穩定的光場輸出。然後使用光纖合束器，將多路放大後的雷射合束進一根傳能光纖，利用傳能光纖實現高功率的雷射輸出。其次在傳能光纖輸出端採用優化式自適應光學系統對出射多模雷射進行淨化。該方法採用新結構分步實現光纖雷射器高功率和高亮度輸出，有效解決了傳統相干合成對子光束空間拼接的要求，系統不穩定性及多模光纖雷射光束質量差等問題，能有效提高光纖雷射器輸出雷射亮度，同時實現了全光纖結構，充分利用成熟的單模光纖雷射器技術和光束淨化技術，簡化了高功率光纖雷射器的系統結構，降低了系統成本。
文檔編號H01S3/10GK102646916SQ20121013195
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月2日 優先權日2012年5月2日
發明者周樸, 寧禹, 李 傑, 熊玉鵬, 王曉林, 粟榮濤, 許曉軍, 趙海川, 陳子倫, 馬閻星 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學