付 翔,汪 亞,鄧志峰,王玉婷,劉清海,樂文冉,馬宏亮,查申龍,占生寶

(1.安慶師范大學,安徽 安慶 246133;2.滁州學院,安徽 滁州 239000)

1 引 言

高功率、高光束質量激光是軍事和民用等眾多領域追求的目標。隨著光柵性能的不斷改善,以光纖為增益介質,通過譜合成獲得低成本下的高功率輸出,已成為當下研究熱點[1-2]。對于高功率激光而言,光束質量是衡量其性能的重要指標之一。理論上,經譜合成輸出的高功率激光,其光束質量與單路激光的光束質量相同[3]。然而,實際合成中,隨著陣元數(shù)量的增加,不同波長激光經光柵衍射的效果不同,必然導致合成光束質量的下降[4-5]。為確保合成光束的優(yōu)良性能,人們對譜合成的光束質量進行了大量的理論和實驗研究。

本文依據(jù)這些研究,將其成果歸類成窄線寬法,雙光柵色散補償法,以及抑制光柵熱變形法3種改善方法。并依據(jù)這3種方法,詳細介紹了光束質量提升的研究現(xiàn)狀和取得的階段性成果。

2 基于窄線寬改善光束質量的研究進展

2.1 高功率、窄線寬輸出激光的研究進展

理論和實驗表明:影響光束質量最關鍵的因素是譜線寬度[6]。以單個多層電介質光柵(MLD)譜合成為例,若要獲得光束質量因子M2<1.5的合成光束,必須確保單路激光譜線寬度小于36 GHz[7]。由于受激布里淵散射(SBS)效應影響,單頻激光(線寬為千赫茲量級)的輸出功率(毫瓦量級)極低,難以滿足大功率應用需求。針對該情況,研究人員提出了一種利用單頻激光通過相位調制,再結合主振蕩功率放大(MOPA)結構的方案[8],如圖1所示。

圖1 單頻相位調制MOPA示意圖

首先,由單頻激光器產生出單頻信號,由高頻信號發(fā)生器產生出調制信號；其次,將單頻與調制信號同時注入相位調制器,實現(xiàn)單頻信號調制；最后,將得到的調制信號注入多級功率放大器,實現(xiàn)高功率、窄線寬激光輸出。目前,該方案采用了正弦、白噪聲(WNS)、偽隨機編碼(PRBS)相位調制等實現(xiàn)方法。

采用正弦相位調制法,2015年,國防科技大學進行了高功率窄線寬激光產生實驗[9],如圖2所示。

圖2 正弦相位調制MOPA

其具體實驗過程為:首先采用波長分別為1064.4 nm和1063.8 nm單頻激光器作為種子源,以100 MHz的正弦信號為載波,實現(xiàn)單頻信號調制；然后將該調制信號注入三級預放大器,獲得功率為20 W的激光輸出；最后將該輸出信號注入長度為9 m的雙包層摻鐿光纖主放大器(YDFA)。該實驗獲得了線寬為2 GHz、M2=1.4、功率為1.41 kW的激光輸出。

上述實驗雖然獲得了高功率、窄線寬激光輸出,但輸出光束質量不算太高。為進一步改善光束質量,2016 年,Nader A等人采用PRBS + WNS相位調制方案,開展了高光束質量的激光輸出實驗[10],如圖3所示。種子源采用1038 nm 和1064 nm 的兩路單頻激光,首先使用PRBS信號將1064 nm激光調制到吉赫茲量級后預放大至2 W,再利用WNS相位調制將1038 nm激光調制到18 GHz后預放大至20 W；然后使用波分復用器(WDM) 對兩路信號合并。最后將合并后的信號注入功率放大器。該實驗獲得了功率超過 1 kW、線寬為 2.3 GHz、M2<1.2的高質量激光輸出。

圖3 偽隨機碼+白噪聲相位調制MOPA

2.2 利用窄線寬改善光束質量的研究進展

運用單頻相位調制方案,2011年,Wirth 等人[11]利用MLD光柵,開展了四路高功率光纖激光千瓦量級的譜合成實驗,如圖4所示。其中,種子源為低功率單頻激光器,采用噪聲調制法將種子源的光譜擴展至90 pm,經放大后、單路激光最大輸出功率可達到2.1 kW。對于四路激光的譜合成,當合成功率小于 2.4 kW 時,M2<1.5；而當合成功率大于 2.5 kW 時,M2開始增加,當合成功率達到7.3 kW時,M2=4.3。該實驗結果表明:隨著合成激光功率的增加,光束質量逐漸變差。分析其原因,可能緣于兩個方面:第一,隨著單路激光功率的增大,激光模式從低階模跳變?yōu)楦唠A模,導致線寬展寬,由此降低光束質量；第二,隨著光柵輻照強度的增大,光柵熱變形也會導致光束質量的劣化。

圖4 四通道窄線寬譜合成示意圖

針對上述高功率激光合成時存在的光束質量退化問題。2013年,Aculight團隊在確保模式不發(fā)生跳變的情況下,將線寬為3GHz的調制信號注入MOPA[12]。在采用1740 lp/mm的MLD光柵作為合成器、單路功率為300 W的情況下,實現(xiàn)了12路光纖激光、M2=1.35的譜合成。該結果表明模式不穩(wěn)定是影響光束質量的一個重要因素。2015年,該團隊再次將激光陣元擴展至96路,在確保模式不發(fā)生跳變的情況下,獲得了M2=1.6的合成激光。究其光束質量下降的原因,除多路光束對準偏差外,高功率情況下光柵熱變形可能是導致光束質量下降的另一因素。

2.3 利用超熒光窄帶濾波改善光束質量的研究進展

前述已經提到,SBS效應是限制窄線寬激光輸出效率的關鍵因素。為提高泵浦利用率,人們提出了利用超熒光抑制SBS、獲得窄線寬光源的方案。

超熒光是一種在特定方向上加強的“放大的自發(fā)輻射”。由于其在光譜范圍內無縱模、且光子分布均勻,因而具有抑制SBS效應的優(yōu)勢[13-14]。且經過濾波,其輸出線寬可保持在皮米到亞納米量級。實驗表明:當光譜線寬在10 pm量級時,抑制SBS的效果可達20 dB以上[15]；因此利用超熒光是獲得高功率窄帶光源的一種簡單而有潛力的方案[16]。

運用超熒光窄帶濾波光束作為光源,2015年,北京工業(yè)大學進行了兩束激光的譜合成實驗[17],如圖5所示。

圖5 兩路ASE譜合成裝置

其實驗過程為:首先使用環(huán)形器和不同中心波長的光纖布拉格光柵對同一寬帶超熒光種子源進行濾波,獲取兩路中心波長分別為1060 nm和1078 nm、3 dB帶寬均小于60 pm的窄線寬超熒光光束；然后將其注入YDFA。經放大后得到功率分別為57.4 W和56.6 W、M2小于1.7的兩路激光輸出。以此為基礎,采用透射體布拉格光柵作為合成器,獲得了功率為104.2 W,M2約為1.7的合成激光。合成較單路光束質量沒有明顯的降低。

上述實驗雖然驗證了超熒光在譜合成中能保持較好的光束質量,但該實驗的功率僅為百瓦量級。為驗證高功率下、該方案譜合成的光束質量,2016年,上海光機所進行了8路千瓦量級的譜合成實驗[18],如圖6所示。

圖6 8路ASE譜合成系統(tǒng)

圖中上半部分為種子源產生裝置。該種子源由YDF和一個反向泵浦源構成。由其產生的ASE光束經濾波、放大后,得到功率為60 mW、線寬為70 pm的窄線寬種子源。種子源光束經三級主放大器放大后,獲得功率為1.5 kW,斜效率約為70 %的激光輸出。更換不同波長濾波器,重復上述過程,得到8路不同波長的激光輸出。以此為基礎,使用MLD光柵 (960 lp/mm)作為合成器,最終獲得了最大功率為10.8 kW,合成效率為94%、M2大于5的合成光束。分析表明:光束質量劣化的原因在于種子源固有功率噪聲引入的自相位調制效應,造成了單路激光的光譜展寬。2017年,他們對上述方案進行改進[19],采用另一塊與上述參數(shù)完全相同的光柵,對波長為1070.9 nm的激光進行色散補償,在單路功率約為1.7 kW情況下,7路激光合成獲得了最大功率為 11.27 kW、合成效率為92.8%、M2小于2.5的合成激光。分析表明:色散引起的譜線展寬是限制光束質量的又一重要因素。

3 基于色散補償改善光束質量的研究進展

針對色散引起的譜線展寬導致光束質量下降問題,2004年,Liu等人提出了一種利用雙光柵抑制光譜展寬的方案[20],如圖7所示。兩塊光學參數(shù)完全相同的衍射光柵平行放置,當N束不同中心波長的激光,經準直后以相同的入射角平行入射到第一塊光柵時,光柵的色散使N束激光以不同的衍射角重疊在第二塊光柵上。由于兩塊光柵參數(shù)完全一致且刻線方向平行,經第二塊光柵衍射后,所有波長激光的指向依然一致。由此可實現(xiàn)N束激光高質量的譜合成。

圖7 雙光柵譜合成原理圖

3.1 理論研究進展

對于該方案,P.M等人從理論上進行了論證[21]。其思路為:首先依據(jù)光柵方程,在考慮色散的情況下,計算出衍射光束的畸變放大倍數(shù)。然后結合雙光柵SBC系統(tǒng)中滿足傳輸條件的光柵間距,得出線寬與光束質量的關系。該關系為:雙光柵情況下,M2的增加項僅與線寬和光斑尺寸相關。由于消除了初始發(fā)散角的影響,因而合成光束質量得到改善。

依據(jù)該關系,文獻[22]對雙MLD光柵的合成光束質量進行了分析。指出在M2<1.2的情況下,單路激光線寬可放寬至亞納米量級。進一步,文獻[4]比較了單、雙光柵結構下,譜合成的M2隨線寬的變化趨勢,如圖8所示?？梢钥闯?對于單光柵系統(tǒng),當線寬大于10 pm時,M2隨線寬呈指數(shù)增加；當線寬達到1000 pm時,M2約為11；而對于雙光柵系統(tǒng),當譜線寬度達到1000 pm時,M2僅增加0.8,表明雙光柵系統(tǒng)能有效改善光束質量。

圖8 M2隨線寬的變化曲線

除線寬外,文獻[23]還對雙光柵譜合成時,陣元間隔、光譜占空比等影響M2的因素進行了分析,除得出陣元間隔影響光束質量的結論外；還得出占空比也會影響光束質量的結論,并推論出:若要獲得M2<1.1的合成光束,必須確保光譜占空比小于0.7。

3.2 實驗研究進展

在理論分析的同時,Liu等采用單、雙閃耀光柵結構(見圖7),率先開展了譜合成影響光束質量的對比實驗,在兩路功率均為30 W的情況下,對于單光柵系統(tǒng),測得M2=11；而對于雙光柵系統(tǒng),測得M2=2.0,表明雙光柵的使用顯著改善了光束質量。

由于該實驗所用光源為商用激光器,譜線較寬,為驗證線寬對雙光柵系統(tǒng)合成光束質量的影響,P.M等人采用雙MLD光柵(1740 lp/mm)系統(tǒng),在光柵間距為34 cm的情況下,進行兩路功率為115 W、線寬為0.15 nm(40 GHz)譜合成實驗,獲得了功率為190W,M2=1.18的實驗結果,該結果與其推導的理論結果高度吻合。

上述實驗雖然驗證了雙光柵方案改善光束質量的有效性,但合成功率僅為百瓦量級。為驗證KW、乃至10 kW量級的合成效果。文獻[25]采用單路功率大于1 kW、光束質量因子均小于1.6的10路激光進行相關實驗,如圖9所示。

圖9 9.6 kW 光譜合成示意圖

其合成過程為:首先,將10路不同中心波長的光束進行準直；其次,使用多個棱鏡對準直后的光束進行譜合成；第三,使用偏振鏡P1將合成后的光束分為p、s兩束偏振光；并對其適當擴展；第四,將s光注入雙MLD光柵單元進行共孔徑譜合成；第五,將p光通過90°石英旋光片旋轉為s光,注入雙MLD光柵進行譜合成,然后再通過90°石英旋光片將合成后的s光旋轉為p光；最后通過偏振鏡P2、實現(xiàn)兩組激光的共孔徑合成輸出。通過上述過程,獲得了最大輸出功率為9.6 kW,M2=2.9激光輸出。由此表明在高功率條件下,該方案仍能有效保持光束質量。

4 抑制光柵熱變形改善光束質量的研究進展

4.1 理論和實驗的研究進展

上述已提到,光柵熱變形會影響光束質量。針對該問題,文獻[26]在將反射體布拉格光柵(VBG)的熱變形視為“正透鏡”的情況下開展研究。即當子光束透射時,將光柵視為一個凸透鏡；而當子光束反射時,將光柵視為一個凸面鏡,如圖10所示。采用有限元與SIMPLE算法相結合的方法,得到了該模型下,光柵厚度、空間周期、折射率等隨橫向溫度梯度的變化規(guī)律。

圖10 VBG熱形變示意圖

進一步,使用一個聚焦透鏡,觀測了光束經光柵透射和衍射的聚焦情況:對于不同功率的透射光束,經聚焦透鏡后,其焦點位置隨著功率的增大逐漸增大；而對于衍射光束,當功率大于650 W后；其焦點位置移動反而下降,如圖11所示。表明基于“正透鏡”模型分析光束質量變化構思的正確性。

圖11 焦點位移隨功率的變化

運用正透鏡模型,文獻[27]研究了高功率譜合成時MLD光柵的熱形變情況,得到光強為2 kW/cm2下光柵熱變形的分布如圖12所示?？梢钥闯?浮雕層、介電薄膜層的變形依據(jù)高斯光強分布而發(fā)生變形,且浮雕層的形變略大于介電薄膜層的變形。以此為基礎,運用光線追跡法,得到了不同功率密度下、合成光束束寬隨傳播距離的變化曲線如圖13所示。其中,功率密度分別為1 kW/cm2、2 kW/cm2、3 kW/cm2時,得到的M2為 2.30、4.42、6.48。

圖12 浮雕層和電介質薄膜的形變

圖13 光束寬度隨距離的變化

針對熱變形導致光束質量下降問題,Drachenberg等人提出了一種熱調諧改善的方案,如圖14所示。

圖14 熱調諧VBG結構

其工作原理為:在VBG四周加入熱電冷卻器,并將其固定在水冷板上。該熱電冷卻器可在5～90 ℃內對光柵進行調諧。首先,使用熱電冷卻器將光柵的溫度提升到最大值；然后,當高功率入射光輻照光柵、導致光柵熱膨脹時,使用熱電冷卻器降低光柵邊沿溫度,從而確保衍射與透射光束高度重疊。采用該方法,經光柵作用后光束較單路入射光束的質量沒有明顯改變,如表1所示。

表1 不同溫度下VBG的衍射光束M2

4.2 本團隊工作

上述結果是在特定時間條件下所得出的結論。然而,光柵熱變形是一個動態(tài)過程,由此導致光束質量變化也是一個動態(tài)過程。針對該問題,本團隊運用上述模型,研究了不同輻照時間下、閃耀光柵的熱變形情況。得到了同一功率密度、不同時刻光柵浮雕層的變形結果如圖15所示。可以看出:隨著輻照時間的增加,光柵的變形隨之增大。在假設入射光束為基膜高斯光束的情況下,依據(jù)該變形結果,仿真得到M2的變化如圖16所示,假設光柵無變形時的M2=1；在輻照時間為10 s、30 s、60 s時,M2分別為1.16、1.30、1.56。

圖15 不同輻照時間下光柵浮雕層的形變

(a)without deformation

進一步,采用如圖17所示的實驗裝置。泵浦采用中心波長為976 nm的激光二極管,光纖為長度為7.3 m的 SM-EYDF-6/125-xp。閃耀光柵 (1200 lp/mm)對波長為1500～1600 nm的非偏振光的衍射效率不低于69 %。利用光束分析儀(型號:BP209-IR)和軟件測量系統(tǒng)(型號:M2MS,Thorlabs beam 6.0)檢測輸出激光的光束輪廓并分析光束質量。

圖17 光柵熱變形實驗裝置

實驗獲得了M2時間的變化如圖18所示,其中,輻照功率為30 W、輻照時間分別為30 s、60 s、120 s時,測得的M2為1.17、1.22、1.26。實驗與理論分析結果基本吻合。

(a)30 s

5 結 論

基于高功率光纖激光譜合成光束質量的研究現(xiàn)狀,本文在歸類其實現(xiàn)手段的基礎上,總結出3種改善光束質量的方法:即窄線寬法,雙光柵色散補償法,以及抑制光柵熱變形法。詳細介紹了各種方法改善光束質量的設計構思與技巧,并展示了在這些設計構思下、光束質量改善的進展。基于這些研究成果,分析了光束質量改善過程中,3種提升光束質量方法存在的限制條件、以及今后改善的方向。通過分析,不難發(fā)現(xiàn),獲取高功率、窄線寬輸出激光是實現(xiàn)高合成光束質量的前提和保證；以此為基礎,利用雙光柵色散補償、抑制光柵熱變形是確保光束質量改善的重要輔助手段。針對光柵熱變形導致光束質量劣化的動態(tài)問題,本文還詳細介紹了我們團隊最新的理論和實驗研究情況。依據(jù)該研究結果,下一步,我們將開展抑制光柵熱變形的相關理論和實驗研究。