光纤激光相干合成与谱合成的比较

第32卷第4期激光技术Vol. 32 ,No.42008年8月LASER TECHNOLOGYAugust, 2008文章编号: 1001-3806(2008 )04-0413-04光纤激光相干合成与谱合成的比较周朴,侯静,陈子伦,刘泽金(国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙410073)摘要:相干合成和谱合成是两种不同的光東合成方案,近年来均取得了显著进展。为了比较系统地研究这两种新兴的光東合成技术,从光纤激光器的基本要求关键技术、可扩展性、光束质量、系统稳定性和光束控制等6个方面,对目前已经获得高功率且有望获得更高功率输出的两种典型方案进行了比较研究。结果表明,基于主振荡功率放大器结构的相干合成方案和谱合成方案均难以同时获得高功率高光束质量的激光输出。对于不同的应用场合,需要在高功率和高光束质量中选择较好的平衡点。关键词:激光技术;相干合成;谱合成;相位噪声;光柬质量中国分类号: 0436文献标识码: AComparison for coherent combining and spectrum combining of fiber lasersZHOU Pu ,HOU Jing ,CHEN Zi-lun ,LIU Ze-jin(College of Optoeletric Science and Engineering,National University of Defense Technology ,Changsha 410073 ,China)Abstract: Signifcant progree has been recently reported on beam combination of fiber laser arrays using coherent combiningand spectrum combining technology. Analyzing the basic requirement for the fiber laser，key technology , number scalability, beamquality ,system stability and beam steering comes to a comparative study on these two technologies. The results show coherentcombining using master osilltlor power- ampliferfiber arays configuration and spectrum combining cannot give high power laserbeam with good beam quality at the same time that we have to balance the pros and cons of each technology for diferent application.Key words: laser technique ;coherent combining; spectrum combining;phase noise ;beam quality军提出了输出功率为10kW的解决方案[9]。引言因物理机制的不同,相干合成和谐合成的光学系统光纤激光器是近年来光电子领域的研究热点。由性能也不一致,故导致应用范围的差异。如主动照明要于掺杂光纤的非线性效应、光学损伤热损伤等物理机求尽可能小的散斑效应,谱合成就是较合适的方案;而制的限制,单根光纤激光器的输出功率有限"”。为了获对于相控阵雷达等领域,相干合成是首选。目前国内对得高功率高光束质量的激光输出,对多个光纤激光器于这两种合成技术的报道大都限于对原理和国外文献的输出光束进行合成是- -种有效的方法。目前人们已的简单介绍,缺乏对它们的比较研究。国外也仅有2篇经提出了多种光束合成的方案[24)。其中相干合成5]与文献进行了初步的比较[ 01 ,而对一些具体的技术指标谱合成[回]是研究得最多的两种。诺格公司研究的基于没有进行深人讨论。作者拟对这两种光纤激光器合成主振荡功率放大器( master oscillator power ampliferfiber方案进行深入比较,以期获得-些有用的结论。arays,MOPA)结构的相干合成方案目前已经取得了1相干合成和谱合成的基本实现方案470W高功率激光输出”,该方案也获得了美国国防部基于MOPA结构的相干合成方案设计的系统结高能技术联合办公室和美国空军的资助。Aculight 公司构如图1所示。主振荡器的种子激光被分成多束子光研究的谱合成方案也已获得258W高功率激光输出8] ,移相器该公司还为美国国防部高能技术联合办公室和美国海准直器分束镜基金项目:国家自然科学基金青年科学基金资助项目尹李(60608008) ;国防科学技术大学科研资助项目(JC05-07-04)放大器作者简介:周朴(1984-),男,博士研究生,主要 从事光.中国煤化工纤激光器方面的研究。E-mail:jnck621@ 163. comMYHCNMHG收稿8期:2007-04-02;收到修改稿日期:2007-10-11图1 MOPA 方案实现原理图光支术2008年8月束,然后对每路子光束都进行两级放大,最后对这些放况看,相位噪声的产生主要分为两个阶段:其一是暂态大的子光束通过一一个准直器阵列整合成一束输出。其过程,即在开关闭合后短暂的工作过程;其二是稳态过中种子光还要另外引出一路作为参考光。利用外差法程,即激光器工作处于稳定的状态,系统达到热平衡。探测每一路输出光束与参考光束的相位差,实时控制文献[ 12]中报道的实验结果说明,当阵元输出光功率相位控制器调节所有子光束的相位一致，达到相干合为10W时,毫秒时间段内相位变化达到波长的1/10成、锁相输出的目的。量级。为了获得高质量的光束输出,就要求控制系统谱合成方案的基本原理如图2所示。该方案的核的响应时间小于1ms。随着输出功率的增大,相位变>输出镜化会更加剧烈。阵元的相位控制是基于MOPA结构久的相干合成方案的难点所在。谱合成方案要求各激光器单元的出光波长不-.光纤激光器透镜致,从而利用衍射光栅将其合成- -束激光输出,这可以光栅通过设计合适的衍射光栅和谐振腔来实现,属于工艺上的问题。谱合成的关键在于衍射光栅的设计。由于图2谱合成方案实现原理图激光器的输出光不可避免地具有一定的线宽,術射时心技术是制作一个全息光栅,光栅将不同角度人射的会出现光束的扩展,因此，需要设计补偿光栅来补偿因不同波长的激光合成--束,使得各单元激光器发出的线宽导致的光束扩展[6]。另外,光栅上的热效应也会光束在空间重叠(包括远场区和近场区)。该方案要影响合成效果,在LOFTUS等人的实验中[8) ,最高功率求各单元激光的波长有差异,输出的激光包含多个频密度为1. 5kW/em2的激光会使衍射光栅发生0.1个率成分,但是整个系统的输出功率得到了提高。波长量级的变形,从而使得激光器的线宽增大。采用谱合成方案需要设计在高功率情况下具有高损坏阈值2比较研究并具有低热变形的光栅。2.1基本要求2.3可扩展性基于MOPA结构的相干合成与谱合成最根本的光纤激光器合成方案的可扩展性决定了合成光束区别在于它们对于激光器单元的输出光束分别进行电的功率量级,从而影响到该方案的实用范围。前面已场矢量叠加和光强的简单叠加,因此对光纤激光器单经提及,对于基于MOPA结构的相干合成方案,关键元的要求不尽相同,如表1所示。在于高功率光纤激光器的相位控制。如果这项技术能表1相干合成和谱 合成对光纤激光器单元的基本要求[)]够实现则能很方便地扩展到多束激光相干合成。基性质谱合成.相干合成于此,美国空军实验室提出了激光系统的新技术和新频谱各激光器的频谱互不相同各徽光器的频谐一致结构14-15)。这种结构实质上就是一种光纤激光的相相位差无限制实时控制各数光器输出光束相位一致控阵,它利用了光纤激光器的固有优势,用光纤激光器偏振实时控制各激光器的偏撅方向一致代替其它类型的激光器,并通过单独控制单根光纤激振幅控制需要实时控制光器的相位,使得每一根光纤激光器的输出光束相位保持一致,从而获得高效率的高能激光输出。在这样总体说来,相干合成对光纤激光器单元的要求十的结构中,每一根光纤激光的输出相位都可以单独控分严格,而谱合成仅要求各单元的出光波长不相同,因制,这样不仅仅可以获得高能激光,还可以控制光束的此,谱合成对光纤激光器的基本要求相对宽松。方向、补偿激光传输过程中的相位畸变等。光纤激光2.2关键技术器相控阵可以级联,能够实现10kW ,100kW甚至更高基于MOPA结构的相干合成方案属于主动锁相功率的高能激光输出,如图3所示[14]。可见该方案有技术,需要对结构中阵元的相位进行独立控制,这就要着较好的可扩展性。约100kW求处理阵元相位噪声。光波波段的相位控制难度较约10kW大[12),因为要获得高的光束质量,要求光纤激光器阵中国煤化工哟亚业明列的波前误差在波长的1/10范围之内10.3,而光波MYRCNMHG的波长仅为微米量级。随着发射源的增多,对相位控图3级联光纤徽光器获得鬲功事教光制的要求会更加苛刻。谱合成方案的可扩展性面临着一个问题:衍射光相位噪声的产生机制非常复杂,从实验报道的情栅的频谱范围是有限的,需要在这有限的范围内保证第32卷第4期周朴光纤激光相干合成与谱合成的比较415尽可能多的激光器单元数。为了达到上述目的,每个稳定性不如谱合成方案。相干合成方案的本质在于:激光器单元的输出光束需要保持微量的波长差,而且不同激光器单元的出射光東在传输的过程中彼此千这种波长差还要求能够被分辨[61,这对谐振腔的设计涉,从而在远场目标处获得较高的峰值功率密度。根提出了较高的要求。无论体系设计如何紧凑,衍射光据多光束千涉理论,远场峰值功率密度是和激光器单栅的有限频谱范围决定了谱合成方案在理论上也不可元数目N的平方成正比的。然而当外界存在严重的能无限扩展。文献[11]中报道的实验结果说明他们干扰,导致相位控制器不能保持所有光束的相位- -致,采用的衍射光栅仅能对10根光纤激光器的输出光束或者部分激光器单元损坏无法正常工作,或者激光器进行合成。单元输出光束的功率大小不--时,均有可能造成远场2.4光束质量中心峰值偏移,峰值功率密度急剧下降,导致系统无法光束合成的目的除了获得高功率的激光输出之外，正常运行。而谱合成方案由于采用衍射光栅获得了一还期望能获得良好的光東质量。基于MOPA结构的相束激光,因此受激光器相位、振幅的影响很小,并且峰干合成方案由于光纤激光器单元在空间上是分离的,因值功率密度是和激光器单元数目N成正比,即使部分而不可能获得达到衍射极限的光束输出“"。该方案的激光器单元损坏，整个系统依然能够正常运行,只是峰输出光束与高斯光東大不相同,相当-部 分的能量集中值功率密度有所下降。在高频分量里(7-18]。另外,相位控制得不好13]、激光器2.6光束控制单元出光功率的不-致(包含部分激光器单元无法正常在光束控制方面,基于MOPA结构的相干合成方工作的情形)(10]均会对影响光束质量。案和谱合成方案均能使得光束控制摆脱传统的机电传谱合成方案通过设计合适的衍射光栅使得每一一个动方式,实现灵巧、轻便、快速的光束控制。相干合成光纤激光器单元的输出光束在空间上重合。对于线宽方案的光束控制类似于相控阵雷达,通过控制相控阵引起的光束扩散可以通过设计补偿光栅加以消除,而中的各激光器单元发射光束的相位,可以使得一-束或合适的光学设计可以使得光栅的衍射效率在95%以多束高强度光束指向按设计的程序实现随机的空域扫上。因此,如果激光器单元均输出基模光束,那么合成描。但是这种方法的有效扫描范围和分辨率均有后的光束质量将是相当好的。LOFTUS 等人”实现了限['9],仅能实现有限范围内的抖动式扫描。如果要实两根百瓦级光纤激光器的谱合成,合成后的光束质量现大角度的光束控制,还需要辅以其它方案。M2因子为1. 06 ,接近衍射极限。与相干合成相比,谱合成方案的分辨率要高得多。2.5系统稳定性AUCST等人2]通过转动谱合成系统中谐振腔的外腔高能激光系统在实际应用时往往会受到很多外界镜成功实现了光束控制。但是这种方法仅在一个方向因素的影响,如部分单元激光器损坏外界存在严重的上实用,实现二维平面内的光束控制还有一定的难度。干扰(如剧烈的震动、抖动)、激光器单元的输出光束2.7综合分析特性偏离期望值等,此时系统的稳定性决定了它的实综上所述,将基于MOPA结构的相干合成方案和用价值。相比之下,基于MOPA结构的相干合成方案谱合成方案比较的研究结果列于表2中。表2相干合成与谱合成的比较基于MOPA结构的相干合成方案谱合成方案基本要求.严格寬松关键技术MOPA结构中阵元的相位控制能够承受高功率的高分辨率衍射光栅可扩展性无限制0]仅能对有限个单元激光器输出光東进行合成国光柬质量不可能获得达到術射极限的光束输出共轴发射,光束质量好(M2 -1.06@ 258w/4)稳定性外界因素的影响有可能造成远场中心峰值偏移峰值功率密受单元激光器性能影响很小，即使部分激光器单元度急剧下降,导致系统无法正常运行损坏,系统依然能够正常运行光束控制在小角 度范園内快速、灵巧,但有效扫描范围和分辨率均有限- -定的难度最高输出功率目前最高输出功率为470w/7]1中国煤化工S门光束合成数量目前最多合成路数为4路[7)YHCNMHG路2)416敫光技术2008年8月[8] LOFTUS T H,LU A P, HOFFMAN P K.at al.258W of spetrally3小结beam combined power with neardiffraction limited beam quality [J].Proe SPIE ,2006 ,6102 :61020S-1 61020S-8.将单根光纤激光器的输出光束进行合成,目的在[9] BROWN A. Spectnally beam combined lasen for high-brightness , high于获得高功率、高光束质量的光束。基于MOPA结构power applicationa [ EB/0L]. [ 200704-01 ]. htp:// www. down-的相干合成和谱合成是两种良好的实现方案。从光纤breaker. com/ virtual2004.[10] FAN T Y, SANCHEZ A. Coherent ( phased aray) and wavelength激光器的基本要求、关键技术、可打展性、光束质量、系(spectral) beam combining compared [J]. Proe SPIE ,2005 ,5709:统稳定性和光束控制等6个方面对基于MOPA结构的157-164.相干合成方案和谱合成方案进行了比较分析。两种方[11] LOWENTHAL D. Spectral vs. coherent beam combining: how do theycompare? [ EB/OL]. [ 2007 04-01 ]. http://www. nasatech. com/案均有各自的优缺点,如基于MOPA结构的相干合成Briefs/ Jan06/5654.200. html.方案在理论上可以无限制扩展,获得高功率激光输出,[12] AUGST s J,FAN T Y,SANCHEZ A. Coherent beam combining and但合成光束数目的增多也会带来光束质量的下降;而phase noise measurements of yterbium fiber amplfiens [J]. OptLett ,2004 ,29(5) :474476.谱合成方案由于多路光柬同轴输出,保持了光纤激光[13] NABORS C D. Efeet of phase erors on coherent emiter arays [J].固有的单模特性,可获得高光束质量，但受限于衍射光Appl 0Ppt,1994 ,3(12) :284-2289.栅的性能,这种方案不可能无限制扩展,这也限制了谱[14] McMANAMON P F, WILIAM T E. New tchnologies and urchiee-tures for laser syteme--- -revolutionary beam control [J]. Proe合成方案的输出功率。对于不同的应用场合,还需要SPIE,2004 ,5413:1-14.在高功率和高光束质量中选择较好的平衡点。[15] McMANAMON P F. Agile nonmechanieal beam steeing [J]. Optics参考文献& Photonics News ,2006 ,17(3) :24-29.[16] RdSER F,KLNCEBIEL s,LeM A,a al. Spectrl beam combining[1] GALVANAUSKAS A. High power fiber lasers [J]. Optics & Photonicaof fiber lasers [J]. Proe SPIE ,2006 ,6102 :61020T-1 -61020T-6.News,2004,15(7) :4247.[17] SPRANCLE P,PENANO J,HAFIZI B,e al. Incoherent combining of[2] XIAO R,HOU J,JIANG Z F. Coherent combining of fiber lasers [J].high-power fiber lasers for long-ange directed enengy pplicaionLaser Technology ,2005 ,29(5) :516-520( in Chinese).[ EB/OL]. [200704-01 ]. htp://ww. sormmedia. u8/25/2542/[3] FAN T Y. Laser beam combining for high-power, high-radianceA25425. html.sources [J]. IEEE Joumal of Selected Topics in Quantum Electron-[18] SIEGMAN A E. How to( maybe) mesure laser beam quality [ EB/ice,2005,11(3) :567-S77.OL]. [20070401 ]. htp:///w. stanford. edu/ ~ siegman index.[4] HE B,LoU Q H,ZHOU J,er al. Coherent beam combination of fiberhtml.lasen [J]. Laser and Optoelectronices Progres, 2006 (9):47-54(in[19] POLISHUK A, ARNON s. Communicationmicosllites uaing an optical phased aray antenna [J]. Opt En-[5] WICKHAM M. Coherenuly coupled high power fiber araye [ EB/0L].gng,2003 ,42(7) :2015-2024.[2007-0401 ]. htp://www. stanford. edu/group/ SPRC/Report/An-[20] AUGSTS J,COYAL A K,AGGARWAL R L,et al. Wavelengh beamnMg. pdf.cormbining of yterbiumn fiber lasers [J]. Opt Lett ,2003 ,28(5) :331-[6] uu A P, MEAD R, VATTER T,a al. Spectral beam combining of333.high power fiber lasers [J]. Proe SPIE ,2004 ,5335 :81-88.[21] KUNCEBIEL s, RaSER F,BOULEND 0,ct al Spectnl beam com-[7] ANDEREGG J, BROSNAN S,CHEUNG E, e al. Coherendly coupledbining of Yb-doped fiber lasens with high eficiency [].JOS A,high power fiber arTays [J]. Proe SPIE, 2006, 6102: 61020U-1-2007 , B24(8) :1716-1720.61020U-5.(上接第401页)1461.[2] WALACE R J,BASS M.COPLEY s M. Curvature of laser-machined[7] TREYZ G V, BEACH R, 0SGOOD R M,Jr. Rapid direet writing ofgroove in SizN,[J].J A P,1986 ,59(15) :555-560.higheapect-rntio trenches in silion [J]. A P L, 1987 ,50(8):475-[3] OLSEN F 0. Cutting with polarived laser beams [J]. DVS-Berichte,[8] BONSE I, RUDOLPH P, KRUCERJ, e al. Fenmtoecond pule laser1980,63:197-200.processingof TIN on silicon [J]. Applied Surface Science, 2000[4] van HALEWUN H J The indutrial laser handbok [M]. New York:Springer Verlag, 1992: 108-112.(154) :6596636.[5] SCHREINER-MOHR U,DAUSINGER F, HO GEL H. New apects of[9] BONSE J,GEUSS M, BAUDACH S,et al. The precision of the femto-cutting wih CO2 lasers [ C]//ICALE0'91. San Joe: Laser Insitutesecond-pule laser ablation of TiN films on silion [J]. Appl Phys,of America,1991 :263-271.1999 , A69(7) :S399-S402.[6] NIZIEV V G ,NESTEROV A V. Inluence of beam polaization on le-GNER T. Snueturing slinser cuting efnciency [J]. Joumal of Physics, 1999,31 (13):1455-中国煤化工.274:8897.IYHCNMHG