摘 要:探讨了3种不同自成像腔,即Talbot腔、自傅里叶变换腔(SF)和傅里叶变换自成像腔实现相干组束的机理和技术难点。介绍了利用光纤激光器,采用傅里叶变换自成像方法,实现1维2路和2维4路激光相干组束的实验情况,功率分别达到122 W以及26 W。
光纤激光器可以获得功率更高、质量更好的光束,具有其它激光器不可比拟的优势。2005年,美国IPG公司全光纤激光器单模连续输出功率已经达到2 kW[1]。但是由于受到非线性、热效应等因素的影响,单根光纤激光器的输出功率也不能无限提高。解决该问题的一条重要途径就是将n束相同激光进行相干组束,可以得到输出激光的中心峰值强度是每束激光中心峰值强度的n2倍。
最近几年来,各国研究人员对光纤激光器的相干组束给予了极大的关注,提出了多种方案,并做了一些理论研究工作[2-5]。采用衍射耦合进行模式选择组束的外腔有3种:一是基于近场菲涅耳衍射的Talbot效应外腔和Lau效应外腔[6-7];二是基于远场夫琅和费衍射的自傅里叶变换腔(SF腔)[8];三是傅里叶变换自成像腔[9]。这3种相干组束方式都可以归为自成像相干组束,它们具有全光路、抗干扰性、被动锁相的特点。
本文主要介绍了3种不同自成像腔相干组束的实现原理及目前自成像腔相干组束技术的发展现状。采用傅里叶变换自成像方法,实现了1维2路和2维4路光纤激光器的相干组束。
1 Talbot和Lau效应相干组束
1.1 Talbot效应相干组束
一个周期性分布的波场在空间传播时,由于近场菲涅耳衍射和相互作用,在一定的距离上就会形成与原波场相近的光场分布,这就是Talbot效应[6]。激光列阵可以看作周期性平面物体,在受激辐射时,从列阵起经反射镜回到列阵面有可能产生自成像效应。各种自成像中,只有光强分布正确的自成像才能产生有效的激光振荡,这限制了腔内的超级模,因此腔中只存在同相模和反相模两种。
对于同相模,自成像条件为
式中:T为列阵单元的周期;λ为波长;P1和P2为正整数。由式(1)、式(2)可以看出,当P2是奇数时,2P1将是偶数,从而仅存在反相模式;当P2是偶数时,2P1也是偶数,从而同时存在同相模式和反相模式。
M.Wrage[10]等人在2001年采用环形分布的多芯光纤,利用Talbot腔实现了不同芯之间的相位锁定,得到波长为1 060 nm的稳定相干输出。通常参与合成的激光器阵列单元间的距离比较大,占空比一般为0.33~0.50,这样即使通过Talbot腔实现了锁相,它们合成所得的远场光斑也会有许多旁瓣,导致了主瓣功率的下降。
1.2 Lau效应相干组束
为了去除Talbot腔中旁瓣,提高主瓣的功率,可以在Talbot腔中插入一个相位补偿板,即Lau腔,利用Lau效应提高相干组束后的光束质量[7]。列阵至相位补偿板的距离满足部分自成像条件,振幅分布的列阵将转换成等幅的周期相位变化的场分布,通过共轭的相位板的校正,使列阵成为均匀相位的场分布(孔径装填)。校正后的列阵经反射镜返回相位板,由于部分自成像效应,周期相位变化场分布衍射至列阵面上,将产生正确的列阵自成像。这样就构成共振腔相干振荡的必要条件。相位板与反射镜的距离原则上可取任意值,但在足够大时能形成具有Lau效应的共振腔,即在非相干自发辐射时,列阵发光分布经反射镜返回后还能具有与出射阵列相似的光场分布图形。
文献[11]利用Lau效应腔对激光阵列进行相位锁定,获得了相干输出。结果表明,在Lau腔中,基模的衍射能量损耗要比其它高阶模式低许多,使得基模和高阶模之间有着明显的区分,完全有可能获得单-主瓣输出,即基模形式。
2 自傅里叶变换腔(SF腔)相干组束
虽然采用Talbot或Lau外腔可以实现相干组束,但是这种腔具有较大的边缘损耗,耦合效率低,且占空比较小,减小了主瓣能量的输出。在傅里叶理论中,有一类函数,其傅里叶变换与其自身构成恒等傅里叶变换对,称为自傅里叶函数(SFF)。如果能够构建一个腔,使得激光阵列在腔内往返一次刚好是一次傅里叶变换,并且返回来的波场分布与出射波场相同,从而实现激光阵列的相干组束。这样的腔就称之为自傅里叶变换腔。
基于这种思想,2002年,C.J.Corcoran[8]提出并研究了SF腔。光纤激光阵列间隔为b,单个激光束的束腰宽度为a,傅里叶透镜焦距为F。满足式(3)时才能够获得很高的效率和稳定的锁相输出,进而获得高功率的相干输出,即
理想的SF函数应由无穷多个基元高斯函数叠加而成,作为一个实际的有限基元阵列,要想实现有效的合成,阵列基元数N和参数a,b需要满足
2005年, C.J.Corcoran等人[12]实现了S-F腔对7个光纤激光器的相干组束,相干输出图样的可见度为0.87,相干度为0.73,总的输出功率为0.4 W。利用SF腔进行激光器阵列的相干合成,虽然系统体积小,但是带来了光纤之间、光纤与腔镜之间的对齐问题和制造加工难度,这比一般激光器的设计和制造所面临的问题要严峻得多。并且,为了获得更高功率输出时,必然要增加组束用的阵列个数;同时为了减少热效应,阵列之间间隔必须增加,相应的光纤阵列与腔镜之间的距离要加长,实现起来将会更加困难。
3 傅里叶变换自成像相干组束
为了在提高耦合效率同时减少器件加工难度,2004年,L.P.Liu等人[9]提出利用傅里叶变换自成像技术实现相干组束,并且在泵浦功率为7.5 W时,相干输出功率超过2.3 W[13]。
傅里叶变换自成像相干组束实验装置如图1所示。每路光经准直透镜后,置于傅里叶透镜的前焦面,输出镜则位于傅里叶透镜的后焦面上,在准直透镜(lens1和lens2)处的出射光场在空间传输后,经过傅里叶透镜,在傅里叶透镜后焦面形成的光场分布与出射光场正好是一个傅里叶变换。光场经过腔镜返回,经过傅里叶透镜,回到出射光场处的位置形成返回光场。返回光场与出射光场相比,经过两次傅里叶变换,形成了镜像关系。因此关于共振器光轴对称的光束截面通过高反馈效率的共振腔中经过一次往返时正好产生自己的像。当这两个相对传输的波发生耦合时,激光器阵列的振荡频率正好是在两个光纤激光器相一致频率的纵模频率。由于模式的竞争将会导致光束的不稳定性,我们在输出镜上放置一个空间滤波器,激光器就能在同相模式下稳定工作。该方法对光纤激光器的相位锁定是被动进行的,是利用激发频率适应光程长度变化的自调节过程来实现的。在这种方法中,可以有大量长度不同的光纤激光器进入一个共用的自成像共振腔中,利用一个进行模式选择的滤波器进行锁相。在每一个激光器中,它允许有多个纵模模式的存在,而不需要严格单纵模激光器。对于自调整过程,在具有宽增益带宽、光纤长度不等及低Q值3个特性的光纤激光器阵列,很容易在这种腔内实现锁模相干输出。
4 自成像相干组束研究进展
相干组束的目的是为了获得功率更高和质量更好的光束,因而在所有相干组束方案中,都要求激光阵列中的每路激光器不仅具有高的输出功率,也要具有好的光束质量。光纤激光器可以满足这些条件,纤芯直径小于10μm的单模双包层光纤激光器,光束质量因子M2为1.1~1.3,纤芯直径在20~40μm之间的大模场双包层光纤激光器,M2为1.5~3.0[14]。
基于傅里叶变换自成像腔的优点和光纤激光器的特点,我们利用傅里叶变换自成像相干组束方法进行了1维和2维的光纤激光器阵列的相干组束的实验。
1维相干组束实验方案如图2所示,光纤激光器在x轴方向关于光轴对称摆放,M1处放置两个焦距为6.3 mm、直径为4 mm的平-凸小透镜,用于准直输出;两光束的中心距离为4.3 mm,傅里叶透镜的焦距为500 mm;在傅里叶透镜的后焦面M2处放置反射率为30%的平板,用作输出镜;光纤激光器的工作介质为两根国产掺镱大芯双包层D型光纤,内包层的数值孔径为0.37,纤芯直径为16μm,纤芯的数值孔径为0.16,长度分别为13.6 m和16.2 m,光纤的输出端磨平具有4%菲涅耳反射率。
用一个CCD(型号COHU4810)和Spiricon Inc公司生产的LBA-PC300型激光波面分析仪(软件版本3·23)测量傅里叶变换透镜后焦面上的输出光束的截面图样。为了稳定相位,引入一根直径为20μm、熔点高(1 769℃)的细铂金线作为空间滤波器,铂金线的方向与y1轴平行。理想情况下,将该滤波器放在输出镜前面的预设同相模式第一强度极小处,能对异相模式产生高损失而对同相模式产生低损失。2006年我们采用这种方法,在泵浦功率为60 W时,获得输出功率为12.3 W、耦合效率达到88%的相干激光输出稳定,并且这种方案可以获得更高功率的相干输出[15]。通过对这种实验方案的改进和优化,已经实现了122 W的相干输出[16]。
Fig.3 Far field intensity distributions of 1×2 fiber laser arrays
图3 1维2路光纤激光器自成像腔输出光束截面光强分布图
图3所示为两束没有锁相(非相干输出)和锁相后(相干输出)所得到的光束截面图样。由图3可见:在锁相的情况下,呈现出高对比度的干涉条纹,同时主级的中心峰值光强较没锁相时高很多,光束质量有了很大改善。
在1维光纤激光器相干组束实验的基础上,我们发现只要激光器阵列摆放关于光轴对称,并成周期性排列时,就可以实现2维相干组束。2维相干组束实验装置如图4所示,利用掺铒光纤作为工作物质,具体参数是:内包层为矩形,尺寸为330μm×170μm,数值孔径为0.47,纤芯直径为9μm,数值孔径为0.1。利用两根相互垂直的铂金线作为空间滤波器,方向分别沿x1和y1方向。利用这种实验方案,实现了2维4路的相干输出,并且获得26 W的稳定输出。
图5是激光阵列近场光束截面强度图和远场相干组束后光束截面强度。从图5可以看到,利用2维傅里叶变换自成像腔,4路光纤激光器输出的光具有了相干性。图中光强对比度的降低主要是由于准直透镜的孔径衍射引起,旁瓣多主要是因为占空比较低引起。在2维相干组束实验中,对每路激光的模式要求更为严格,调整难度也变大,所以我们采用了单模的掺铒光纤。由于光纤的出射功率有限,所以未能得到比1维组束高的组束输出功率。
Fig.5 Intensity distributions of 2×2 fiber lasers arrays at near and far fields
图5 2维4路光纤激光器自成像腔输出光束截面光强分布图
5 结 论
本文介绍了3种不同自成像腔光纤激光器相干组束的方法。从本文的讨论可以看到,采用SF腔或傅里叶变换自成像腔可以实现高耦合、高功率的相干组束自成像腔,但是SF腔实现条件极为苛刻。采用傅里叶变换自成像方法,实现了光纤激光器的1维2路和2维4路的激光相干组束实验,相干激光输出功率分别达到了122 W和26 W。以后我们的研究重点是:一是通过改变激光阵列的占空比,提高主瓣的能量比例;二是尽可能提高单路光纤激光器的输出功率,一般合成的单元数越多,整个系统锁相运行时的损耗越高,合成的效率就会越低;三是对方案所用到的关键器件和技术进行深入研究,减小各单元对系统整体性能产生的木桶效应。
致 谢：感谢武汉烽火科技有限责任公司对双包层光纤的设计和拉制所提供的帮助。
参考文献:
[1] 伍波,刘永智.高功率光纤激光器相干合成研究[J].激光与光电子学进展, 2006,43(8):56-61.(Wu B, Liu Y Z.Coherent combination ofhigh power fiber laser beams.Laser & OptoelectroNIcs Progress, 2006,43(8):56-61)
[2] Kozlov V A, Henandez-Cordero J, Morse T F. All-fiber coherent beam combining of fiber lasers[J].Opt Lett,1999,24(24):1814-1816.
[3] Simpson T B, Gavrielides A, Peterson P. Extraction characteristics of a dual fiber compound cavity[J].Opt Express, 2002,10(20):1060-1073.
[4] Sabourdy D, Kermene V, Desfarges-Berthelemot A, et al. Efficient coherent combining of widely tunable fiber lasers[J].Opt Express,2003,11(2):87-89.
[5] Shirakawa A, Satioun T, Sekiguchi T, et al. Coherent addition of fiber lasers by use of a fiber coupler[J].Opt Express, 2002,10(21):1167-1172.
[6] 潘春洪,刘立人.自成像列阵共振腔的分析———ⅠTalbot共振腔[J].中国激光, 1991,18(11):819-822.(Pan C H, Liu L R. Resonantmodes in self-imaging cavities for phase-locking of laser arrays———ⅠTalbot cavity.Chinese Journal of Lasers, 1991,18(11):819-822)
[7] 潘春洪,刘立人.自成像列阵共振腔的模式分析———ⅡLau共振腔[J].中国激光, 1991,18(12):890-895.(Pan C H, Liu L R. Resonantmodes in self-imaging cavities for phase-locking of laser arrays———ⅡLau cavity.Chinese Journal of Lasers, 1991,18(12):890-895)
[8] Corcoran C J. ComPACt phase-locked fiber laser array[C]//5thAnnual Directed Energy Symposium. 2002.
[9] Liu L P, Zhou Y, Kong F T. Phase locking in a fiber laser array with varying path lengths[J].Appl Phys Lett, 2004,85(21):4837-4839.
[10] Wrage M, Glas P, Leitner M. Phase-locking and self-imaging properties of a Talbot resonator applied to circular structures[J].Opt Com-mun, 2001,191:149-159.
[11] Liu L R. Lau cavity and phase locking of laser arrays[J].Opt Lett, 1989,14(23):1312-1314.
[12] Corcoran C J, Durville F. Experimental demonstration of a phase-locked laser array using a self-Fourier cavity[J].Appl Phys Lett, 2005,86:201118.
[13] Peng Q, Zhou Y, Chen Y. Phase locking of fiber lasers by self-imaging resonator[J].Electronics Lett, 2005,41(4):171-172.
[14] Lou Q H, Zhou J, He B, et al. Fiber lasers and their coherent beam combination[J].Optics & Photonics News, 2008,19:47-51.
[15] 何兵,楼祺洪,周军,等.两根大芯双包层光纤激光器获得60 W相干输出[J].光学学报, 2006,26(8):1279-1280.(He B, Lou Q H, ZhouJ, et al. Coherent output power of 60 W from two large-core double-cladding fiber lasers.Acta Optica Sinica, 2006,26(8):1279-1280)
[16] He B, Lou Q H, Zhou J, et al. High power combination from two fiber lasers[J].Opt Express, 2006,14(7):2721-2726.
基金项目:国家高技术发展计划项目
作者简介:王 炜(1977—),男,博士,主要从事光纤激光器、光纤激光器相干组束的研究; ww71651@163.com。
