專利名稱：基于重疊體光柵的多路光纖激光相干組束裝置及相干組束方法
技術領域：
本發明涉及一種激光技術，具體涉及一種基于重疊體光柵的多路光纖激光 相干組束裝置及相干組束方法。
技術背景研制大功率、高光束質量、高效、緊湊的高能激光器系統，以滿足各種應 用特別是軍事上的需求，是世界各國長期探索研究的目標。光纖激光器具有高 效、緊湊、光束質量好、散熱特性好和輸出功率穩定性高等特點，且光纖的柔 韌性使其能夠通過彎曲而靈活地適應不同的安裝環境而不影響光束的輸出。因 此，光纖激光器的競爭力遠遠超過其它激光器，擁有巨大的市場，在工業、醫 療和軍事上具有廣闊的應用前景。在工業和醫療領域，光纖激光器可用于焊接 與切割、焊縫清理、激光雕刻、打孔、產品打標、激光檢測和測量、激光成像、 激光雷達系統以及激光醫療、醫療器械微加工等各個方面。在軍事上，高功率(100kW以上)的激光器可用于構建地基、空基、星基和艦載高能激光武器系統，實現對敵導彈、飛機、衛星等目標的有效打擊，對于防空、防天和光電對 抗等領域具有重要的戰略和戰術意義。近年來，隨著大模式面積雙包層光纖的 出現以及高功率半導體激光器抽運技術的發展，光纖激光器的輸出功率大幅提 高，單個光纖激光器的輸出功率己超過千瓦。然而，由于受到摻雜光纖的非線 性效應、光學損傷及熱損傷等物理機理的限制，上述單個光纖激光器的輸出功 率很難滿足高能激光器系統的大功率要求。要想大幅提高單個激光器的輸出功 率不僅相當困難，而且費用非常昂貴。同時，隨著輸出功率的提高，單個光纖 激光器存在光束質量變差等缺陷。 發明內容本發明的目的是提供一種結構簡單，使用方便，成本低，能大幅度提高激 光器的輸出功率和亮度的基于重疊體光柵的多路光纖激光相干組束裝置。 本發明的另一 目的是提供激光相干組束方法。為了克服現有技術的不足，本發明所要解決的技術方案是這樣實現的基 于重疊體光柵的多路光纖激光相干組束裝置，其該發明有突出的實質性特點和 顯著的進步在于一個光纖光柵連接一個光纖耦合器，其光纖耦合器的另一側分 別至少連接兩根摻雜雙包層光纖，每根摻雜雙包層光纖的一側均置有透鏡，每 個透鏡的一側置有二色鏡，二色鏡與反射鏡之間置有偏振控制器，反射鏡一側 置有重疊體光柵，重疊體光柵一側置有輸出耦合鏡，輸出耦合鏡輸出組束光。 所說重疊體光柵是指在光學介質的同一區域內通過全息方法記錄得到的具有 一定厚度的多個光柵。一種權利要求1所述的基于重疊體光柵的多路光纖激光相干組束裝置的相 干組束方法，其特征在于包括a、 一個光纖光柵構成多個光纖激光器諧振腔的一邊時，各激光的波長與 光纖光柵的工作波長相匹配時，各光纖激光器工作于同一波長；b、 一個光纖光柵和輸出耦合鏡構成光學諧振腔；c、 一個光纖光柵和輸出耦合鏡構成多路光纖激光的共用諧振腔，輸出耦 合鏡將組束功率的一部分能量反饋回各光纖激光器中，各光纖激光器的光學振 蕩互相牽制，從而使各光纖激光的相位互鎖；d、 一個重疊體光柵是一個組束器，同時還是一個分束器，它既可將多路 滿足Bragg條件的入射光纖激光按Bragg角沿同一方向衍射，同時，還可將輸出耦合鏡反射回來的光束衍射成多路子光束；e、 一個重疊體光柵的雙向復用，既可實現對多路光纖激光的組束，也可使輸出耦合鏡反射回來的激光衍射成多束反饋回各光纖激光器實現各光纖激
光器輸出光束的相位互鎖；f、 一個摻雜雙包層光纖中受激發射的激光通過光纖耦合器耦合進入光纖 光柵；g、 一個重疊體光柵是在光學介質的同一區域內通過全息方法記錄得到的 具有一定厚度的多個光柵，其光柵的數目與需要組束光纖激光的數目相等；h、 一個當光束^和^其中/ = 1，2,-^分別以體光柵^1和^確定的Bragg角",和^入射，它們的衍射光沿同一方向出射，體光柵的光柵矢量i^和《c,之 間有一夾角-,，該夾角由Bragg條件cosfe-〃)=《&/2*決定，其中/5是衍射光 與z軸正方向的夾角，即Bragg角，^^,=2 ，《是第/個光柵的光柵常數， A-2;^M是光束在光學介質中的傳輸常數，A是入射光的波長，n是光學介質的 平均折射率。本發明與現有技術相比，具有以下技術效果1、 通過共用一個光纖光柵可使各路光纖激光器工作在同一光學波長；2、 通過重疊體光柵，可使各路光纖激光實現近場和遠場相干疊加，達到 大幅提升光纖激光輸出功率和亮度的目的；3、 通過共用光纖光柵與輸出耦合鏡構成的諧振腔，無需復雜的位相檢測 與控制，可實現各路光纖激光的位相互鎖，實現共長干涉輸出的目的；4、 結構簡單，系統復雜性不隨被組束光纖激光數目的增加而增大。
圖1為本發明裝置結構原理示意圖； 圖2為圖1重疊體光柵組束原理圖；具體實施方式
附圖為本發明的實施例。下面結合附圖對本發明的內容作進一步說明圖1所示， 一種基于重疊體光柵的多路光纖激光相干組束裝置，其一個光
纖光柵1連接一個光纖耦合器2，其光纖耦合器2的另一側分別至少連接兩根 摻雜雙包層光纖3，每根摻雜雙包層光纖3的一側均置有透鏡4，每個透鏡4 的一側置有二色鏡5， 二色鏡5與反射鏡7之間置有偏振控制器6，反射鏡7 一側置有重疊體光柵8，重疊體光柵8—側置有輸出耦合鏡9，輸出耦合鏡9 輸出組束光IO，所述輸出耦合鏡是指反射率約為4%的透射/反射鏡，此外， 光纖耦合器、輸出耦合鏡、偏振控制器均有成熟的市售產品，是同領域的普通 技術人員熟知的產品。一種權利要求1所述的基于重疊體光柵的多路光纖激光相干組束裝置的相 干組束方法，包括a、 一個光纖光柵構成多個光纖激光器諧振腔的一邊時，各激光的波長與 光纖光柵的工作波長相匹配時，各光纖激光器工作于同一波長；b、 一個光纖光柵和輸出耦合鏡構成光學諧振腔；c、 一個光纖光柵和輸出耦合鏡構成多路光纖激光的共用諧振腔，輸出耦 合鏡將組束功率的一部分能量反饋回各光纖激光器中，各光纖激光器的光學振 蕩互相牽制，各光纖激光的相位互鎖；d、 一個重疊體光柵是一個組束器，同時還是一個分束器，它既可將多路 滿足Bragg條件的入射光纖激光按Bragg角沿同一方向衍射；同時，還可將輸出耦合鏡反射回來的光束衍射成多路子光束；e、 一個重疊體光柵的雙向復用，既可實現對多路光纖激光的組束，也可使輸出耦合鏡反射回來的激光衍射成多束反饋回各光纖激光器實現各光纖激 光器輸出光束的相位互鎖； *f、 一個摻雜雙包層光纖中受激發射的激光通過光纖耦合器耦合進入光纖 光柵；g、 一個重疊體光柵是在光學介質的同一區域內通過全息方法記錄得到的 具有一定厚度的多個光柵，其光柵的數目與需要組束光纖激光的數目相等；
h、 一個當光束^和^其中!、l,2，…，iV分別以體光柵i^和^確定的Bragg 角^和A入射，它們的衍射光沿同一方向出射，體光柵的光柵矢量/^和《。之 間有一夾角-,,該夾角由Bragg條件cos(^-") = ^/2*決定，其中々是衍射光 與z軸正方向的夾角，即Bragg角，KCi=2 ，《是第i個光柵的光柵常數， * = 2朋/;1是光束在光學介質中的傳輸常數，義是入射光的波長，n是光學介質的 平均折射率。如圖1所示，為了使各光纖激光器都工作在同一波長，方案中采用了 1 x N光纖耦合器和一個光纖光柵。各摻雜雙包層光纖中受激發射的激光通過光纖 耦合器耦合進入光纖光柵，由于光纖光柵具有較窄的波長選擇性，只有當激光 波長與光纖光柵的工作波長相匹配時，才能形成有效的光束反饋，從而迫使各 光纖激光器以相同的波長工作。通過重疊體光柵使各路激光實現相干疊加重疊體光柵就是在光學介質的同一區域內通過全息方法記錄得到的具有 一定厚度的多個光柵，體光柵的數目與需要組束光纖激光的數目相等。由于體 光柵具有較窄的頻譜選擇性，特定波長的光束只有完全滿足或接近Bragg角(該 角度由體光柵決定)入射時才具有高的衍射效率，而當入射光束不滿足Bragg 條件時其衍射效率很低或接近于0。為了引入光學反饋，在重疊體光柵之后加入了一個輸出耦合鏡，由該輸出 耦合鏡與光纖光柵共同構成一個光學諧振腔。輸出耦合鏡可將組束光功率的一 小部分反射進入重疊體光柵。由于一個好的組束器同時也是一個好的分束器， 因此通過重疊體光柵雙向復用可使輸出耦合鏡反射進入重疊體光柵的光束被 各個體光柵分別按各自的Bragg角衍射，形成多束衍射光。這些衍射光又分別耦合進入各個光纖激光器中形成光學反饋，這樣不同光纖激光器的能量都有一 部分進入到其它光纖激光器中，從而使各光纖激光器的光振蕩互相牽制，達到 相位互鎖的目的。
圖2所示，光束k1和ki (/"，2,…，AO分別以體光柵&,和&,確定的Bragg 角",和A入射，為了使它們的衍射光沿同一方向出射(即實現組束)，體光柵 設計成使光柵矢量i^和/^之間有一特定的夾角A，該夾角由Bragg條件 cos(-,/2/t決定，其中/ 是衍射光與z軸正方向的夾角，即Bragg角， /^,=2 ，《是第/個光柵的光柵常數，it-2^/;i是光束在光學介質中的傳輸 常數，A是入射光的波長，《是光學介質的平均折射率。由于各摻雜光纖輸出 激光的偏振方向可能會產生隨機的變化，因此在圖1所示的光路中加入了偏振 控制器，使各路激光在入射重疊體光柵之前保持其偏振方向相同以滿足光束相 干條件(即同頻率、同偏振、位相差恒定)。光纖光柵與輸出耦合鏡構成諧振腔，實現各路光纖激光的位相互鎖綜上所述，本發明首先通過共用同一個光纖光柵迫使各光纖激光器工作在 同一波長，然后通過輸出耦合鏡與光纖光柵構成的諧振腔，可使各光束的位相 鎖定，最后通過重疊體光柵，可使各光束在近場和遠場都實現相干疊加，達到 大幅提升光纖激光輸出功率和亮度的目的。該方案無需對各光束進行復雜的位 相檢測與控制，可實現多路光纖激光的相干組束，可廣泛應用于需要大功率光 纖激光作為光源的領域，對設計獲取大功率、高光束質量、高效、緊湊的高能 激光器系統具有重要意義。 實施例12路光纖激光相干組束實施例光纖光柵的諧振波長為1550mn，其反射率約為95%;采用分光比為50:50 的lx2光纖耦合器；摻雜光纖為鉺鐿共摻大模式面積雙包層光纖，長度均分別 約為lm;透鏡焦距均約為1.5cm;泵浦源均工作在980nm波長附近，每個泵浦 源的最大輸出功率約為20W;兩根摻雜光纖的在泵浦光激勵下輸出激光功率分 別為5. 6W和6. 2W;由于光纖光柵的頻譜選擇性，兩根摻雜光纖輸出激光的波 長均為1550nm; 二色鏡對980nm光波的反射率約為100%，對1550nm光波的透 射率約為100%;調整偏振控制器分別使2路摻雜光纖的輸出激光的偏振方向相同(垂直于紙面)；兩個反射鏡對1550nm光波以45°角入射時的反射率約為98%; 兩個體光柵重疊在重鉻酸鹽晶體的同一區域內，體光柵l的矢量與晶體表面平 行，與體光柵2的矢量的夾角約為3.6、調整反射鏡，分別使2路摻雜光纖的 輸出激光以角度& = 11. 9271°和a2=8. 3271°對應入射體光柵1和體光柵2，相 干組束激光的輸出角|3=11.9271°，組束功率約為10.2W，組束效率為86%;輸 出耦合鏡對1550nm光波的反射率約為4%，其將組束功率的一部分反射進入重 疊體光柵衍射成2束光，這兩束光沿原路相反的方向分別進入2路摻雜光纖中 形成光學反饋，從而使2路摻雜光纖的振蕩互相牽制，實現相位互鎖。對多路光纖激光的組束只需要改變光纖耦合器、摻雜光纖、泵浦光源、透 鏡和反射鏡的數目，同時體光柵的數目也需要與需要組束激光的數目一致。 實施例2如實現4路激光組束，只需要采用lx4光纖耦合器，4根長度基本相同的 摻雜光纖，4個相應波長的泵浦源(若是鉺鐿共摻光纖，泵浦源波長應在980mn 附近)，4個透鏡，4個二色鏡和4個反射鏡，同時在光學介質中應事先記錄4 個體光柵，光柵矢量間的夾角由Bragg條件確定，這樣即可實現4路光纖激光 的相干組束。
權利要求
1、一種基于重疊體光柵的多路光纖激光相干組束裝置，其特征在于一個光纖光柵(1)連接一個光纖耦合器(2)，其光纖耦合器(2)的另一側分別至少連接兩根摻雜雙包層光纖(3)，每根摻雜雙包層光纖(3)的一側均置有透鏡(4)，每個透鏡(4)的一側置有二色鏡(5)，二色鏡(5)與反射鏡(7)之間置有偏振控制器(6)，反射鏡(7)一側置有重疊體光柵(8)，重疊體光柵(8)一側置有輸出耦合鏡(9)。
2、 一種權利要求1所述的基于重疊體光柵的多路光纖激光相干組束裝置 的相干組束方法，其特征在于包括a、 一個光纖光柵構成多個光纖激光器諧振腔的一邊時，各激光的波長與 光纖光柵的工作波長相匹配時，各光纖激光器工作于同一波長；b、 一個光纖光柵和輸出耦合鏡構成光學諧振腔；c、 一個光纖光柵和輸出耦合鏡構成多路光纖激光的共用諧振腔，輸出耦 合鏡將組束功率的一部分能量反饋回各光纖激光器中，各光纖激光器的光學振 蕩互相牽制，各光纖激光的相位互鎖；d、 一個重疊體光柵是一個組束器，同時還是一個分束器，它既可將多路 滿足Bragg條件的入射光纖激光按Bragg角沿同一方向衍射；同時，還可將輸 出耦合鏡反射回來的光束衍射成多路子光束；e、 一個重疊體光柵的雙向復用，既可實現對多路光纖激光的組束，也可 使輸出耦合鏡反射回來的激光衍射成多束反饋回各光纖激光器實現各光纖激 光器輸出光束的相位互鎖；f、 一個慘雜雙包層光纖中受激發射的激光通過光纖耦合器耦合進入光纖 尤微；g、 一個重疊體光柵是在光學介質的同一區域內通過全息方法記錄得到的 具有一定厚度的多個光柵，其光柵的數目與需要組束光纖激光的數目相等； h、 一個當光束&和&其中"l,2，…，iV分別以體光柵^^和^確定的Bragg 角^和a,.入射，它們的衍射光沿同一方向出射，體光柵的光柵矢量/^和A:。,之 間有一夾角A,該夾角由Bragg條件cos(A-yff)-^c,/2^:決定，其中々是衍射光 與-軸正方向的夾角，即Bragg角，《ffi=2 ， ^是第/個光柵的光柵常數， A-2朋M是光束在光學介質中的傳輸常數，義是入射光的波長，n是光學介質的 平均折射率。
全文摘要
本發明公開了一種基于重疊體光柵的多路光纖激光相干組束裝置及相干組束方法。裝置包括光纖光柵一側依次分別連接光纖耦合器、摻雜雙包層光纖、透鏡、二色鏡、反射鏡、偏振控制器、反射鏡、重疊體光柵、輸出耦合鏡。該方法可實現多路光纖激光相干組束，且無需對各光束進行復雜位相檢測與控制。通過共用輸出耦合鏡與光纖光柵構成的諧振腔，各光束的位相實現互鎖。通過重疊體光柵，各光束在近場和遠場都實現相干疊加，達到大幅提升光纖激光輸出功率和亮度的目的。結構簡單，系統復雜性不隨被組束光纖激光數目的增加而增大。可廣泛應用于需要大功率光纖激光作為光源的領域，可獲取大功率、高光束質量、緊湊的高能激光器系統。
文檔編號H01S3/23GK101159365SQ200710018748
公開日2008年4月9日 申請日期2007年9月27日 優先權日2007年9月27日
發明者占生寶, 吳卓亮, 方紹強, 李勇軍, 楚興春, 磊 石, 杰 胥, 趙尚弘 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學