大功率平行光纤阵列制造技术

本发明专利技术披露了用于放大高峰值功率脉冲的大功率平行光纤阵列。可以实施基于各单独光纤放大器的光纤阵列以及基于多芯光纤的光纤阵列。利用各种相位检测和补偿技术来测量和控制光纤阵列的各光纤放大器元件之间的光学相位。大功率光纤阵列放大器可用于ＥＵＶ和Ｘ－射线生成以及参数放大器的泵浦。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及超高峰值功率光纤激光系统。光纤放大器中的高效率放大一般需要伸长的放大器光纤长度，这导致在高功率电 平下使光纤大量受到非线性自聚焦。事实上，已经证实由于自聚焦，光纤放大器中的可获得 峰值功率受限于约5MW。为了克服光纤的一般非线性限制，已经提出了多芯光纤设计(D. Scrifres，美国专 利5，566，196，Cheo等人，美国专利7，107，795)。多芯光纤设计在大纤芯面积上分布信号 强度，并因此减轻任何非线性效应。为了获得近衍射极限的输出光束，还提出了可以在各纤 芯之间实现被动锁定(Scrifres ‘196和Cheo美国专利6，031，850以及许多其它的文献)。 所述被动锁相方案能够以多种方式实现，例如通过在限制的光腔内设定多芯光纤激光。衍 射效应随后可用于使锁相腔超模对其它腔超模的损耗最小化(例如，EWrage等人，Opt. Lett·，26，980 (2001) ；L Michaille 等人，’Phase locking and supermode selection in multicore photonic crystal fiber lasers with a large doped area',Opt. Lett. ,vol 30，pp. 1668(2005))。被动锁相还被采用光纤阵列进行说明，例如Shakir等人的美国专利 7，130，133和Ionov等人的美国专利6，882，781。这些方法通常是基于一些类型的模式选 择，所述模式选择导致与其它所有模式相比某些超模具有优选的振荡。通常，这些被动相干 耦合技术是基于cw(连续波)激光信号的。此外，被动锁相方法难于实施并且具有有限的 可扩展性。在Verdiell等人的US 5，121，400中，还提出基于利用光折变材料的非线性组 束的被动锁相。不过，光折变材料具有明显的功率限制并因此不能用于大功率应用中。作为对所述被动相耦合技术的替代，还提出了相位共轭镜，以便从光纤耦合器和 多模光纤的复杂结构中获得近衍射极限的模式(Betin等人的美国专利6，480，327)。不过， 迄今为止尚未设计出利用相位共轭构造出大功率光纤激光器的可靠方法。作为对多芯光纤或光纤阵列的被动锁相的替代，业已考虑使用光纤激光器的非相 干和相干叠加，以便克服单芯光纤的非线性限制。非线性叠加通常通过波分复用方法利用 光纤激光器的线性阵列来实施，其中每个光纤激光器被设计成在不同的波长工作，以便通 过波长选择性光学元件实现波长组合(参见例如，T. Y. Fan，“Laser Beam Combining for High-Power High-Radiance Sources，，，IEEE J. Sel. Top. in Quantum Electronic, vol. 11, PP. 567(2005)。该技术的一个限制是它通常受限于非常小的信号带宽并因此优选通过单频 光纤激光器进行实施。在相干叠加中，通常平铺和连续孔(径)方法是突出的，这也披露 于 Fan 的(T. Y. Fan,Laser Beam Combining for High-Power High-Radiance Sources，，，IEEE J. Sel. Top in Quantum Electronic, vol. 11, pp. 567(2005))中。多个单独光纤的相干叠加在技术上有提及并且非常昂贵，对于实际的商业应用潜 力有限。所述光纤阵列(通常被称为光纤相控阵列(FPA))的相干叠加已由若干组说明 (E. Bott等人的美国专利5，694，408 ；Rice等人的美国专利5，946，130)；Brosnan等人的美国专利6，366，356 Johnson等人的美国专利6，233，085 ； M. Minden的美国专利6，400，871 ；Rice等人的美国专利6，597，836 ；Rice等人的美国专利 6，678，288 ；M. Wickham 等人的美国专利 6，708，003 ；R. Rice 等人的美国专利 6, 813, 069 ； R. Rice等人的美国专利7，065，110 ；T. Shay等人的美国专利7，187，492 ；Rothenberg等人 的美国专禾U 7, 120，175 ；Rice 等人的美国专利 7，221，499 和 S. August, ‘Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbium fiber amplifiers', Opt. Lett. ,vol. 29, pp. 474 (2004)。所有这些系统基于平铺孔(径)方法并且大量借鉴了为天文 学所开发的相位控制技术，即J. W. Hardy等人的“Real-time atmospheric compensation”， J. Opt. Soc. Am. ， vol. 67，pp. 360 (1977)禾口 Τ· R. 0’ Meara 的The multidither principle in adaptive optics”，J. Opt. Soc. Am.，vol. 67，pp. 360 (1977)。在天文学应用中，光学成 像系统的大气相(位波)前扰动通过将大波阵面(相前，phase front)分成若干个独立的 部分并利用自适应镜和外差式相位检测以稳定每个单独部分中的波阵面来进行补偿。通过 商用自适应镜，可以对带宽达到KHz量级的大气起伏补偿相前扰动。不过，多颤振式相位控 制技术有助于平铺孔(径)相干叠加，迄今为止上述文献中没有涉及连续孔(径)FPA。连续孔(径)结构中的相干叠加已披露于Fan的(T. Y. Fan, Laser Beam Combining for High-Power High-Radiance Sources，，，IEEE J. Sel. Top. in Quantum Electronics, vol. 11, pp. 567(2005))并随后也披露于Rice等人的美国专利申请 11/361,352中。不过，’352的系统描述了 cw(连续波)放大器的相干叠加并依靠具有较大 反馈环路带宽的外差式相位检测技术。事实上，将天文学已知的相(位波)前校正技术用到FPA的相位控制迄今为 止是不可能的，这是因为在通常的光纤放大器中观察到非常大带宽的相位起伏，在频率 高达IO-IOOkHz时可以产生显而易见的相位起伏(参见例如S.Augst，‘Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbium fiber amplifiers', Opt. Lett.，vol. 29，pp. 474(2004))。因此，FPA中的相位控制一般通过具有MHz级反馈环路带 宽的外差式相位检测技术的锁相环路实现，这导致需要昂贵的声光调频器，所述调频器需 要整合入每个独立的细光束以确保适当的相位控制。此外，大部分演示的FPA的相干叠加具有用窄带宽cw(连续波)激光源注入的 cw(连续波)光纤放大器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高峰值功率光纤放大器系统，包括：光纤放大器的阵列，所述放大器被设置成使得所述放大器的热起伏充分匹配以便将放大器输出处的相对相位起伏限制在小于１０ＫＨｚ，所述放大器还被设置成彼此间隔一距离以便任何放大器之间的光能耦合是可以忽略的；激光源，所述激光源用于向所述放大器的阵列注入种子并产生脉宽在飞秒至约１微秒的范围内的脉冲；光束分配器，所述光束分配器设置在所述激光源和所述阵列之间，以便将来自所述激光源的脉冲分成入射到相应的阵列放大器上的多个光束路径，所述光束的空间分配基本上类似于所述脉冲源的空间分配；至少一个泵浦源，所述泵浦源被设置用于光学泵浦所述光纤放大器阵列；多个相位控制元件，所述多个相位控制元件按空间关系设置并且光学连接至所述阵列的光纤放大器，所述元件改变至少一个光纤放大器输出的光学相位来响应相位控制信号；和相位控制装置，所述相位控制装置用于产生所述控制信号以控制大多数所述光纤放大器的输出处的光学相位，其中所述控制信号和相位控制元件稳定大多数所述各光纤放大器之间的光学输出相位。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2008-2-7 61/026,952一种高峰值功率光纤放大器系统，包括光纤放大器的阵列，所述放大器被设置成使得所述放大器的热起伏充分匹配以便将放大器输出处的相对相位起伏限制在小于10KHz，所述放大器还被设置成彼此间隔一距离以便任何放大器之间的光能耦合是可以忽略的；激光源，所述激光源用于向所述放大器的阵列注入种子并产生脉宽在飞秒至约1微秒的范围内的脉冲；光束分配器，所述光束分配器设置在所述激光源和所述阵列之间，以便将来自所述激光源的脉冲分成入射到相应的阵列放大器上的多个光束路径，所述光束的空间分配基本上类似于所述脉冲源的空间分配；至少一个泵浦源，所述泵浦源被设置用于光学泵浦所述光纤放大器阵列；多个相位控制元件，所述多个相位控制元件按空间关系设置并且光学连接至所述阵列的光纤放大器，所述元件改变至少一个光纤放大器输出的光学相位来响应相位控制信号；和相位控制装置，所述相位控制装置用于产生所述控制信号以控制大多数所述光纤放大器的输出处的光学相位，其中所述控制信号和相位控制元件稳定大多数所述各光纤放大器之间的光学输出相位。2.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，所述系统包括插入在所述放大器阵 列的输出的下游的相位板，以便使所述光纤放大器阵列的输出的斯特列尔比最大化。3.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中所述光纤阵列的放大器之间的 能量耦合小于约1%。4.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中所述相对起伏小于约lKHz。5.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中所述相位控制装置包括检测器 阵列和用于处理从所述检测器获得的相位信息的自适应算法。6.根据权利要求5所述的高峰值功率放大器系统，其中所述自适应算法包括遗传算法。7.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中所述激光源包括锁模激光器。8.根据权利要求7所述的高峰值功率放大器系统，其中所述激光源包括脉冲展宽器， 所述脉冲展宽器用于增大从所述锁模激光器发射的脉冲的脉宽。9.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中所述激光源包括半导体激光二 极管，并且所述脉宽在约1皮秒至约1微秒的范围内。10.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中所述光纤阵列包括多芯光纤。11.根据权利要求10所述的高峰值功率放大器系统，其中所述多芯光纤包括泄漏通道 光纤。12.根据权利要求11所述的高峰值功率放大器系统，其中所述泄漏通道光纤是保偏光纤。13.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，所述系统包括信号参考臂和相位 补偿器，所述参考臂被设置成干涉反向通过所述光纤阵列的光束的一部分，以便通过所述 相位补偿器对正向通过所述光纤阵列的光束提供每个单独光纤放大器的光学相位的补偿。14.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中所述相位补偿器包括空间光2调制器。15.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中光纤阵列元件之间的能量耦 合小于约0. 1%。16.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中所述光纤放大器被设置在用 于EUV或X-射线生成的系统中。17.根据权利要求16所述的高峰值功率放大器系统，其中所述EUV或X-射线系统被用 作光学制版中的光源。18.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中所述光纤放大器阵列被设置 成用于参数放大的泵浦源。19.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，所述系统包括多芯光纤放大器，所 述多芯光纤放大器包括由阶跃折射率光纤，光子晶体光纤或布拉格光纤构成的各光纤。20.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，还包括用于放大器阵列的侧面泵 浦元件。21.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中所述放大器被构造成双程结构。22.根据权利要求1所述的高峰值功率放大器系统，其中相位控制元件包括分节镜阵 列的一部分。23.一种根据权利要求1所述的放大器结构，其中相位控制元件包括MEMs阵列的一部分。24.一种高峰值功率光纤放大器系统，包括光纤放大器的阵列，所述放大器的纤芯的空间间隔足够小到能提供将阵列的输出相位 起伏限制在小于约lOKhz的强热耦合，但是足够大到能将阵列的放大器之间的光学模式耦 合限制在约0. 或更小；多个相位控制元件，所述多个相位控制元件按空间关系设置并且光学连接至所述阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：ME费尔曼，I哈特尔，A马辛科维奇欧斯，董梁，
申请(专利权)人：IMRA美国公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]