本发明专利技术公开了大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法。该方法具体为：首先激光器为多路单模子激光合束的结构，对每一路子光源进行放大，同时每一路中含有相位调制器件，能够实现锁相功能，实现稳定的光场输出。然后使用光纤合束器，将多路放大后的激光合束进一根传能光纤，利用传能光纤实现高功率的激光输出。其次在传能光纤输出端采用优化式自适应光学系统对出射多模激光进行净化。该方法采用新结构分步实现光纤激光器高功率和高亮度输出，有效解决了传统相干合成对子光束空间拼接的要求，系统不稳定性及多模光纤激光光束质量差等问题，能有效提高光纤激光器输出激光亮度，同时实现了全光纤结构，充分利用成熟的单模光纤激光器技术和光束净化技术，简化了高功率光纤激光器的系统结构，降低了系统成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光纤激光器
，特指ー种能实现全光纤结构光纤激光高亮度输出的新方法。本方法提出了大功率光纤激光相干合成的新结构，使用主动相位控制及自适应光学技术对大功率光纤激光进行光束控制，能实现全光纤结构的高亮度光纤激光输出。
技术介绍
光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，近年来发展迅速。与传统的固体和化学激光器相比，光纤激光器结构简单，具有易于制造和维护等优势，使其在远程焊接、三维切割等エ业领域得到了广泛的应用，并在国防军事领域也有着良好的应用潜力。虽然光纤激光器作为新一代高能激光光源已经得到广泛应用，但是受到掺杂光纤热损伤、非线性效应等物理机制的限制，单模光纤激光器的输出功率有限。根据理论分析，光纤的损伤阈值、各种非线性效应阈值均与光纤的模场面积成正比，而单模光纤纤芯直径小(一般单模光纤纤芯直径小于6um)，导致其损伤阈值和非线性效应阈值低，难以实现高功率输出。为实现更高的亮度输出，ー种重要的技术途径是采用激光器相干合成的方法。即激光器米用多模块结构，控制各单兀(孔径)激光器输出光束的相位达到锁相输出，实现光束的相干合成。一方面，在保持光束质量的同时提高了输出光束的功率，实现了亮度的提高；另ー方面，模块化的结构分散了热效应，有利于克服“热”造成的高能激光平均亮度下降。基于相干合成的高能激光系统同时解决了亮度和热管理两个难题，已经成为高能激光系统发展的重要方向。相干合成光纤激光阵列构成的高能激光系统与传统单孔径高能光纤激光系统相比，在系统成本、热管理以及光束控制等方面具备明显优势，近年来国际上掀起了光纤激光相干合成技术研究的热潮。传统的相干合成技术其子孔径采用空间拼接，因此最終的亮度受占空比等因素制约。特别是在高功率，多路数的条件下，如何有效提高子孔径间的占空比是传统的相干合成进ー步发展必须克服的问题。此外由于空间结构带来的光路调节困难直接影响相干合成的可扩展性及系统的稳定性。全光纤结构能有效解决空间结构引起的系统不稳定等问题，但全光纤结构一般用于非相干合成。目前，美国IPG光子技术公司采用全光纤结构实现了 50kW的多模激光输出，由于是非相干合成即仅仅是单纯的功率合成，不能提高输出激光的光束质量，且输出端采用多模光纤，因此该激光器光束质量较差。据报导其30kW连续波输出时，光束质量约为4臓.mmd，大于10倍衍射极限，50kff连续波输出时，光束质量大于20倍衍射极限；随着合成路数的增加，光束质量还将退化，不能实现高亮度输出。光束浄化被认为是ー种提高激光光束质量的有效手段已经广泛应用于固体/气体激光器领域。光束浄化的概念最早由美国休斯实验室的奥麦拉于1969年提出。该实验室将多元高频振动法即多抖动法用于激光发射并对此开展了近十年的研究。目前光束浄化主要有两种方案，ー种是基于波前传感的传统自适应光学方案即波前共轭式，ー种是基于优化算法的优化自适应光学方案即优化式。从控制方法的角度看波前共轭式，先用波前传感器測量波前畸变获得相位畸变分布，然后根据相位共轭原理通过控制波前变形元件产生共轭相位以补偿相位畸变；而优化式则是将存在波前畸变的光学系统作为一个待优化的控制系统，应用最优控制理论控制波前变形元件，使得反映系统性能的评价函数达到唯一极值，以达到消除系统波前畸变的目的。与波前共轭式相比，优化式技术结构紧凑，不需要复杂的波前探測和波前重构、计算量小，可以不受闪烁效应等畸变条件的限制，更适合应用于高功率激光条件下。特别是随着以随机并行梯度下降算法(stochastic parallel gradientdescent, SPGD)为代表的高速算法的出现，极大加快了系统的迭代速度，使得基于优化算法的自适应系统具有校正快速波前畸变的能力，拓展了应用范围。光束浄化只能作用于相干光源，对于功率合成即非相干合成，由于多路光束相位 的高速随机变化，无法进行光束净化控制，不能提高其激光亮度。我们发现，采用主动相位控制，能够实现主振荡器功率放大(Master Oscillator Power Amplifier, ΜΟΡΑ)结构合成的多模光纤输出光的相位锁定，得到稳定的高阶模输出。此时，输出激光具有相干性，因此可以用光束浄化系统对其进行控制，提高光束质量，实现高亮度的光纤激光输出。全光纤结构相干合成及将相干合成光束进行光束净化，在本专利技术之前从未有相关报道。
技术实现思路
为实现光纤激光器的高亮度输出，本专利技术提出了ー种新型全光纤结构的相干合成方法，采用主动相位控制及自适应光学技术实现光纤激光器的高亮度输出。本专利技术提出的包括激光器、全光纤光束合成器件、相位控制器及光束浄化装置四部分，激光器采用多路单模光纤激光器合束的方式，采用主振荡-功率放大(Master Oscillator Power-Amplifier,ΜΟΡΑ)方式，利用成熟的单模光纤激光器技术产生每一路子激光。然后使用全光纤光束合成器件光纤合束器，将各支路单模激光合并进ー根多模光纤，由于多模光纤具有较大的纤芯半径，因此能承受高功率的激光输出。由于最后的多模激光只是将各支路激光合并，所以可以合适选择多模光纤的长度并将其伸展固定，避免盘绕引起的弯曲损耗等问题。通过激光合束，将多路激光合束进单根多模光纤，有效解决了相干合成空间拼接占空比低这ー问题。同时使得激光实现全光纤结构，增强了系统的稳定性。相位控制器包括相位控制模块和性能评价模块，性能评价模块包括探测模块和控制模块，在激光器子光路中接入相位控制器，通过探测模块对输出光场取样，控制模块进行数据处理并产生控制信号加载在相位调制器上，实现对各路激光相位的锁定。通过相位控制器，能够实现稳定的光强输出，解决了合束器输出光场不稳定等问题。光束浄化装置采用优化式自适应光学系统。优化式自适应光学系统采用的优化算法为随即并行梯度下降算法、模拟退火算法或遗传算法的ー种。典型的优化式自适应光学系统包括性能评价模块和波前校正器，其中性能评价模块包括探测模块和控制模块，探測模块负责采样激光性能函数的采集，而控制模块主要负责信号的处理，运算并产生波前校正器的控制信号。波前校正器对出射的多模激光进行相位调制，实现光束浄化的目的。通过光束浄化，能够调高光束质量，解决多模光纤激光光束质量差等问题。本专利技术的大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制系统结构为激光器种子激光N路，每一路种子激光器1_ (i=l, 2，…N)含有相位调制器2-i (i=l, 2，…N)，并熔接光纤放大器3-i (i=l, 2，…Μ)，#路放大器的输出端与Nxl路合束器4的#个输入端ロ熔接在一起，合束器出ロ端连接有准直器5，准直器5后设有扩束镜6，扩束镜6后设有分束镜I 7，分束镜I 7将光分成2部分，一部分进入相位控制器8，另一束经波前校正器9反射后，再由分束镜II 10分成2部分，其中一束光作为激光器的输出激光，另一部分经缩束透镜11，进入性能评价模块12，性 能评价模块12与波前校正器9相连，相位控制器8与相位调制器相连。#路种子激光1- (i=l, 2，…Μ)经光纤激光放大器3- 进行功率放大后，由合束器4合并进单根多模光纤中并由准直器5出射。出射激光经扩束系统6扩束后被分束镜7分成2部分。一部分进入相位控制器8，相位本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法，包括激光器、全光纤光束合成器件、相位控制器及光束浄化装置，其特征在于，激光器采用多路单模光纤激光器合束，相位控制器包括相位控制模块和性能评价模块，其中性能评价模块包括探测系统和控制系统；光束浄化装置包括性能评价模块和波前校正器，其中性能评价模块包括探測系统和控制系统，该方法具体过程为利用单模光纤激光器产生每一路子激光，然后使用全光纤光束合成器件一光纤合束器，将各支路单模激光合并进ー根多模光纤，在激光器子光路中接入相位控制器和光束浄化装置，通过相位控制器，实现稳定的光强输出，通过光束净化装置，调高光束质量。2.根据权利要求I所述的大功率光纤激光全光纤结构相干合成及高亮度光束控制方法，其特征在干，该方法采用主振荡功率放大器结构，具体包括激光器种子激光N路，每一路种子激光器(Ι-iジ(i=l, 2，…N)含有相位调制器(2-i)(i=l, 2，…N)，并熔接光纤放大器(3-i) (i=l, 2，…Μ)，Λ/路放大器的输出端与tfxl路合束器(4)的#个输入端ロ熔接在一起，合束器出口端连接有准直器(5)，准直器(5)后设有扩束镜(6)，扩束镜(6)后设有分束镜I (7)，分束镜I (7)将光分成2部分，一部分进...
【专利技术属性】
技术研发人员：许晓军，赵海川，李杰，王晓林，周朴，马阎星，宁禹，陈子伦，粟荣涛，熊玉鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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