[发明专利]基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤激光被动相干合束系统，特别是一种基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统。

背景技术

随着激光应用技术的发展，空间通信、激光武器、材料加工、遥感和激光雷达等领域对高功率、高光束质量的激光提出了迫切需求。光纤激光器具有结构紧凑、热管理方便、光束质量好和转换效率高等特点，在高功率激光领域得到了广泛应用。然而，由于热效应、非线性效应和端面损伤阈值的限制，单根光纤激光器的输出功率存在理论极限。因此，将多个光纤激光器组成阵列合成为单光束输出可以有效解决单纤激光器存在的问题，在提高亮度的前提下大大提高输出功率水平。全光反馈被动相干合束技术是上述方法中的一种，即通过光反馈耦合技术，自动选择回路内损耗最低的纵模以实现各路激光同相位锁定输出，此种方法无需单频种子源和复杂的电子学器件，非线性效应阈值高，结构简单，响应速度快，是近期研究的热点。

现有的光纤激光全光反馈被动相干合束系统的结构如附图2所示，由N路光纤放大器组成的阵列201，包含光束准直器组和激光高反镜片组的光束拼接系统202，第一片平面分束镜203，光功率计204，傅里叶透镜205，第二片平面分束镜206，反馈光纤207，CCD相机208，光纤预放大器209，光纤耦合器210，半导体激光二极管211和1×N光纤分束器212组成。各路放大器的输出光经过准直器准直，再经光束拼接系统拼接成二维矩阵形式，大部分功率被第一片平面分束镜反射到光功率计上进行功率探测，少量能量由傅里叶透镜投射到反馈光纤前端面和CCD相机。第二片平面分束镜将主要能量反射至反馈光纤，少量能量投射至CCD相机进行光束质量检测。反馈光纤前端面与CCD相机均位于傅里叶透镜焦平面上。反馈光纤采集的反馈光经过光纤预放大器放大，由1×N光纤分束器注入各路放大器中完成一次循环。多次循环后，各路放大器实现相位锁定，在CCD上可以观察到相干条纹。半导体激光二极管用来为放大器提供种子光。

但是，上述现有的全光反馈被动合束装置存在一个缺陷，即各路激光放大器实现相位匹配后，根据夫琅禾费衍射规律，远场相干条纹出现多级旁瓣，即使各路子光束为理想高斯光斑且相位精确一致，旁瓣也占用了大量能量，远场中心光斑能量的理论极限仅为总能量的83.8%，实际实验中往往不到50%，而中心光斑恰恰是实际使用的部分。在基于达曼光栅的相干激光阵列合束技术中，采用达曼光栅对远场光斑进行孔径填装可将旁瓣能量转移到主瓣中，提高输出光束的光束质量和中心光斑亮度。基于达曼光栅的相干激光阵列合束技术可以有效的将锁相相干的激光阵列进行合束，对合束光束进行孔径填装，从而提高系统的合束效率和输出光束质量。达曼光栅体积小，复制容易，造价低，又具有较高的衍射效率和宽泛的设计自由度，并且具有可阵列化、可集成化和任意波面变换等传统光学元件难以胜任的功能，应用在全光反馈被动合束系统中具有非常大的优势。

发明内容

本发明是针对现有的全光反馈被动相干合束装置中远场相干条纹中央主瓣能量的理论值不超过总能量的83.8%，实际值只有不到50%，远场相干光束质量差的问题，提出一种基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统，该系统能最大限度的减少旁瓣，输出近衍射极限光束。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统，其构成包括N路光纤放大器阵列、包含光束准直器组和激光高反镜片组的光束拼接系统、第一片平面分束镜、第二片平面分束镜、反馈光纤、CCD相机、光纤预放大器、光纤耦合器、半导体激光二极管和1×N光纤分束器，其特征是还有相位补偿板、傅里叶透镜、达曼光栅和可调孔径光阑，上述元部件的位置关系如下：所述的1×N光纤分束器、N路光纤放大器阵列、包含光束准直器组和激光高反镜片组的光束拼接系统、相位补偿板、傅里叶透镜、达曼光栅、可调孔径光阑、第一片平面分束镜、第二片平面分束镜和CCD相机依次串连接，在第二片平面分束镜的反射光方向依次是所述的反馈光纤及其串联的光纤预放大器、光纤耦合器和1×N光纤分束器，所述的半导体激光二极管的输出端与所述的光纤耦合器的输入端相连；所述的反馈光纤为纤芯6μm，内包层125μm的双包层单模无源光纤，所述的相位补偿板和达曼光栅分别放置在所述的傅里叶透镜的前焦面和后焦面上，所述的第一片平面分束镜和第二片平面分束镜与光轴夹角45°放置，所述的达曼光栅为二维石英基底（0，π）二值相位光栅，所述的相位补偿板为具有对应的达曼光栅的傅里叶谱相位分布的石英板，达曼光栅和相位补偿板表面镀有增透膜。