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基于衍射光学的用于定向能的相干合成光纤激光器

光纤激光器相干阵列可以升级到光束质量几乎完美、封装坚固紧凑的武器级功率(100kW)。

定向能量(DE)激光武器成为科幻小说的主题已经很久了。尽管人们在化学、自由电子、和固态技术方面进行了数十年的研究,它能否实现仍然难以确定。最近的光纤激光器技术的发展正在改变这种状态。通过避免使用对对称敏感的光学系统工程师可以将光纤激光器装配得非常可靠,以至可以在严酷的军事环境中可靠使用,包括极端的温度、冲击和振动。这种激光的光电效率可以超过40%由于波导的性质,他们自然发射出光束质量接近衍射极限的光束。但是,最先进的单模光纤激光的功率由于热和非线性效应被限制在大约10kW,这个数量级低于大多数定性能量应用所需的功率。

这些功率的限制可以通过多个并行光纤激光器捆绑在一起使用来解决。美国海军正在研究一种基于多芯包的激光武器原型。但是,简单地捆绑在一起的多个光纤只产生光束质量差的复合光束。这样的一个系统,激光能量在激光传播到一个遥远的目标时会迅速的扩散,因此限制了系统的有效范围。另一种方法使用光谱组,每个光纤在一个稍微不同的波长操作,然后通过色散光学合并输出。虽然产生的光束可以接近衍射极限,功率比例仍然受制于可用的源光谱亮度和激光增益带宽。为了避免这些问题,我们开发了用于相干光束结合(CBC)的扩展方法。通过图1可以看出,CBC使总输出功率增加,同时保留了光纤激光器标志的原始光束质量。

图1 两束光的相干光束组合,使用50%的反射分束器。所有的输入功率可以定向到两个输出端口,通过锁定光束的相位,它们能够产品积极的干涉,从而使输出光束的功率和亮度加倍。

在相干组束中,如果两个相互连贯的激光通过激光分束器以相等的功率入射,只要它们的相位被锁定,两束光可以组合到一个输出端口。合成的光束拥有和单个入射光束一样的光束质量,但功率和亮度是原来的两倍。通过并联多个1x2分束器的叠加,或者使用多分束的分束器,这个方法可以推广到两个以上的激光束叠加。除了展示光纤相干束组的基本原则和可扩展性,我们的目标是,通过为光纤相干束组开发一个稳健、价格实惠而且紧凑的设计,从而将技术从实验室带入实际应用中。

在我们的体系结构中(如图2),一个主振荡器被分割进入N条光纤通道。每一个都包含对于相位、偏振以及光程的通讯制动器。后面接千瓦级别光纤放大器。在这些狭窄的纤维芯里严格约束的光在可化合的光纤功率上被强制非线性限制。这些非线性中受激布里渊散射(SBS)最有害。反射回来的光在纤芯的时变光学密度变化,限制了输出功率,另外有可能在光纤输入端破坏组件。我们通过引入相位噪声调节种子光源线宽到30GHz来消除激布里渊散射(SBS),由此产生的短相干长度阻止SBS反射。但需要主动匹配光纤放大器长度到∼1毫米以内来产生有效的相干光束组合。另一个非线性损伤-自相位调制(SPM)-通过将高频噪声强度转换为不能修复的相位噪声,减少了相干性,加强结合损失,因此限制了结合效率。这些由于自相位调制产生的损失可以通过大型的区域光纤设计、减少纤维长度、消除非公共路径强度噪声来管理。

图2 我们的衍射光纤相干光束组合(CBC)设备的系统体系结构。DOE:衍射光学元件。

为了在自由空间产生光,我们在密集的热稳定的阵列中安装了千瓦级的光纤。同时用球面镜校准,将图像阵列投射到反射衍射光学元件,在这种情况下,DOE-作为基本的相同功率处理的典型高能激光镜片-能将光束分束到多输出端口的分束器,DOE是一种印刷蚀刻的、表面周期浮雕的、低角度的结构。当被N个满足于衍射光学元件角度匹配的相位固定的入射光束照射时。DOE可以作为光束组合器。为使伺服锁定光纤的相位、偏正、以及光程。我们发射一个单光束样本的合成输出到P3控制器。相干检测的使用使P3控制器能够缩放的控制数以百计的拥有高控制带宽的光纤激光器,能够抑制可能由环境或平台操作引入的振动干扰。

在最近使用这个系统架构测试我们的三芯片原型中,我们使用3KW的输入功率生成一个靠近衍射极限的2.4kW光束(如图3)。结合的功率独立于光纤功率,证明没有非线性或热限制在这个千瓦光纤功率水平激光器里,这表明有足够的空间将每一个光纤扩展到更高的功率。

在最近使用这个系统架构测试我们的三芯片原型中,我们使用3KW的输入功率生成一个靠近衍射极限的2.4KW光束(如图3)。结合的功率独立于光纤功率,证明没有非线性或热限制在这个千瓦光纤功率水平激光器里,这表明有足够的空间将每一个光纤扩展到更高的功率。

图3 三纤芯阵列相结合的结果,在入射功率(0-3000w)很大的范围内表现出一个恒定的80%效率。插图:激光的2维光束剖面   M2:光束质量因子。

两个简单的变化出现可能会增加结合效率从80%提高到90%以上。首先,组合更多的光纤激光器来提高DOE的衍射效率,就像提高每一个光纤激光器的功率一样来使产生的更高的结合效率。我们成功的制造了光纤通道数从9-81个的衍射光学元件,提高衍射效率到97-99%,而我们3通道衍射光学元件组合的效率只有92%。另外,标准化光纤放大器的设计可以减少由光纤模式引起的损失,功率不匹配的问题。同时设计制造相对简单。

概括地说,我们的研究表明,光纤激光器的相干结合对于产生衍射极限光束质量的100kW级别的DE激光器是一个有效的可扩展的方法。通过仅使用两个共光程的光学元件以及一个可替换的光纤阵列元件,我们的系统架构适用于严酷的非实验室环境。大体上,CBC在通道数上没有内在比例限制,但是在实践中,比例将由工程成本、复杂性以及工程大小约束。在这点上,进一步提高由二维阵列以及DOE几何体组合成的相干光纤功率能够使在紧凑封装结构中超过100KW时扩展性良好。未来工作中,我们希望演示封装好的CBC光学系统,通过组合更多的高功率的光纤激光器它能拥有空前的亮度以及效率。

   文章编译自Coherently combined fiber lasers for directional energy

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