[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，特指一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。

背景技术

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、三维切割等工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，一种重要的技术途径是采用激光器相干合成的方法。即激光器采用多模块结构，控制各单元(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；另一方面，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，因此最终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一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                                                ，大于10倍衍射极限，50kW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。

光束净化被认为是一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。光束净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。目前光束净化主要有两种方案，一种是基于波前传感的传统自适应光学方案即波前共轭式，一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，先用波前传感器测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测和波前重构、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 gradient descent, 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。

光束净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, MOPA）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，因此可以用光束净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，在本发明之前从未有相关报道。

发明内容