[发明专利]一种密集光纤阵列光谱合束装置及方法

说明书

本发明提出了一种密集光纤阵列光谱合束装置及方法，采用缩束准直光学系统实现光纤阵列的密集排布，可以缩短合束装置的光程，实现紧凑化光谱合束，并且可以同时实现激光的快慢轴准直，其中缩束准直光学系统由第一光学元件和第二光学元件组成，第一光学元件为慢轴准直镜，所述的第二光学元件为快轴准直镜。

技术领域

本发明涉及一种密集光纤阵列光谱合束装置及方法，属于光纤激光技术领域，特别涉及高亮度光纤激光合束、工业加工等应用领域。

背景技术

高亮度光纤激光器在工业、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。受非线性效应、模式不稳定效应等物理因素和材料损伤特性的限制，单路单模激光器的输出功率始终有限。而利用光谱合束技术可在获得更高功率输出的同时可以保持良好的光束质量。近年来，光谱合束技术的发展使光纤激光的输出功率得到了迅速提升。2016年美国洛克希德马丁公司报道了96路窄线宽光纤激光进行光谱合束，实现了功率30kW近衍射极限的高光束质量激光输出(在先技术Honea,Eric,et al.Advances in fiber laser spectral beamcombining for power scaling.SPIE LASE 2016:97300Y)。2017年，该公司将光谱合束功率拓展至58kW。所以，密集光纤阵列光谱合束技术代表了当前高亮度光纤激光的重要发展趋势。

对于高亮度光纤激光在车载和舰载等机动平台上的应用，需要合束装置紧凑化和轻量化，这就要求相邻光纤间距Δx越小越好。然而单路光纤输出头需进行机械夹持和水冷，占用一定空间(个别情况还需考虑机械结构对光纤进行位置和角度调整)，所以相邻光纤间距Δx不能无限制缩小。

光谱合束技术主要分为单光栅和双光栅方案。对于单光栅方案，光纤阵列和光栅分别位于转换透镜的前后焦点处，组成2F光学系统。该方案的一个缺点是转换透镜的焦距很长，不利于光谱合束装置的紧凑化。在光栅参数和相邻光纤波长间隔确定的情况下，转换透镜焦距值f与光纤阵列中相邻光纤的间距Δx成正比，如下式所示：(Madasamy,et al.Comparison of Spectral Beam Combining Approaches for HighPower Fiber Laser Systems.SPIE Defense and Security Symposium InternationalSociety for Optics and Photonics,2008:695207-695207-10)。其中f为透镜焦距，Δx为相邻光纤间距，d和θ分别为光栅常数和衍射角，Δλ为相邻光纤波长间隔。所以相邻光纤间距Δx缩小可以有效缩短转换透镜的焦距f，从而实现装置的紧凑化。

在双光栅技术方案中，光纤阵列光束经过准直后打在光栅上，所以不需要转换透镜进行聚焦。合束装置的光程主要取决于两个光栅的间距L。如下式所示：(Madasamy,Pratheepan,et al.Comparison of Spectral Beam Combining Approachesfor High Power Fiber Laser Systems.SPIE Defense and Security SymposiumInternational Society for Optics and Photonics,2008:695207-695207-10，其中β为阵列光束到第一块光栅的入射角)。据上式可知L值正比于相邻光纤间距Δx。所以，无论对于单光栅和双光栅的紧凑化光谱合束，都需要尽量缩小相邻光纤间距Δx。

CN204103247U采用多个反射镜，多次折返光程的方案实现紧凑型的光谱合束。然而从根本上说，实现光源阵列紧密排列从而压缩系统光程是更加直接的紧凑化方案。如何有效实现光纤激光阵列的高占空比紧密排列，缩短合束装置的光程，成为发展紧凑化高功率光纤激光的一个技术难题。