激光相干合成研究现状3.docVIP

1.光纤激光相干合成技术国内外研究现状 从上世纪90年代开始，光纤激光器的出现使得相干合成技术获得了突飞猛进的发展。光纤激光相干合成一经提出便成为激光研究领域的一个新热点，但是光纤激光相干合成技术才刚刚起步，尚处于实验室探索阶段，没有很多现成的方法和结论可以借鉴，目前国内外多家研究机构都开展了相关研究。 光纤相干合成技术的基本原理就是对许多中等功率的激光器施行一定的相干控制，从而得到高功率的、光束质量接近衍射极限的单模激光输出，它的核心就是要控制激光器的相位，从而使输出光场相干。相干合成的基本条件是各阵元激光要满足相同的波长且线宽要窄，光束质量好，单模输出，相位一致，偏振方向相同等。光纤激光相干合成的主要难题是如何使各个子光纤同相位输出，目前已经发展了多种可实现同相位输出的方法和技术。比较常用的光纤激光相干合成技术按其锁相方式可分为主动式锁相相干合成和被动式锁相相干合成，主动式锁相相干合成主要有自适应锁相、自参考锁相和外差锁相三种结构，被动式锁相相干合成则有外腔相干合成、基于超模耦合的干涉仪合成和倏逝波耦合等多种表现形式，图1-1给出了近十年来光纤激光相干合成主要技术方案的分类总表。 下面介绍几种典型的激光相干合成技术方案，并分析这些方案的优缺点及可扩展性。 1 主动式锁相相干合成 主动式锁相相干合成技术是指对各合成阵元的相位进行主动控制，由于要对光纤激光器的相位进行控制，必然会在谐振腔内引入附加的光学原件，因此主动式相干合成一般采用并联主振荡放大结构（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA），主振荡器分束后产生一路参考光和多路信号光，各路信号光路中有相位调制器，再经过功率放大器后进行相干合成。这种MOPA结构可以适当避开光纤非线性效应以及光纤损伤等棘手问题，通过相位控制来实现功率合成，因此阵元数和功率扩展性都相对较好。 1.1外差锁相相干合成 2003年，美国Northrop Grummer Space Technology（NGST）公司开发出外差法控制光纤激光相位的专利技术[1-4]，并将其成功用于MOPA结构的光纤放大器相干合成中。2003年，利用4个2W的1080nm光纤放大器列阵获得了同相、线偏振的8W连续激光功率[5]。2004年，使用相位相干和波分复用的方法，对一个锁模主振荡器经过4个光纤放大器进行放大后，再由衍射光栅成功实现锁模脉冲链的相干合成[6]。2006年，获得了470W的相位相干、线偏振的四单元光纤列阵[7]。另外，美国麻省理工学院MIT的T.Y.Fan等人也研究了MOPA结构的外差锁相相干合成，2003年，由30％的填充因子得到了50％的主瓣能量[8]。2004年，测得10W光纤放大器的相位噪声在0到几kHz之间，故要求伺服系统的带宽最低要在kHz以上[9]。国内国防科技大学于2006年使用外差锁相技术在国内首次实现了三路1W光纤放大器相干合成，并获得了0.7的远场条纹对比度[10]。 图1-2为NGST公司设计的MOPA结构光纤放大器相干合成结构原理图。主振荡源分束成一路参考光和四路信号光，信号光路中均有铌酸锂相位调制器(PM)和光纤放大器(AMP)进行功率放大，放大器前端接隔离器(ISO)以保护前级；参考光经过声光移频器(FS)后被频移。四路信号光准直输出，阵列光束经过分光镜后，一部分与参考光干涉，通过外差法探测干涉信号，可以实时检测到多路光纤放大器的相位变化情况，再实时反馈给信号光路中的铌酸锂相位调制器，实现对光纤放大器相位变化的实时补偿，确保输出的光束相位一致。 主动锁相光纤激光器阵列实验原理图 MOPA结构光纤激光相干合成的外差锁相技术，从原理上来说，由于每路信号光电相位探测电路之间是并行处理的，因此可实现阵元数无限制扩展的多阵元光纤激光相干合成。而利用现有光纤通信中的相位调制器列阵，以及NGST成熟的外差探测专利技术，可实现相位调制器和相位控制电路的列阵集成化，使结构更简洁。但是由于需要对每路信号光与参考光的干涉信号进行单独采样，每路信号光需单独对应一个独立的光电探测器，故对阵元之间的平行度要求很高，以避免各个探测器接收到相邻信号光路的信号。此外，阵元之间的平行度会严重影响远场合成条纹分布及主瓣功率，该结构对光路调节和相位控制电路的精度要求都非常高。随着合成阵元数目的增加和阵元功率的提高，相位控制和光路的稳定性还有待进一步验证。 1.2 自适应锁相相干合成 美国加州HRL实验室也一直致力于光纤激光器的相干合成技术研究，他们采用自适应相位控制技术于2000年首次实现了五路光纤放大器的相干合成[11]，2004年，实现了七路1W光纤放大器的相干合成[12]，图1-8为实验原理图。其中，七阵元光纤放大器列阵呈六角形排列，自适应相位控制系统的控制带宽