光纖激光器光譜合束技術綜述

知識 07-22

1 引言

高功率、高光束質量一直是固態激光器追求的目標，隨著高端工業應用、特別是潛在的軍事應用等需求的牽引，高功率、高光束質量的全固態激光器技術發展方興未艾。光纖激光器具備轉換效率高、光束質量好、熱管理簡單、使用靈活等一系列優點，逐漸成為高功率全固態激光器技術研究的熱點。光纖激光器由於熱效應、非線性效應、光纖損傷、泵浦耦合、模場直徑等因素的限制，單纖單模的激光輸出被限制在了萬瓦量級，若要獲得更高功率水平，則需要採用多單元光束合束方式實現，目前發展較快的主要有相干合束( coherently combining) 和光譜合束( SBC spectral beam combining)。相干合束理論上可以無限合成功率，但由於單元光束空間分離( 填充因子) 的緣故，光束質量無法達到衍射極限，且對單元光束的相位穩定度和控制精度要求極高，工程上實現難度較大；光譜合束一般只能在增益介質的增益帶寬內有限合成功率，但設計相對簡單，對單元光束穩定性和控制要求較低，同時又能實現衍射極限的光束質量，目前是光纖激光器實現高功率、高光束質量激光輸出的較好選擇。

2 光譜合束技術的原理

目前，光譜合束技術主要基於兩類色散元件，一種是體布拉格光柵( volume Bragg grating，VBG) ，一種是多層介質膜光柵( multilayer dielectric grating，MLDG) 。

體布拉格光柵合束的基本原理如圖1所示。

當一束平面波入射至一塊非傾斜( 光柵向量平行於光柵表面的法線方向) 的反射式體布拉格光柵上時，衍射效率可以由下式計算出來：

其中，λ0為光柵的中心波長，t 是光柵的厚度； nav是光柵介質的折射率平均值，光柵介質的折射率按正弦函數周期性變化； δn 是折射率調製的振幅； f 是光柵的空間頻率； Δλ 表示入射平面波與λ0的波長差。當平面波波長和入射至光柵的角度滿足波長λ0對應的布拉格條件，即Δλ = 0 時，獲得了最大的衍射效率η0，表示為：

對於體布拉格光柵而言，當入射光波長和角度滿足布拉格條件時，衍射效率獲得最大值，近似於1；而對於其他偏離布拉格條件的波長而言，衍射效率近似為0。所以，如圖1 所示，當兩束具有一定波長差的光束以共軛的角度入射至光柵並在光柵上發生光斑重疊時，如果其中一束光λ1滿足布拉格條件而另一束光λ2在光柵上的衍射效率為0，那麼波長λ1的光束以最大衍射效率發生衍射，而波長λ2的光束透射經過光柵。這樣，波長λ1和λ2的兩束光經過光柵作用後同軸輸出，即實現了波長不同的兩束光的同光路合束。以此類推，當存在N個中心波長不同的體布拉格光柵時，即可實現N + 1路不同波長光束的光譜合束。

多層介質膜光柵是一種平面光柵，其合束原理如圖2 所示。

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式(3) 為平面衍射光柵的光柵方程：

其中，d 為光柵的縫距； θ1和θ2分別為光束的入射角度和衍射角度；m為衍射級次； λ為波長。由此可算出不同波長光束以同一衍射角度出射時對應的不同入射角度。

由於多層介質膜光柵的衍射主峰有一定的寬度，所以與衍射峰中心波長相差不大的其他波長，也可以在多層介質膜光柵上獲得很高的衍射效率。這樣，有一定波長差的多路光束，以不同的特定角度入射至多層介質膜光柵上的同一點，即可實現多路光束的同方向輸出，也就完成了多路光束的光譜合束。

3 光纖激光器光譜合束需要面對的主要技術問題

3.1 高功率窄線寬光纖激光器技術

為了獲得更高的合束功率，同時保持合束路數最少使系統儘可能簡單，則要求單元光束有儘可能高的功率水平。光譜合束是利用光柵元件的衍射效應實現的，為了避免色散、影響合束效率和光束質量，對單元光束的單色性要求較高。同時，為了充分利用光柵的帶寬和光譜解析度，以實現更多路數的激光合束，需要產生不同中心波長的多路光束匹配光柵的入射條件，因此需要考慮單元光束的中心波長控制問題。

對單元光纖激光器來說，由於非線性效應和模式不穩定性等的影響，獲得高功率和保持窄線寬往往作為矛盾的對立面很難同時滿足，因此需要根據系統設計實現最優的折中。目前，常用的高功率窄線寬光纖激光器的實現方式主要有窄線寬光纖光柵技術和單頻的相位調製技術等。光纖光柵技術實現的高功率窄線寬光纖激光器結構簡單，但邊頻成分難以較好的抑制，精確控制光譜難度大，一定程度上會影響合束效率；單頻的相位調製技術實現的高功率窄線寬光纖激光器光譜精確可控，但系統複雜，成本高。二者都可通過控制種子波長來實現對單元光束的中心波長控制。

3.2 高效率高抗損傷的光柵合束元件

光柵合束元件發揮著將多路單元光束高質量合束的關鍵性作用，承載著最終的總功率水平，因此合束效率和損傷閾值是衡量光柵合束元件的兩個核心性能指標。

如前所述，目前廣泛採用的光柵合束元件主要有體布拉格光柵和多層介質膜光柵兩種。圖3是典型的反射式體布拉格光柵的多路合束示意圖。滿足光柵G1布拉格條件的光束λ2和具有一定波長差的光束λ1經光柵G1合為一束，前者經光柵衍射而後者透射經過光柵。出射後的光束λ1 +λ2與光束λ3再經光柵G2合為一束，其中，波長λ3滿足光柵G2的布拉格條件。由此，便實現了三路不同波長光束的合束。以此類推，通過增加光柵數量，採用此類結構還可以實現更多路光束的光譜合束。

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圖4 是典型的多層介質膜光柵的多路合束示意圖。在光柵方程式(3) 中，衍射級次m 一般取1，根據其計算結果，不同波長的三路激光以特定的不同角度入射至多層介質膜光柵G上，三路激光的衍射角度相同，即實現了三路不同波長光束的合束。在此基礎上，還可以進一步增加合束的路數，只需保證各路光束的波長均處於光柵衍射頂峰的光譜帶寬範圍內。

4 光纖激光器光譜合束技術發展概況

光譜合束技術類似於光纖通信中的波分復用( wavelength division multiplexing，WDM) 技術，最早來源於多個激光二極體單元激光合束。美國麻省理工學院林肯實驗室( MIT Lincoln Laboratory) 和美國空軍實驗室較早地研究了光纖激光器光譜合束的技術，以獲得更高的激光功率和亮度。

從2003 年開始，以中佛羅里達大學和OptiGrate公司為主報道了一系列採用在PTＲ( photo － thermo－ refractive) 玻璃中製作的體布拉格光柵作為合束元件開展光纖激光器的光譜合束的研究工作。2009年，中佛羅里達大學採用此種光柵將5 路光纖激光器進行光譜合束，如圖5 所示，輸出功率達到了773 W，光束質量為M 2 = 1.14 的近衍射極限。

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2007 年，美國Aculight公司報道了將3 路光纖激光器經過多層介質膜光柵進行光譜合束的研究成果，如圖6 所示，總功率達到了522 W，兩個方向的光束質量分別為M 2 = 1.18 和1.22。以此為基礎，Aculight 公司持續開展光纖激光器光譜合束技術的研究，其併入Lockheed·Martin 公司後於2014年報道了30 kW 光譜合束的光纖激光器試驗樣機，並預計於2016 年將功率提升到60 kW。

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德國以Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering和Friedrich Schiller University為主聯合開展了光纖激光器光譜合束技術的研究，於2006 ～ 2007 年報道了總功率超過100 W 的光纖激光器光譜合束的研究成果。2011年，該研究團隊報道了將4 路2.1 kW 的光纖激光器利用介質膜光柵進行光譜合束，如圖7 所示，最大功率達到了8.2 kW，光束質量在2.3 kW 時M 2 ＜ 1.5、在7.3 kW 時M 2約為4.3，這是當時報道的光纖激光器光譜合束的最高功率水平。

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國內開展光纖激光器光譜合束相關技術研究的主要有中物院、國防科大、上海光機所和中國電科11所等單位，有關的進展信息報道較少。公開報道的信息中，中物院於2014 年採用5路千瓦級的光纖激光器通過多層介質膜光柵光譜合束，實驗裝置如圖8 所示，獲得了5.07 kW 的合束功率，光束質量M2 小於3，合束效率達到91.2%，這也是目前國內的最高水平。

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