平均功率360 W的光譜合成納秒脈沖光纖激光

李 政,李晉忠,張 昆,朱 辰

(1.固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015;2.中國人民解放軍海軍七○一工廠,北京 100015)

1 引 言

光纖激光器因其光-光轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、散熱能力優(yōu)異、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于通信[1]、國防[2]、醫(yī)療[3]和工業(yè)加工[4]等領(lǐng)域。特別是脈沖光纖激光器,在光電對(duì)抗、激光清洗等方向有著重要的應(yīng)用。由于非線性效應(yīng)、熱效應(yīng)、光損傷以及模式不穩(wěn)定等因素的約束[5-7],單路脈沖光纖激光器的最大輸出功率受到了限制,而光束合成技術(shù)為功率的進(jìn)一步提升提供了新的技術(shù)路徑[8-10]。

光譜合成作為一種非相干合成技術(shù),即將多個(gè)不同波長的光束,以不同角度入射到色散元件或者雙色元件表面,利用色散的逆過程,使不同波長的光束以相同的角度出射,實(shí)現(xiàn)共孔徑輸出。目前,二色鏡(DM)合成技術(shù)、體布拉格光柵(VBG)合成技術(shù)以及多層電介質(zhì)膜衍射光柵(MLDG)合成技術(shù)是主流的光譜合成技術(shù)方案。2009年,德國耶拿大學(xué)利用干涉濾光片實(shí)現(xiàn)了平均功率208 W,脈沖能量4.2 mJ,合成效率大于86 %的四路脈沖光纖激光光譜合成實(shí)驗(yàn),光束質(zhì)量因子為2.3[11]。2009年,德國Fraunhofer研究所采用單MLD光柵結(jié)構(gòu)對(duì)4路光纖激光器進(jìn)行光譜合成,實(shí)現(xiàn)了平均功率為1.1 kW的納秒脈沖光纖激光輸出,光束質(zhì)量因子為1.5和2.7,子束線寬為0.2 nm[12]。2015年,美國Aculight公司通過優(yōu)化子束排布,將入射激光陣列從12路擴(kuò)展至96路,成功將光譜合成激光輸出功率從3 kW提升至30 kW,單路子束線寬控制在3 GHz,光束質(zhì)量因子為1.6和1.8[13]。2015年,中國工程物理研究院通過雙MLD光柵補(bǔ)償設(shè)計(jì)對(duì)5路千瓦量級(jí)光纖激光器進(jìn)行光譜合成,成功實(shí)現(xiàn)5.07 kW光纖激光輸出,光束質(zhì)量因子為2.8和2.0,子束線寬約為0.2 nm[14]。次年,該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)子束線寬、排布方式進(jìn)行優(yōu)化,將入射激光陣列從5路擴(kuò)展至10路,實(shí)現(xiàn)9.6 kW光譜合成光纖激光輸出,光束質(zhì)量因子為2.9,二階矩線寬為0.5～0.6 nm[15]。2016年,中國科學(xué)院上海精密機(jī)械研究所基于單MLD光柵結(jié)構(gòu)對(duì)八路1.5 kW量級(jí)光纖激光器進(jìn)行光譜合成,實(shí)現(xiàn)10.8 kW光纖激光輸出,但光束質(zhì)量較差,原因是經(jīng)過光纖放大器后的子束線寬從70 pm展寬至0.5 nm[16]?？偨Y(jié)以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,可以看出:基于MLD光柵的光譜合成技術(shù)對(duì)子束激光的線寬十分敏感,想要獲得較好的光束質(zhì)量需要對(duì)子束線寬進(jìn)行嚴(yán)格的控制；此外,國內(nèi)在高功率連續(xù)光光譜合成的研究上已取得不少成果,但窄線寬脈沖光纖激光光譜合成的研究在國內(nèi)還鮮有報(bào)道。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)由窄線寬脈沖光纖激光器和基于單MLD光柵的光譜合成系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。如圖1所示為單路窄線寬脈沖光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖,其結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[17]中的基本一致,通過調(diào)節(jié)任意波形發(fā)生器(AWG)對(duì)每路時(shí)延進(jìn)行控制,使得抵達(dá)衍射光柵的四路子束脈沖激光在時(shí)域上疊加成一束,輸出的子束激光的中心波長分別為1058.2 nm、1067.0 nm、1071.8 nm、1075.4 nm,脈沖寬度約為3 ns,重復(fù)頻率為1 MHz,線寬約為2.9 GHz,平均功率約為100 W,通過準(zhǔn)直器后的束腰半徑約為4mm。

圖1 單路窄線寬脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of single narrow linewidth pulse fiber laser

如圖2所示為基于單MLD光柵的光譜合成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖,其核心色散元件為一塊刻槽密度為1740 lines/mm的MLD光柵,該衍射光柵在1 μm波段近20 nm范圍內(nèi)的平均衍射效率在94 %以上。光柵以一級(jí)Littrow角(θL=68.6°@1070 nm)放置,并在垂直方向上傾斜1.5°。根據(jù)光柵方程:

圖2 基于單MLD光柵的光譜合成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the spectral beam combination(SBC) system with single-MLD-grating configuration

d(sinθ+sinθL)=mλ

(1)

1058.2 nm、1067.0 nm、1071.8 nm、1075.4 nm波長對(duì)應(yīng)的入射角依次為65.6°、67.8°、69.1°、70.1°,通過多個(gè)反射鏡組合的方式,使不同波長的子束納秒脈沖激光以相應(yīng)的入射角入射到光柵平面,實(shí)現(xiàn)四路光譜合成脈沖激光的共孔徑輸出。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)單路子束激光器平均輸出功率約為100 W時(shí),四路光譜合成脈沖激光的平均輸出功率達(dá)到360 W,光譜合成效率約為90 %,峰值功率為122 kW,脈沖能量為0.36 mJ。采用分辨率為0.01 nm的光譜分析儀對(duì)光譜合成脈沖激光的光譜進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)合成功率為360 W時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出激光光譜特性如圖3所示,從左至右中心波長依次為1058.2 nm、1067.0 nm、1071.8 nm、1075.4 nm。可以看到,1058～1075 nm之間還有很多未被填滿的空白光譜區(qū)域,可用于進(jìn)一步擴(kuò)展光譜合成的子束波長與路數(shù),提高光譜合成激光的輸出功率。

圖3 光譜合成功率為360 W時(shí)輸出光譜圖Fig.3 Spectrum of the laser at the spectral combined output power of 360 W

采用光電探測(cè)器和高速示波器對(duì)光譜合成激光的脈沖形狀進(jìn)行測(cè)量,最大合成功率下的脈沖波形如圖4所示,脈沖寬度為2.95 ns,重復(fù)頻率為1 MHz,合成后的激光脈沖寬度比起單路子束的脈沖寬度略有展寬。

圖4 光譜合成功率為360 W時(shí)輸出脈沖形狀Fig.4 Pulse shape of the laser at the spectral combined output power of 360 W

圖5 光譜合成功率為360 W時(shí)光斑的遠(yuǎn)場(chǎng)分布Fig.5 Far field distribution of the laser beam at the spectral combined output power of 360 W

(2)

4 總 結(jié)