光纤激光器自成像腔相干组束研究

　　光纤激光器可以获得功率更高、质量更好的光束,具有其它激光器不可比拟的优势。2005年,美国IPG公司全光纤激光器单模连续输出功率已经达到2 kW[1]。但是由于受到非线性、热效应等因素的影响,单根光纤激光器的输出功率也不能无限提高。解决该问题的一条重要途径就是将n束相同激光进行相干组束,可以得到输出激光的中心峰值强度是每束激光中心峰值强度的n2倍。

　　最近几年来,各国研究人员对光纤激光器的相干组束给予了极大的关注,提出了多种方案,并做了一些理论研究工作[2-5]。采用衍射耦合进行模式选择组束的外腔有3种:一是基于近场菲涅耳衍射的Talbot效应外腔和Lau效应外腔[6-7];二是基于远场夫琅和费衍射的自傅里叶变换腔(SF腔)[8];三是傅里叶变换自成像腔[9]。这3种相干组束方式都可以归为自成像相干组束,它们具有全光路、抗干扰性、被动锁相的特点。

　　本文主要介绍了3种不同自成像腔相干组束的实现原理及目前自成像腔相干组束技术的发展现状。采用傅里叶变换自成像方法,实现了1维2路和2维4路光纤激光器的相干组束。

　　1　Talbot和Lau效应相干组束

　　1.1　Talbot效应相干组束

　　一个周期性分布的波场在空间传播时,由于近场菲涅耳衍射和相互作用,在一定的距离上就会形成与原波场相近的光场分布,这就是Talbot效应[6]。激光列阵可以看作周期性平面物体,在受激辐射时,从列阵起经反射镜回到列阵面有可能产生自成像效应。各种自成像中,只有光强分布正确的自成像才能产生有效的激光振荡,这限制了腔内的超级模,因此腔中只存在同相模和反相模两种。

　　对于同相模,自成像条件为

　　式中:T为列阵单元的周期;λ为波长;P1和P2为正整数。由式(1)、式(2)可以看出,当P2是奇数时,2P1将是偶数,从而仅存在反相模式;当P2是偶数时,2P1也是偶数,从而同时存在同相模式和反相模式。

　　M.Wrage[10]等人在2001年采用环形分布的多芯光纤,利用Talbot腔实现了不同芯之间的相位锁定,得到波长为1 060 nm的稳定相干输出。通常参与合成的激光器阵列单元间的距离比较大,占空比一般为0.33~0.50,这样即使通过Talbot腔实现了锁相,它们合成所得的远场光斑也会有许多旁瓣,导致了主瓣功率的下降。

　　1.2　Lau效应相干组束

　　为了去除Talbot腔中旁瓣,提高主瓣的功率,可以在Talbot腔中插入一个相位补偿板,即Lau腔,利用Lau效应提高相干组束后的光束质量[7]。列阵至相位补偿板的距离满足部分自成像条件,振幅分布的列阵将转换成等幅的周期相位变化的场分布,通过共轭的相位板的校正,使列阵成为均匀相位的场分布(孔径装填)。校正后的列阵经反射镜返回相位板,由于部分自成像效应,周期相位变化场分布衍射至列阵面上,将产生正确的列阵自成像。这样就构成共振腔相干振荡的必要条件。相位板与反射镜的距离原则上可取任意值,但在足够大时能形成具有Lau效应的共振腔,即在非相干自发辐射时,列阵发光分布经反射镜返回后还能具有与出射阵列相似的光场分布图形。