第31卷 第9期光 学 学 报V ol .31,N o .92011年9月
ACTA OPTICA SINICA
September ,2011
周 军 何 兵 薛宇豪 漆云凤 刘 驰 丁亚茜 刘厚康 李 震 楼祺洪
(中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，上海201800)
摘要 对高功率光纤激光的被动相干组束技术进行了理论和实验研究。介绍了几种典型的被动相干组束技术，并对其功率可提升性进行了分析。详细报道了课题组在光反馈环形腔结构光纤激光相干组束方面的研究进展，研究分析了该相干组束技术的输出光谱特性和路数可提升性，建立了4路和8路高功率光纤放大器的相干组束系统，并分别实现了1062和1090W 的相干耦合激光输出。关键词 激光技术；光纤激光；相干组束；环形腔
中图分类号 O436 文献标识码 A do i :10.3788/AO S 201131.0900129
热轧酸洗
Study on Passive Coherent Be am Combination Technology of
High Powe r Fiber Lase r Arrays
Zhou Jun He Bing Xue Yuhao Qi Yunfeng Liu Chi Ding Yaqian
Liu Houkang Li Zhen Lo u Qiho ng
(Shanghai Key Laboratory of All S olid -St at e Laser and Applied Techniques ,S hanghai Institut e of Optics and
Fine Mechanics ,Chinese Academy of Sciences ,Shanghai 201800,China )
Abstract Passive coherent beam combination of high power fiber laser arrays is researched theoretically and experimenta lly .Some typic al technologies of passive coherent beam combination of fiber laser arrays are introduced ,and their power scaling is analyzed .The principle of passive coherent beam c ombination ba sed on ring cavity is analyzed .The coherent output spectrum characteristics and array size scalability of the passively coherently phased fiber laser arrays are explored .High power passive phase locking of 4-c hannel and 8-channel fiber amplifier arrays with ring cavity are experimentally dem onstrated ,a nd the maximum coherent output powers are up to 1062and 1090W ,respectively .
Key wo rds la ser technology ;fiber laser ;coherent beam c ombination ;ring c avity OCIS co des 140.3510;140.3295;140.3298
收稿日期:2011-07-25；收到修改稿日期:2011-08-04
基金项目：国家863计划(2011AA 030201)、国家重大科技专项(2010ZX04013)、国家自然科学基金(60908011)和上海科技启明星基金(09Q B1401700)资助课题。
作者简介：周 军(1972—)，男，博士，研究员，主要从事高功率光纤激光及其相干组束技术、准分子激光技术等方面的研究。E -mail :junzhousd @mail .siom .ac
1 引 言电子台历
基于包层抽运技术的高功率光纤激光器具有光束质量好、效率高、易于散热和结构紧凑等特点，在激光工业加工、科学研究和国防军事等领域均具有重要应用[1～3]。随着高功率半导体激光技术、双包层光纤制备技术和高效率抽运耦合技术的发展，单根光纤激光器的输出功率不断提高。目前，美国IPG 公司单根光纤激光已经实现了万瓦级的近单模连续输出[4]。本课题组采用国产掺镱双包层光纤,
单纤在2009年实现了1758W 的振荡激光输出，并
研制出1200W 的全光纤化光纤激光器。然而，由于光纤中的非线性效应、光纤端面激光损伤和热效应等因素的制约，单根光纤激光器的输出功率将受到一定限制。
将多个高功率光纤激光组成阵列，以实现各路激光的功率合成是获得更高功率激光输出的有效途径。光纤激光阵列的相干组束技术可以在提升激光输出功率的同时，保持良好的激光光束质量，是目前
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国际上高功率激光技术领域的研究热点。光纤激光阵列的相干组束是通过对各路光纤激光相位特性的控制，使其输出激光保持相位一致，获得锁相的激光输出，从而在总功率提升的同时，保持良好的激光光束质量。根据光纤激光相位调整或控制方式的不同，相干组束可以分为主动相干组束[5～7]
与被动相干组束[8～18]两大类。在主动相干组束技术中，采用的是电子学反馈控制的方法，通过主动控制各路激光的光程差，实现同相激光输出；在被动相干组束技术中，各路激光是通过光信号的直接耦合或反馈，由光纤激光阵列自动选择不同的波长纵模，来实现各路光纤激光的同相位锁定输出。被动相干组束技术由于无需复杂的相位探测和反馈控制电路及相应的收敛算法，具有结构简单、响应速度快等特点，备受关注，目前已经报道的被动相干组束技术包括全光纤结构[8,9]、多芯结构[10,11]、自傅里叶腔[12～14]、自成像腔
[15～17]
和环形腔[18]
结构等。
本文首先介绍几种典型的被动相干组束技术,
并对各种技术的相干耦合功率可提升性进行分析。然后对基于空间滤波技术的光纤激光阵列自成像腔
和光反馈环形腔被动锁相技术进行理论和实验研究，分析光反馈环形腔相干组束技术的输出光谱特性和光束路数可扩展性，建立了4路和8路高功率
光纤放大器的相干组束系统，并均实现了千瓦级的相干耦合激光输出。
2 几种典型的被动相干组束技术
对于光纤激光阵列的被动相干组束，国内外已经提出了多种技术方案，并进行了相应实验验证，下面仅就其中几种典型的被动相干组束技术进行介绍。
2.1 自组织全光纤结构的被动相干组束技术
自组织全光纤结构被动相干组束主要是指采用一个或多个光纤耦合器构成全光纤化的光纤激光器阵列，
各路光纤激光器的激光信号通过在光纤耦合器中的相互耦合，实现同相振荡的高功率激光输出。2009年Wang 等[8,9]
利用自组织全光纤结构实现了两路和四路光纤激光的被动相干组束，最高输出功率为75.5W ，相干合成效率达85%，其实验原理如图1所示
。
图14路高功率全光纤被动相干组束示意图
Fig .1Schematic o f all -fiber passive coherent arr ay combining fo ur laser s
该技术方案具有结构紧凑、可靠性高和合成效
率高等特点，但由于单路激光功率的提升受到光纤耦合器限制，使得该技术的激光功率可提升性遇到较大困难。2.2 基于多芯有源光纤的被动相干组束技术
设计和采用具有多个掺杂纤芯的特种光纤，通过控制有源纤芯的参数和纤芯间距，使得各纤芯的激光在产生和传输中能够互相耦合，从而实现相位锁定，获得高光束质量的激光输出。2001年,Cheo 等[10]实现了7芯光纤激光的相干耦合输出，输出功率超过5W ，斜率效率为65.2%。2004年,Huo
等[11]
利用19芯有源光纤获得了功率达100W 的激
光输出，光束质量因子M 2约为1.7，如图2为输出激光的近场和远场光斑三维图样。
在基于多芯光纤的被动相干组束技术中，通常还需要采用外部的空间选模措施来保证获得高光束质量的同相激光输出。理论与实验表明，在该技术中，随着纤芯数目的增多，输出激光的光束质量也将逐步下降。此外，与常规光纤激光功率提升的限制瓶颈类似，多芯光纤也同样存在着高功率抽运光耦合和热管理等方面的限制。
周 军等:
高功率光纤激光阵列被动相干组束技术研究
图2相干耦合激光输出的三维图样。(a )近场;(b )远场Fig .23D view o f the co he rent beam .(a )N ear field ;(b )far field
2.3 自傅里叶腔被动相干组束技术
自傅里叶腔被动相干组束技术的原理如图3所示，由一个平面镀有半透膜的平凸透镜作为光纤激光阵列的外腔耦合输出镜，激光经过外腔往返一次正好完成一次傅里叶变换。要使光纤激光器阵列所发出的光学图样与经过一次傅里叶变换后的图样完全一样，就必须要保证
b =F λ1-π2
a 4
/(
瓶嘴
F λ)2
≈F λ,(1)式中F 是透镜的全程(外腔中的往返)焦距(其中F =f /2,f 是平凸透镜的实际焦距),λ是工作波长,
b 是输入光纤纤芯间的空间距离。通过设计适当的光纤输入结构，就可提供足够的信号光反馈回光纤纤芯中，从而实现同相振荡激光输出。
图3自傅里叶变换腔原理图
Fig .3Schematic of self -Fourier lase r cavity
2005年,Corcoran 等[12]
利用自傅里叶腔结构成功实现了7路光纤激光器的相干组束，相干输出图样的可见度V =0.87，相干度
为0.73，总的输出功率为0.4W ，图4给出了相干耦合激光输出的远场光斑图样。该技术方案的主要缺点是相干组束的效率较低，如在他们2008年报道的7路光纤激光相位锁定结果中，参与组束激光阵列的总功率70W ，但相干耦合输出功率仅为6W [14]
。
2.4 自成像腔被动相干组束技术
自成像腔被动相干组束的原理如图5所示，利
图47路光纤激光相干耦合输出的远场光斑图样Fig .4F ar field spot patter n of inco he rent and co he rent
of 7-channel fiber laser arr ay
用空间滤波器和输出耦合镜构成的外腔，实现多路光纤激光的同相输出。光纤准直器阵列和输出耦合镜分别放置在傅里叶透镜L3的前焦面和后焦面上，激光阵列输出光场在腔内往返一次正好产生自己的像。在输出耦合镜上放置一个空间滤波器，其
将异相模式进行滤除，将同相模式进行反馈，从而使得同相模式在多路光纤激光腔内产生振荡，实现相位锁定。
图5自成像腔相干组束原理图Fig .5Schema tic o f self -imag ing resonator
2006年，本课题组利用自成像腔结构实现了2
路和4路二维光纤激光阵列的相位锁定[15,16]。自成像腔被动相干组束功率提升的限制之一在于空间滤波器的激光损伤，为了防止高功率情况下对空间滤波器的激光损伤，采用如图6所示的改进自成像
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腔结构，将空间滤波反馈外腔移出高功率输出光路，实现了134W 的4路二维光纤激光阵列的相干组束[17]
，合成效率为84%。图7为相位锁定后的远场干涉图样
。
图6基于自成像腔结构二维四路光纤激光阵列的
相干组束
Fig .6Coherent beam combinatio n o f 4-channel -fibe r lase r ar ray in the tw o -dimensional distributio
n
图7相位锁定后的远场干涉图样
Fig .7Fa r -field inter ference patter n o f phase lo cking
在自成像腔被动相干组束技术中，空间滤波器是限制相干耦合输出激光功率提升的主要因素。此外，由于反馈信号光是通过各路光纤激光的输出端
耦合入光纤的，在高功率工作时光纤端面易于发生损伤，影响功率的提升。
2.5 光反馈环形腔被动相干组束技术
光反馈环形腔结构是在自成像腔结构的基础上发展而来的，同样也利用了空间滤波器的选模原理。如图8所示，多路光纤放大器阵列准直输出的激光经过一个分束镜(B S )进行分光，反射的小部分激光通过傅里叶透镜耦合入单模反馈光纤(FF )，经过单模反馈光纤的空间滤波作用，异相模式被滤除，而同相模式被选择，作为反馈光信号进入反馈回路，通过分束再作为各路光纤放大器的种子激光进行功率放大，构成了环形腔结构，实现多路光纤激光的相位锁定。2007年,Lhermite 等[18]采用上述环形腔结构，实现了一维四路低功率掺铒光纤放大器阵列的相干组束。
在光反馈环形腔被动相干组束技术中,
单路激
图8环形腔结构相干组束原理图
Fig .8Coherent beam co mbina tion with a ring cav ity
光采用主振荡功率放大(MOPA )结构，可通过多级
光纤级联放大的方法提升单路激光的功率；同时，单路激光采用MOPA 结构，与基于主动相位控制的M OPA 相干组束技术类似，参与组束的光束路数可扩展[19,20]
。因此，从原理上讲，该相干组束技术具有单路激光功率可提升、光束路数可扩展的特性，是一种可定标放大器的被动相干组束技术。
3 光纤激光阵列光反馈环形腔被动相
干组束的理论与实验研究
3.1 光反馈环形腔被动相干组束的理论分析
在光纤激光阵列的被动相干组束系统中，由于外界振动和热效应的影响，参与组束的每一路光纤放大器的光程(nL )会发生变化，放大输出激光的相位也将随时间无规则变化。在该系统中，通常单路激光
的光程有几十米，在环形腔内光反馈循环一次的时间约为百纳秒量级。在实验室条件下，外界环境微扰等引起的光程变化频率在几百到几千赫兹量级，在很短的时间Δt (如1m s )内，就可认为各路光纤放大器的光程是不变的，而光反馈循环次数可达数千次，足以实现稳定的激光输出。
Strehl 比是用来描述激光在远场峰值强度信息的物理量，对于相干组束,Strehl 比反映了各路光纤输出的相位差信息，当相位差为0时，即完全同相时,Strehl 比为1；在相位差不等于0时,S trehl 比介于0～1之间。设每一路光纤放大器的激光输出到达单模反馈光纤的相位为
k =2πf (nL )k /c ,(2)
各链路光纤放大器的平均光程为(nL )avg ，则它们的
相对时间延迟为τk =[(nL )k -(nL )avg ]/c .
(3)
相对相位可以表示为 k =2πf τk ，假设每路光
周 军等: 高功率光纤激光阵列被动相干组束技术研究
纤放大器的放大特性一致，即放大激光输出具有相同的振幅强度，则相干耦合光场在单模反馈光纤处的Strehl 比表示为
S =
∑N
k =1
exp (
j k
)N 2
=
∑N
太阳能景观灯k =1
exp [j2πf τk
]
N 2.(4)
假设光纤放大器阵列中N 路光程服从正态分
布,L RMS 为各路相对光程(nL )k -(nL )
avg 的均方根,τRMS 为各路相对时间延迟τk 的均方根，在频率为f 0
时，到达单模反馈光纤处相位一致，那么Strehl 比与频率带宽的关系可以用一个高斯函数表示,
S (f -f 0)=ex p [-4π2(f -f 0)2τ2
高放废液RMS ],(5)在L R M S =1cm 时,τRMS =33ps ，计算了S trehl 比与带宽的关系，如图9所示，其半峰全宽(FWH M )Δf 为8.0GH z 。根据(5)式得，半峰全宽Δf 与相对光程的均方根L R M S 成反比，有
Δf =
ln 2c π·1L RMS
,(6)
根据文献[19]，可以由Strehl 比计算出相位误差为
σ=
ln
N -1
NS -1
.
(7)
以4路光纤激光的被动相干组束为例，假设在
某个很短的时间Δt 内，四路光纤放大器的光程分别为23.941,24.020,24.011和24
.052m ，根据(5)式
图9Strehl 比与带宽f -f 0的关系F ig .9St rehl ra tio ve rsus bandwidth
在不同带宽的波长范围内计算了不同波长的纵模分别相干叠加后的Strehl 比，如图10所示。图10(a )是波长在1072～1082nm 范围，带宽10nm 下的计
算结果，可以看出有许多波长的纵模可以实现高的Strehl 比，即这些纵模的相位差较小，而其他的纵模相位差较大。同样在1064.5～1066.5nm 的带宽为2nm 的范围内计算了Strehl 比随波长的变化关系，如图10(b )所示，可见仍有多个波长的纵模可以实现高Strehl 比，最高值为0.963。从而表明，锁相激光输出具有多纵模同时输出的光谱特性，这对参与组束的单链路光纤放大器激光功率的提升非常有益。当
4路光纤激光的近场排布为正方形时，相干耦合输出激光的远场干涉图样如图11所示。
闪光棒
图10Strehl 比与波长的关系Fig .10Str ehl ra tio ve rsus w aveleng th
3.2 光纤激光阵列被动相干组束的实验研究
基于光反馈环形腔结构的N 路光纤激光被动相干组束的实验原理装置如图12所示，其由N 路掺Yb 3+光纤放大器、分束镜、傅里叶透镜、单模反馈光纤及放大器、光纤分束器组成。波长为1064nm 光纤输出的激光二极管(LD )通过50∶50的光纤合束器，引入到单模反馈光纤的放大回路中，作为参考光用于实验中的光路调试，以避免在反馈光信号过
小时N 路光纤放大器工作在过饱和状态。单链路光纤激光由多个光纤放大模块(YDFA -1至YDFA -K )级联构成，实现对小功率反馈光信号的功率放大，各级光纤放大器间均配有光隔离器，以防止信号激光的反向传输。N 路光纤激光的输出准直器按照一定方式进行空间排布，实现多路激光的并联准直输出。分束镜BS1反射的小部分(1%～10%)激光经过傅里叶透镜L1耦合入单模反馈光纤中。从
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