激光器和光纤的耦效率-光纤激光器优势

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OFweek激光网讯：定向能（DE）的激光武器一直是科幻小说的主要题材。它们的现实发展仍然难以捉摸，然而，几十年来科学家都在研究横跨化学、自由电子和固态技术的激光。在光纤激光技术的进展将改变这种格局。通过移除敏感校准的光学器件，光纤激光器可以被封装起来在恶劣的军事环境中运作，特征包括极端的温度、冲击和振动。这种激光器的光电转换效率可超过40％，并且凭借其波导性质，自然发射的光接近衍射极限的光束质量。然而，目前进的单模光纤激光器的功率由于热量和非线性效应被局限于低于10kW，这一数量级低于大多数定向能应用的要求。

由多个光纤激光器并行成在一起可以突破这些功率限制。美国海军目前正在部署基于多光纤束的激光武器样机，而把多光纤捆绑在一起只会得到较差的光束质量。从这样的系统得到的激光能量向外扩散很快，传播到远处的目标，这限制了该系统的有效范围。一个替代方案是采用分光光束的组，其中每根纤维以稍微不同的波长运作，色散光学元件用来组输出。虽然所得到的光束是近衍射极限的，但功率等级受到可用的光源的光谱亮度和激光增益带宽的限制。为了规避这些问题，相干光束组（CBC）可扩展的方法：见图1。CBC使总功率输出得到提高，同时保持原始的光束质量，已成为光纤激光器的标志。

图1：两束光的相干光束组，采用一个50%反射光分束器。所有输入功率通过光束相位锁定被引导其中一个输出端口，它们建构性地干涉，然后输出光束的功率和亮度都增加一倍。

用CBC方法，如果两个相互相干激光光束入射各占50％分束器，两个光束可以被组成一个输出端口，只要它们锁定相位。所得到的组光束与每个输入光束具有相同的质量，但功率和亮度是其两倍。通过级联多个二端口成器，或通过使用多于两个的端口的分束器，这个概念可以推广到两个以上的激光器。除了证明基本原理和光纤CBC的可扩展性，目标是通过开发一个强大的、价格适中，设计紧凑的产品，推动光纤CBC技术走出实验室。

在如图所示的体系结构中（见图2），一个主要振荡器被分割为种子N光纤通道，每一个包括通信形式的激励器的相位、偏振和路径长度，接着一个千瓦级光纤放大器链。这些狭窄的纤芯内的紧缩光束给组光纤功率带来了非线性的限制。这些非线性中最不利的是受激布里渊散射（SBS），其中激光光束反映了光纤芯中随时间变化的光学密度的变化，从而限制了输出功率和光纤输入端可能受损的元件。我们应用相位噪声移除SBS以调制种子源线宽30GHz。所得到的短相干长度可防止SBS反射，但高效CBC的必要的光纤放大器匹配长度小于~1mm。另一个非线性减值--自相位调制（SPM）--通过把高频强度噪声转变成不可矫正的相位噪声，限制其成的效率，导致相干性降低与成的损失。通过使用大模场的光纤设计可以控制这些SPM的损失，使纤维的长度最小化，并消除非共同路径强度的噪声。

图2：我们衍射光纤相干组设备的系统结构。DOE：衍射光学元件

为了把光束发射自由空间，安装了千瓦级光纤头到一个包装紧密、热稳定的阵列。一个球面反射镜同时进行校准，并把阵列映射到一个反射的衍射光学元件（DOE）。在这种情况下，DOE--作为典型的高能量的激光反射镜基本上具有相同的功率处理能力--是一个多端口的分束器，有着采用光刻法刻蚀、周期性表面起伏、低角度的结构。当用N锁相输入光束的角度匹配DOE的衍射顺序，DOE可以作为光束组器。为了实现光纤相位、偏振和路径长度的伺服锁定，我们输送了单一的组单束样品我们的P3控制器。采用相干检测使P3控制器的级别增加几百个具有高控制带宽的光纤激光通道，从而防止了环境或平台运作带来的振动干扰。

在最近进行的三光纤原型测试中，使用本系统结构，产生了近衍射极限的2.4KW光束，输入功率为3kW（参见图3）。组效率是独立于光纤功率的，这表明在千瓦级光纤功率水平并没有非线性或热限制。这说明，一根光纤升级到更高功率还有发展空间。

图3:三光纤阵列组结果，显示输入功率(0–3000W)范围的持续80%的效率。

两个简单的变化似乎可能把组效率从80％提高到90％甚更高。首先，组更多的光纤提高DOE的衍射效率，从而导致更高的组效率以及更高的组功率。我们成功地制作带有光纤通道的DOE，数量从9-81，这导致了97-99％的衍射效率，而三光纤DOE只有92％。其次，标准化的光纤放大器设计将减少模场和功率不匹配而造成的损失，这是比较简单的。

总结：结果表明，光纤激光器的相干组是一个有效的朝向100kW级定向能激光器的升级放大路径，并具有衍射极限的光束质量。通过仅使用两个共路的光学元件和一个可更换元件的光纤阵列，我们的系统结构可以适于恶劣的、非实验室环境。原则上，CBC在通道数量上没有固定的升级放大限制，但在实践中，升级放大将由取决于成本、复杂性和工程的大小。在这方面，进一步增加相干光纤功率，组2D阵列和DOE几何将使紧凑封装的升级放大远远超过100kW。在今后的工作中，希望组更多高功率的光纤，来证明封装的CBC光纤激光系统达到的亮度和效率。

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