专利名称：二维光纤激光阵列锁相和孔径装填装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达和卫星激光通信，特别是一种二维光纤激光阵列锁相和孔径装填装置，在激光雷达和卫星激光通信发射系统中用于产生高功率和近衍射极限的高光学质量的连续激光输出。
背景技术：
光纤激光器是国际上新近发展的一种新型固体激光器件，它具有散热面积大、光束质量好、体积小巧等优点，在高精度激光加工、光通信、激光雷达、空间技术、高能武器和激光医学等领域中得到应用。随着激光应用技术的发展，在激光雷达等领域需要高功率、高质量和高亮度的激光束，而且朝着小型化、全固态化、大功率化方向发展。一般来说，从单个光纤激光器获得的连续输出功率是有限的，因此采取锁相阵列结构，实现多个激光光束的锁相。
光纤激光阵列锁相的要求是光纤阵列激光器的谐振腔容易起振，有稳定的模式输出而且光束质量好，在远场能产生单一主瓣强度输出，最终目的是获得高输出功率的同时又保证良好的光束质量。在各种光纤激光阵列锁相方法中，Talbot(泰伯)外腔锁相技术是一种非常有效的技术。众所周知，强度分布具有一定周期性的相干光在传输一定距离后会出现自身的像，这个距离称为Talbot距离。对于周期排列的激光器阵列，在Talbot距离处放置具有一定反射率的平面镜，经反射后耦合进激光器的是自身的Talbot像，从而形成稳定相干的光场输出。在先技术1(参见M.Wrage，P.Glas，et al.，Phase locking in a multicore fiber laser by means of a Talbot resonator，Opt.Lett.，25(19)，436-1438，2000.)中，对多芯光纤激光器用Talbot外腔进行了模式选择，实现锁相输出。然而，该方法只是将阵列激光器锁相，但相当部分的能量分布在阵列远场的旁瓣中。
为了把旁瓣能量集中到中心主瓣内，要进行锁相激光阵列的孔径装填，得到单一远场零级主瓣，在近场要产生恒定振幅同相波面。在激光阵列端面和输出镜之间放置一相位补偿板，利用Talbot自成像和相位补偿效应对激光阵列进行锁相和孔径装填，获得远场单一主瓣输出。事实上，带有相位补偿板的自成像腔类似于Lau效应装置。在先技术2(参见Liren Liu，Lau cavity and phase locking of laser arrays，Opt.Lett.，14(23)，1312-1314，1989.)中，设计了带相位补偿板的Lau效应共振腔，实现了半导体激光阵列的锁相和相干输出，但对于光纤激光器阵列的锁相和孔径装填没有涉及，而且是一维激光阵列锁相。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种二维面阵排列的光纤激光阵列锁相和孔径装填装置，以产生高功率和高光学质量的连续激光光束输出。
本发明的技术解决方案如下 一种二维光纤激光阵列锁相和孔径装填装置，包括全反射镜、单模光纤阵列、泵浦源、相位补偿板和部分反射/输出镜，其特点是 所述的全反射镜、单模光纤阵列、相位补偿板和部分反射/输出镜同光轴依次设置； 所述的单模光纤阵列是由多根单模光纤排列而成，其横截面具有对称的二维格点面阵结构，所述的单模光纤阵列的一端紧贴所述的全反射镜，另一端为输出端，每根单模光纤纤芯的直径为d，两正交方向的周期分别为T1x和T1y，定义光纤阵列两正交方向的占空比分别为d/T1x和d/T1y； 所述的泵浦源由多个半导体激光二极管组成； 所述的单模光纤阵列中的每根单模光纤与所述的泵浦源中的一个半导体激光二极管连接，形成激光泵浦关系； 所述的单模光纤阵列的输出端面至所述的相位补偿板的距离Z1满足Talbot(泰伯)效应自成像条件 其中α1x、β1x和α1y、β1y都为互质的正整数，λ为激光波长，而且在两个正交方向的占空比的倒数T1x/d＝β1x，T1y/d＝β1y为整数，则在Z1将产生一等振幅纯相位分布光场； 所述的相位补偿板的透过率函数t(x，y)为所述的z1处等振幅纯相位分布光场的复数共轭函数； 所述的相位补偿板与部分反射/输出镜的距离满足Talbot自成像和Lau效应条件 z2>>z1 式中α2x、β2x和α2y、β2y都为互质的正整数。
一种二维光纤激光阵列锁相和孔径装填装置，包括单模光纤阵列、泵浦源、相位补偿板和部分反射/输出镜，其特点在于 所述的单模光纤阵列、相位补偿板和部分反射/输出镜同光轴依次设置； 所述的单模光纤阵列是由多根单模光纤排列而成，其横截面具有对称的二维格点面阵结构，所述的单模光纤阵列的一端镀全反射膜，另一端为输出端，每根单模光纤纤芯的直径为d，两正交方向的周期分别为T1x和T1y，定义光纤阵列两正交方向的占空比分别为d/T1x和d/T1y； 所述的泵浦源由多个半导体激光二极管组成； 所述的单模光纤阵列中的每根单模光纤与所述的泵浦源中的一个半导体激光二极管连接，形成激光泵浦关系； 所述的单模光纤阵列的输出端面至所述的相位补偿板的距离Z1满足Talbot(泰伯)效应自成像条件 其中α1x、β1x和α1y、β1y都为互质的正整数，λ为激光波长，而且在两个正交方向的占空比的倒数T1x/d＝β1x，T1y/d＝β1y为整数，则在Z1将产生一等振幅纯相位分布光场； 所述的相位补偿板的透过率函数t(x，y)为所述的z1处等振幅纯相位分布光场的复数共轭函数； 所述的相位补偿板与部分反射/输出镜的距离满足Talbot自成像和Lau效应条件 z2>>z1 式中α2x、β2x和α2y、β2y都为互质的正整数。
所述的单模光纤阵列的输出端面镀减反射膜。
所述的单模光纤阵列的横截面为正三角形、正方形、长方形、圆形或六角形。
本发明的技术效果如下 由于本发明的全反射镜和部分反射/输出镜以及放置其中的光纤阵列组成Lau效应共振腔，非相干自发辐射的光纤阵列在共振腔中传输一周后，产生正确的自成像周期阵列，原辐射光场和在共振腔中振荡返回的光场叠加，产生稳定谐振模式的激光输出。Lau效应外腔技术和其他外腔组束技术相比，有明显的优点能实现阵列发光单元场的再现，通过外腔对模式的选择，可以实现远场单瓣强度输出，而且外腔采用平面镜耦合输出，结构简单稳定。
所述的光纤阵列输出端面至相位补偿板的距离满足分数Talbot(泰伯)效应自成像条件，在此距离处产生纯相位分布的波前，所述的相位补偿板的相位分布为该光场相位分布的复数共轭，这样通过相位补偿板输出的光场为等幅连续平面波； 由单模光纤阵列输出的激光光束阵列至相位补偿板的距离满足分数Talbot效应自成像条件，振幅分布的阵列光场将转换成等幅的周期位相变化的光场分布。共轭的相位补偿板的校正使其成为均匀位相的光场分布。经部分反射的输出镜返回的光场自由传输至相位补偿板，同样由于分数Talbot自成像效应，周期位相变化场分布衍射至光纤阵列端面上将产生正确的阵列自成像，这样就构成Lau共振腔，具备了共振腔持续振荡的必要条件，最后在输出镜输出稳定模式的激光，实现光纤激光阵列的锁相和孔径装填。
本发明技术简单，原理可靠，并且对于大量的光纤阵列以及其他类型的固体激光阵列的锁相同样适合。特别适用于激光雷达、卫星激光通信和定向能武器等领域，对于发展紧凑型、轻量化和高光束质量的高功率激光系统具有实际意义。
图1为本发明光纤激光阵列锁相和孔径装填装置实施例1的结构示意图。
图2为本发明的相干辐射状态时光场等价传输正向传输模拟示意图。
图3为本发明的相干辐射状态时光场等价传输反向传输模拟示意图。
图4为本发明的初始非相干辐射状态时光场等价传输正向传输模拟示意图。
图5为本发明的初始非相干辐射状态时光场等价传输反向传输模拟示意图。
图中1—全反射镜，2—单模光纤阵列，3—泵浦源，4—相位补偿板，5—部分反射/输出镜。z1为单模光纤阵列2至相位补偿板4的距离，z2为相位补偿板4至部分反射/输出镜5的距离。
具体实施例方式 以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明光纤激光阵列锁相和孔径装填装置实施例1的结构示意图。由图可见，本发明二维光纤激光阵列锁相和孔径装填装置包括全反射镜1、单模光纤阵列2、泵浦源3、相位补偿板4和部分反射/输出镜5，其特点是 所述的全反射镜1、单模光纤阵列2、相位补偿板4和部分反射/输出镜5同光轴依次设置； 所述的单模光纤阵列2是由多根单模光纤紧密排列而成，其横截面具有对称的二维格点面阵结构，所述的单模光纤阵列2的一端紧贴所述的全反射镜1，另一输出端面镀减反射膜，每根单模光纤纤芯的直径为d，两正交方向的周期分别为T1x和T1y，定义光纤阵列两正交方向的占空比分别为d/T1x和d/T1y； 所述的泵浦源3由多个半导体激光二极管组成； 所述的单模光纤阵列2中的每根单模光纤与所述的泵浦源3中的一个半导体激光二极管连接，形成激光泵浦关系； 所述的单模光纤阵列2的输出端面至所述的相位补偿板4的距离Z1满足Talbot(泰伯)效应自成像条件 其中α1x、β1x和α1y、β1y都为互质的正整数，λ为激光波长，而且在两个正交方向的占空比的倒数T1x/d＝β1x，T1y/d＝β1y为整数，则在Z1将产生一等振幅纯相位分布光场； 所述的相位补偿板4的透过率函数t(x，y)为所述的z1处等振幅纯相位分布光场的复数共轭函数，从相位补偿板4输出的光场是占空比为1:1的等幅连续平面波； 所述的相位补偿板4与部分反射/输出镜5的距离满足Talbot自成像和Lau效应条件 z2>>z1 式中α2x、β2x和α2y、β2y都为互质的正整数。
所述的单模光纤阵列2中每根光纤纤芯的直径为d，两正交方向的周期分别为T1x和T1y，定义光纤阵列两正交方向的占空比分别为d/T1x和d/T1y，于是所述的单模光纤阵列2可以看作具有特定占空比的振幅型周期结构。
所述的单模光纤阵列2的输出端面输出的光场传输至相位补偿板4再传输到部分反射/输出镜5的方向定义为正向传输方向，从部分反射/输出镜5反射回来的光传输至相位补偿板4再进一步传输到单模光纤阵列2的端面方向定义为反向传输方向。
所述的单模光纤阵列2至相位补偿板4的距离 其中α1x、β1x和α1y、β1y都为互质的正整数，满足分数Talbot(泰伯)效应自成像条件，而且在两个正交方向的占空比的倒数T1x/d＝β1x，T1y/d＝β1y为整数，此时，振幅分布的阵列光场转换成纯相位分布的光场； 所述的单模光纤阵列2、相位补偿板4和输出镜5构成Lau效应共振腔，从单模光纤阵列2输出的光场，在共振腔内往返一周在单模光纤阵列2的端面上可以产生正确的阵列自成像，形成稳定模式的光场输出。
以正交周期排列的二维光纤阵列为例，说明所述的相位补偿板4的具体设计原理 假设单模光纤阵列2辐射的光场为空间完全相干光，其复振幅为u0(x，y，0)，T1x和T1y分别为单模光纤阵列在x、y两个正交方向的周期。空间完全相干辐射阵列光场等价传输模拟示意图如图2和图3所示。
由菲涅耳衍射公式知道，单模光纤阵列2在z距离处的衍射场在傍轴近似下为 式中，k＝2π/λ，λ为激光波长，h(x，y，z)＝exp[iπ(x2+y2)/λz]，‘**’表示二维卷积。
将周期函数u0(ξ，η，0)进行傅立叶级数展开后，距离z处的衍射光场可写为 u1(x，y，z)＝up(x，y，0)**Δ(x，y，z) (2) 式中， 为函数u0(ξ，η，0)一个周期的函数表达式，可取为圆函数或者矩形函数。
在本发明的设计中，相位补偿板4放置在分数Talbot距离上 平面上，当孔径装填条件满足时，衍射场u1(x，y，z1)为等振幅的纯相位分布，即|u1(x，y，z1)|＝K，K为常数。
相位补偿板4的的透过率函数t(x，y)为所述的z1处等振幅纯相位分布光场的复数共轭函数，衍射场u1(x，y，z1)的复共轭函数，即 (3) 其中，当α1xβ1x和α1yβ1y为偶数时， m＝kβ1x+m’， n＝lβ1x+n’其中m’＝0，1，…，(β1x-1)，n’＝0，1，…，(β1y-1)和k，l＝0，±1，±2，…。当α1xβ1x和α1yβ1y为奇数时， (2β1x-1)，n’＝0，1，…，(2β1y-1)和k，l＝0，±1，±2，…。
因此，在正向传输方向，周期为T1x，T1y的单模光纤阵列2输出的光场入射到所述的相位补偿板4上，它们的距离z1满足Talbot自成像条件，把单模光纤阵列2输出光场看作一振幅光栅，振幅分布的周期阵列将转换成等幅的周期位相变化的场分布，共轭的相位补偿板4的校正使其成为均匀位相的场分布即平面波，然后传播到所述的部分反射/输出镜5，产生单一主瓣的远场强度输出。
同理，在反向传输方向，如图3所示，用反射率为r的部分反射/输出镜5反射的平面波垂直照射到相位补偿板4上，由于Talbot自成像效应，在距离位相板4距离z1的单模光纤阵列2的端面处，耦合回到单模光纤阵列2内的光场并考虑到(5)式可表示为 因此，从部分反射/输出镜5反射回的光场传输至相位补偿板4，同样由于自成像效应，周期位相变化场分布衍射至光纤阵列面上产生了正确的列阵自成像，其光场只差比例常数和一传播因子。具有这种能使周期分布光场产生正确自成像效应的共振腔可以使得单模光纤激光阵列辐射光场，在腔内多次有效振荡后，输出面上的场分布基本不变，获得稳定模式输出的空间完全相干场。
需要说明的是，非正交周期阵列的分数Talbot距离处的场强和相位分布可以通过坐标的旋转或倾斜，用类似的计算方法得到相位补偿板的相位分布。
当单模光纤阵列2处于初始激发状态时，所辐射的光场为非相干的，正向传输过程如图4所示，可看成周期在x，y方向为T1x，T1y的多个点源球面波的叠加， 经过周期为T2x，T2y的相位补偿板4后，在传输距离z2处部分反射/输出镜5上的光场分布为 其中， 其中G(m/T1x，n/T1y)为周期函数u0(x，y)的傅立叶系数，H(m’/T2x，n’/T2y)为周期函数t(x，y)的傅立叶系数。由(8)式可见，当满足条件(其中α2x、β2x和α2y、β2y都为互质的正整数)，在距离z2处同样产生周期性Lau条纹分布的光场。
同理在反向传输方向，如图5所示，把z2距离处的光场u1(x，y，z)也看成多个点源球面波光源，该光场照射到相位补偿板4上同样由于满足Talbot自成像条件，类似(8)式，在单模光纤阵列2的端面处产生和原单模光纤阵列2周期相同或者整数倍周期的正确自成像。这样单模光纤阵列2的原辐射光场和振荡返回的周期光场在Lau共振腔耦合，经过多次振荡传输后形成稳定模式的激光场，实现单模光纤阵列2的锁相和孔径装填。
下面通过一个具体实施例对本发明作进一步的说明 用10×10个半导体二极管激光器作泵浦源3，泵浦波长975nm；所述的单模2采用10×10个掺Yb/Er的双包层光纤，长度都为10m，输出波长1.5μm，在两个垂直方向以周期间距T1x和T1y排成10×10的正方形面阵，且T1x＝T1y＝200μm，纤芯直径为dx＝dy＝20μm，因此单模光纤阵列2在x，y方向的占空比dx/T1x＝dy/T1y＝0.1；这些光纤阵列的两个端面都磨平使得它们均处于同一个平面，单模光纤阵列2的输出端面针对工作波长1.5μm镀增透膜，让尽量多的返回光耦合到光纤阵列中。
全反射镜1、部分反射/输出镜5和相位补偿板4相对单模光纤阵列2来说假设为无限大，Talbot自成像距离令β1x＝10，β1y＝10，在z1＝2.67mm的距离上产生纯相位分布得周期变化波前，相位补偿板4应设计为这些相位的复共轭，如表1所示，其中所有的相位取值范围在0～2π之间，省略掉了2π整数倍的相位。
需要说明的是，表1的相位个数虽然为10×10＝100个。因为在x、y方向的每一周期内都存在对称相位分布，最多有6×6＝36个相位值，大大简化相位板的制作难度。
根据上述计算，相位补偿板4放置在距离单模光纤阵列2端面2.67mm的距离处，该相位光栅的周期T2为T1/10＝20μm，周期T2和纤芯直径d相等，因此占空比为d/T2x＝1:1和d/T2y＝1:1，因此在z1距离处产生了等振幅等相位分布的波前。
所述的相位补偿板4与部分反射/输出镜5的距离z2满足Lau效应条件，取z2＝19.97mm，此时透过相位补偿板4的光场再传输z1距离后，将产生与原单模光纤阵列周期相同或者整数倍周期的的正确自成像。这样光纤阵列的原辐射光场和振荡返回的光场叠加，形成相干振荡的Lau共振腔，经过多次振荡传输后形成稳定模式的激光场，实现单模光纤阵列2的锁相和孔径装填，即产生单一主瓣的远场强度输出。
表1 z1距离处相位补偿板的一个周期内的相位
权利要求
1、一种二维光纤激光阵列锁相和孔径装填装置，包括全反射镜(1)、单模光纤阵列(2)、泵浦源(3)、相位补偿板(4)和部分反射/输出镜(5)，其特征在于
所述的全反射镜(1)、单模光纤阵列(2)、相位补偿板(4)和部分反射/输出镜(5)沿光轴依次设置；
所述的单模光纤阵列(2)是由多根单模光纤排列而成，其横截面具有对称的二维格点面阵结构，所述的单模光纤阵列(2)的一端紧贴所述的全反射镜(1)，另一端为输出端，每根单模光纤纤芯的直径为d，两正交方向的周期分别为T1x和T1y，定义光纤阵列两正交方向的占空比分别为d/T1x和d/T1y；
所述的泵浦源(3)由多个半导体激光二极管组成；
所述的单模光纤阵列(2)中的每根单模光纤与所述的泵浦源(3)中的一个半导体激光二极管连接，形成激光泵浦关系；
所述的单模光纤阵列(2)的输出端面至所述的相位补偿板(4)的距离Z1满足Talbot效应自成像条件
其中α1x、β1x和α1y、β1y都为互质的正整数，λ为激光波长，而且在两个正交方向的占空比的倒数T1x/d＝β1x，T1y/d＝β1y为整数，则在Z1将产生一等振幅纯相位分布光场；
所述的相位补偿板(4)的透过率函数t(x，y)为所述的z1处等振幅纯相位分布光场的复数共轭函数；
所述的相位补偿板(4)与部分反射/输出镜(5)的距离满足Talbot自成像和Lau效应条件
z2>>z1
式中α2x、β2x和α2y、β2y都为互质的正整数，z2为相位补偿板(4)至部分反射/输出镜(5)的距离。
2、一种二维光纤激光阵列锁相和孔径装填装置，包括单模光纤阵列(2)、泵浦源(3)、相位补偿板(4)和部分反射/输出镜(5)，其特征在于
单模光纤阵列(2)、相位补偿板(4)和部分反射/输出镜(5)沿光轴依次设置；
所述的单模光纤阵列(2)是由多根单模光纤排列而成，其横截面具有对称的二维格点面阵结构，所述的单模光纤阵列(2)的一端镀全反射膜，另一端为输出端，每根单模光纤纤芯的直径为d，两正交方向的周期分别为T1x和T1y，定义光纤阵列两正交方向的占空比分别为d/T1x和d/T1y；
所述的泵浦源(3)由多个半导体激光二极管组成；
所述的单模光纤阵列(2)中的每根单模光纤与所述的泵浦源(3)中的一个半导体激光二极管连接，形成激光泵浦关系；
所述的单模光纤阵列(2)的输出端面至所述的相位补偿板(4)的距离Z1满足Talbot(泰伯)效应自成像条件
其中α1x、β1x和α1y、β1y都为互质的正整数，λ为激光波长，而且在两个正交方向的占空比的倒数T1x/d＝β1x，T1y/d＝β1y为整数，则在Z1将产生一等振幅纯相位分布光场；
所述的相位补偿板(4)的透过率函数t(x，y)为所述的z1处等振幅纯相位分布光场的复数共轭函数；
所述的相位补偿板(4)与部分反射/输出镜(5)的距离满足Talbot自成像和Lau效应条件
z2>>z1
式中α2x、β2x和α2y、β2y都为互质的正整数，z2为相位补偿板(4)至部分反射/输出镜(5)的距离。
3、根据权利要求1或2所述的二维光纤激光阵列锁相和孔径装填装置，其特征在于所述的单模光纤阵列(2)的输出端面镀减反射膜。
4、根据权利要求1所述的二维光纤激光阵列锁相和孔径装填装置，其特征在于所述的单模光纤阵列(2)的横截面为正三角形、正方形、长方形、圆形或六角形。
5、根据权利要求2所述的二维光纤激光阵列锁相和孔径装填装置，其特征在于所述的单模光纤阵列(2)的横截面为正三角形、正方形、长方形、圆形或六角形。
全文摘要
一种二维光纤激光阵列锁相和孔径装填装置，由全反射镜、二维单模光纤阵列、泵浦源、相位补偿板和部分反射/输出镜组成，所述的全反射镜和部分反射/输出镜以及放置其中的二维单模光纤阵列和相位补偿板满足Talbot自成像条件，组成Lau效应共振腔，本发明具有结构简单，性能稳定可靠，高功率连续输出等优点，特别适用于激光雷达、卫星激光通信和定向能武器等领域，对于发展紧凑型、轻量化和高光束质量的高功率激光系统具有实际意义。
文档编号H01S3/0941GK101383479SQ200810200759
公开日2009年3月11日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者闫爱民, 刘立人, 刘德安, 孙建锋 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所