激光光谱功率合成系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光光谱功率合成领域，具体而言，涉及一种激光光谱功率合成系统及方法。
【背景技术】
[0002]连续波工作的高品质高平均功率激光在工业、国防和科研领域具有重要的应用价值。光纤激光器具有高效率、结构紧凑、高激光光束质量、柔性传输、散热良好、光谱范围宽和免维护等优势，在诸多激光应用领域开始广泛采用。然而，受限于光纤中非线性效应和可注入的栗浦源亮度等因素，单台光纤激光器输出功率有限，仅有数千瓦。在需要更高功率的应用场景，采用多台光纤激光器进行功率合成是必然选择。具体的技术途径包括几何并束、相干合成和光谱合成。几何并束在技术上最容易实现，但是激光光束质量差，不适用于对激光光束品质要求较高的场合。相干合成可以得到较好的激光光束质量和峰值光强，但是对单台光纤激光器的要求苛刻，导致单台激光器输出功率受限严重，要获得较大的功率需要的系统规模庞大，技术难度最高。相比而言，光谱合成技术难度适中，激光光束质量也能够得到保证，是目前最有潜力的功率合成方法。光谱功率合成方法的原理是利用色散介质(比如多层介质膜光栅或者体布拉格光栅等)的光谱色散效应，将精确设计的工作在掺杂光纤增益带宽内不同波长的多台窄线宽激光器的激光光束合成一束而保持激光光束质量不劣化或者劣化较小，从而实现共孔径的功率和光强的提升。
[0003]光谱功率合成方法需要精确控制单台光纤激光器的中心波长和线宽，目前的单台光纤激光器输出的中心波长和线宽控制方法主要有两种，一种是采用单频激光器加相位调制光谱展宽的方法，另一种是利用基于窄线宽光纤布拉格光栅对的振荡器来控制。
[0004]但是，基于单频激光器加相位调制光谱展宽的方法的光源系统复杂，成本高，不适宜用于大规模系统，而光纤布拉格光栅对制作的不一致性易导致光谱失配和激光光束质量劣化。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种激光光谱功率合成系统及方法，以有效提高现有的光谱功率合成的激光光束质量以及有效降低现有的光谱功率合成系统的成本。
[0006]第一方面，本发明实施例提供了一种激光光谱功率合成系统，包括:光谱功率合成模块、光采样器和多个光源模块，所述多个光源模块均与所述光谱功率合成模块耦合，所述光谱功率合成模块与所述光采样器耦合，所述光采样器分别与所述多个光源模块耦合；
[0007]所述多个光源模块用于分别产生激光光束；
[0008]所述光谱功率合成模块用于将多个所述光源模块产生的激光光束合成为一个激光光束；
[0009]所述光采样器用于对所述光谱功率合成模块输出的激光光束进行取样，获得所述光谱功率合成模块输出的激光光束中强度属于预定区域的激光光束，将所取样获得的激光光束分别反馈至所述多个光源模块；
[0010]每个所述光源模块用于根据所获得的反馈激光光束调整输出激光光束的波长和线宽。
[0011]结合第一方面，本发明实施例还提供了第一方面的第一种可能实施方式，其中，还包括:取样分光镜，所述光谱功率合成模块与所述取样分光镜耦合，所述取样分光镜的取样输出端与所述光米样器親合；
[0012]所述取样分光镜用于将所述光谱功率合成模块输出的激光光束分出一束子激光光束，将所述子激光光束由所述取样输出端输入所述光采样器，其中，所述子激光光束与所述光谱功率合成模块输出的激光光束的参数特性一致；
[0013]所述光采样器具体用于对所述子激光光束进行取样，获得所述子激光光束中的强度属于预定区域的部分激光光束，将所取样获得的激光光束分别反馈至所述多个光源模块。
[0014]结合第一方面或第一方面的第一种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第二种可能实施方式，其中，所述激光光束的强度属于预定区域包括以所述激光光束的中心波长为中心以预设带宽为宽度而划定的所述激光光束的强度最高区域。
[0015]结合第一方面的第二种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第三种可能实施方式，其中，所述光源模块包括光纤激光振荡器和光功率放大器，所述光纤激光振荡器与所述光功率放大器親合，所述光功率放大器与所述光谱功率合成模块親合，所述光采样器与所述光纤激光振荡器耦合；
[0016]所述光纤激光振荡器用于产生低功率光源，并根据所获得的反馈激光光束调整输出激光光束的波长和线宽；
[0017]所述光功率放大器用于对所述光纤激光振荡器输出的低功率光源进行功率放大。
[0018]结合第一方面的第三种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第四种可能实施方式，其中，还包括光纤分束器，所述光采样器与所述光纤分束器耦合，所述光纤分束器分别与多个所述光纤激光振荡器親合；
[0019]所述光纤分束器用于将所述光采样器输出的反馈激光光束分成多个相同的反馈子激光光束，向每个所述光纤激光振荡器输入一个反馈子激光光束。
[0020]结合第一方面的第四种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第五种可能实施方式，其中，还包括第一能量传输光纤，所述光采样器通过所述第一能量传输光纤与所述光纤分束器親合。
[0021]结合第一方面的第五种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第六种可能实施方式，其中，还包括第二能量传输光纤，所述第二能量传输光纤与所述光纤激光振荡器数量相同，所述光纤分束器通过所述第二能量传输光纤与每个所述光纤激光振荡器耦入口 ο
[0022]第二方面，本发明实施例还提供了一种激光光谱功率合成方法，应用于激光光谱功率合成系统，所述系统包括:光谱功率合成模块、光采样器和多个光源模块，所述多个光源模块均与所述光谱功率合成模块耦合，所述光谱功率合成模块与所述光采样器耦合，所述光米样器分别与所述多个光源模块親合，所述方法包括:
[0023]所述多个光源模块分别产生激光光束；
[0024]所述光谱功率合成模块将多个所述光源模块产生的激光光束合成为一个激光光束；
[0025]所述光采样器对所述光谱功率合成模块输出的激光光束进行取样，获得所述光谱功率合成模块输出的激光光束中强度属于预定区域的激光光束，将所取样获得的激光光束分别反馈至所述多个光源模块；
[0026]每个所述光源模块根据所获得的反馈激光光束调整输出激光光束的波长和线宽。
[0027]结合第二方面，本发明实施例还提供了第二方面的第一种可能实施方式，其中，所述系统还包括:取样分光镜，所述光谱功率合成模块与所述取样分光镜耦合，所述取样分光镜的取样输出端与所述光采样器耦合；
[0028]所述光采样器对所述光谱功率合成模块输出的激光光束进行取样，获得所述光谱功率合成模块输出的激光光束中强度属于预定区域的激光光束，将所取样获得的激光光束分别反馈至所述多个光源模块，包括:
[0029]所述取样分光镜将所述光谱功率合成模块输出的激光光束分出一束子激光光束，将所述子激光光束由所述取样输出端输入所述光采样器，其中，所述子激光光束与所述激光光束的参数特性一致；
[0030]所述光采样器对所述子激光光束进行取样，获得所述子激光光束中的强度属于预定区域的部分激光光束，将所取样获得的激光光束反馈至所述多个光源模块。
[0031]结合第二方面或第二方面的第一种可能实施方式，本发明实施例还提供了第二方面的第二种可能实施方式，其中，所述激光光束的强度属于预定区域包括以所述激光光束的中心波长为中心以预设带宽为宽度而划定的所述激光光束的强度最高区域。
[0032]本发明实施例，每个光源模块产生的光源的波长和线宽不同，因此，通过光谱功率合成模块将多个所述光源模块产生的激光光束合成为一个激光光束时，使得不同的波长在空间上分开，其中，合成激光光束的强度最高区域表示各光源模块产生的激光光束重叠度最高的区域，也即对应各光源模块产生的激光光束的中心波长和线宽，通过光采样器用于对所述光谱功率合成模块输出的激光光束进行取样，获得所述光谱功率合成模块输出的激光光束中强度属于预定区域的激光光束，其中，所述强度属于预定区域可以为以中心波长为中心的具有一定线宽的区域。再将所取样获得的激光光束分别反馈至所述多个光源模块，每个所述光源模块用于根据所获得的反馈激光光束调整输出激光光束的波长和线宽，因此，能够改变光源模块的中心波长和线宽，实现光纤激光振荡器的工作状态向改善合成激光光束质量的方向变化并自动锁定。
[0033]现有技术的光谱功率合成系统中，对光栅对的中心波长和线宽精度要求很高，制造困难，且在使用过程中由于温度漂移和震动的影响需要进行实时反馈控制而导致的系统复杂，因此，与现有技术的光谱功率合成系统相比，基于采样反馈的激光光谱功率合成方法，有效避免了光纤布拉格光栅对制作的不一致性易导致光谱失配和激光光束质量劣化的缺陷，有效提高了合成激光光束的质