专利名称：多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法
技术领域：
本发明涉及强激光技术领域，特别是多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法。
背景技术：
随着半导体激光技术的快速发展和半导体激光器件性能的大幅提升，全固态激光器取得了显著的发展，并衍生出圆棒激光器、板条激光器、薄片激光器、光纤激光器、热容激光器等不同结构的激光器。由于受稳定性、热效应、激光介质本身特性等因素的限制，单台全固态激光器很难获得百千瓦的激光输出。将多路中等功率激光进行相干合成是一种解决上述瓶颈的有效方法。美国Northrop Grumman公司的研究人员理论分析表明，光纤激光器和板条激光器可以以较为方便的热管理实现百千瓦高功率激光输出。2009年，该公司研究人员以光纤激光作为种子源，利用主动相位控制实现了 7路万瓦级板条激光器相干合成，输出功率达105. 5kW。这是迄今为止全固态激光的最高平均输出功率，在强激光技术领域具有里程碑的意义。但是，传统的相干合成方案大都基于孔径拼接技术，导致远场能量向旁斑分散，降低了合成光束的光束质量和能量集中度。以Northrop Grumman公司105. 5kW合成方案为例，随着合成路数的增加，合成光束主瓣内的功率占总功率的比例越来越少，105. 5kW激光主瓣功率仅占总功率的11%，其亮度与一台12kW单模光纤激光器的亮度并无差异。如何进一步提高合成光束的亮度，是研究者一直探索的问题。同时利用相干合成技术和孔径填充技术，将各路中等功率的激光合成为一束激光输出，是全固态激光器实现高功率和高光束质量的可行途径之一。利用相干合成技术实现百千瓦的技术难点在于单路功率提升、路数扩展、光束质量的改善。板条激光器的输出功率已达万瓦级以上，并且其输出光束特性满足相干合成的需要，因此引起了国内外研究者的广泛关注。但是，目前板条激光器的输出光束有其不足之处，主要体现在(1)由于热效应等因素的影响，单个板条激光器的光束质量有待于进一步改善；(2)合成光束没有进行孔径填充,合成光斑在近场存在一定的占空比，导致远场能量向旁斑分散，因此合成后光束的光束质量需要进一步提升。基于上述因素的考虑，本发明综合单元光束净化技术，设计了一种基于多链路板条固体激光放大器，利用相干控制共孔径偏振合成技术，实现高平均亮度、共孔径激光输出的新颖技术方案。
发明内容
本发明基于主振荡功率放大结构(ΜΟΡΑ),利用单元光束净化系统对放大后各路光束的波前进行净化，利用相干控制共孔径偏振合成技术，避免传统相干合成能量向旁斑分散的问题，实现高平均亮度、共孔径激光输出。本发明的技术解决方案是整个系统包括种子源I、预放模块2、分束器阵列3、相位调制器4、一级放大模块
5、隔离器阵列6、板条放大器模块7、单兀光束净化模块8、合成模块9、合成后光束净化模块10、合成光束处理模块11、光电探测模块12、信号处理模块13。本发明的实现过程如下激光种子源I输出的光通过预放模块2进行放大，然后进入分束器阵列3后分为N束；从分束器阵列3出来的光经过相位调制器4进入一级放大模块5 ;各路光束经过一级放大模块5放大后进入隔离器阵列6，随后注入板条放大器模块7 ;板条放大器模块7对各路光束进行多级放大，使得各路光功率达到所需要求；从板条放大器模块7出来的光束进入单元光束波前净化模块8校正各路激光束由于热效应等因素引起的波前畸变；对每路光束进行净化后进入光束合成模块9将参与合成的光束合成为一束激光输出。合成后的光束经过光束净化模块10进行二次净化以校正温度、合成模块等引起的波前畸变；合成光束经过净化后进过合成光束处理模块11，用于探测输出光的功率、光斑分布、光束质量等；很小部分光经过光电探测模块12将光信号转变为电信号进入信号处理模块13 ;信号处理模块13对光电探测模块12提供的输入信号进行处理，将相位控制信号输送到相位调制器4对每一路光束的相位进行调制，实现整个系统的闭环控制。光电探测模块12、信号处理模块13和 相位调制器4综合作用对各路光束的相位差进行控制，使得整个系统实现高效率的稳定输出。本方法包含单元光束净化技术、锁相技术、共孔径偏振控制技术；本方法放大部分采用板条激光器，前级预放和一级放大部分采用光纤激光器；主动相位控制方法可以是单抖动法或SPGD法；本方法的合成路数可以拓展到多路。所述的激光种子源I为一个窄线宽激光器，可以是光纤激光器或固体激光器；所述的预放模块2对种子源光束进行放大，所用放大器为光纤放大器；所述的分束器阵列3把预放模块2输出的光束分成N束，所用分束器是光纤分束器；所述的相位调制器模块4根据信号处理模块13施加的相位调制信号对各路光束之间的相位差进行控制，所用相位调制器可以是LiNbO3或压电陶瓷相位调制器；隔离器阵列6是法拉第旋光片等隔离器件，防止回光打坏前级器件；板条放大器模块7对各路光束进行放大，其内部是多级放大结构，而且可包含光束整形系统；光在板条放大器中可以是单次放大，也可以是多次反复放大；以上所述系统结构中的种子源I、预放模块2、分束器阵列3、相位调制器4、一级放大模块5、隔离器阵列6、板条放大器模块7均具有偏振保持功能。 单元光束净化模块8对放大后的各路光束进行净化，校正由于热等弓I起的波前畸变；其实现方法与传统的方法相同；其具体实现方式有多种，比如SPGD法，模拟退火算法等；合成模块9利用相干控制共孔径偏振合成原理将各路净化后的光束合成为一束；10为合成后光束净化模块，用于对合成后的光束进行波前优化；经过10后，合成后光束进入合成光束处理模块11用于探测合成光束的功率、光斑分布、光束质量等，很少部分光进入光电探测模块12 ;光电探测模块12将合成后的光强信号转变为电压信号；信号处理模块13将光电探测模块12提供的电压信号经过处理之后转变为相位调制器模块4的控制信号；在Northrop Grumman公司百千瓦强激光系统中，其使用的信号处理算法是多抖动法，我们的设计方案中将使用单频抖动法、SPGD法等优化算法进行锁相控制。在本发明方案中，合成模块9和信号处理模块13是保护的核心内容。本发明包含以下技术效果I、本发明提供了一种实现高功率、高稳定性、高光束质量激光输出的方法；此方法包含三项核心技术单兀光束净化技术、锁相技术、共孔径偏振控制技术；2、本发明提供的主放大部分采用板条激光器，前级预放和一级放大部分采用光纤激光器；3、主动相位控制方法可以是单抖动法、SP⑶法等；4、本方法的合成路数可以拓展到多路。
图I为本发明的系统结构原理示意图，图2为八路板条放大器相干控制共孔径偏振合成示意图，
图3为图2中分束模块内部结构示意图。
具体实施例方式图I中，I是种子源、2为预放模块、3是分束器阵列、4是相位调制器、5是一级放大模块、6是隔离器阵列、7是板条放大器模块、8是单元光束净化模块、9是合成模块、10是合成后光束净化模块、11是合成光束处理模块、12是光电探测模块、13是信号处理模块。图2中，I是种子源、2为预放模块、3是分束器阵列、4是相位调制器、5是一级放大模块、6是隔离器阵列、71是全反镜I、72是板条放大器阵列、81是分束模块I、82是探测与控制模块、83为变形镜I、91是全反镜II、92是半波片、93是偏振合束器、101是分束模块II、102为全反镜III、103为分束模块III、104为信号探测与处理模块、105为变形镜II、111为分束器模块IV、112为全反镜IV、113为功率计、114为光斑分析仪、12为光电探测器、13为信号处理模块。图3中，71是全反镜、73是高反镜。本方法以八路板条激光器实现百千瓦的过程为例说明整个方案的实现过程，整个系统可以扩展到多路。激光种子源I输出的光通过光纤放大器预放模块2进行放大，然后进入I 8分束器阵列3后分为8束；从分束器阵列3出来的光经过相位调制器4进入一级光纤放大模块5 ;各路光束经过一级放大模块5放大后进入隔离器阵列6，随后注入板条放大器阵列72 ;板条放大器中含有光束整形部件，将入射的高斯光束整形为矩形光束；板条放大器阵列72对各路光束进行多级放大；从板条放大器阵列72出来的光束经过全反镜I 71进入打到变形镜83上面，然后进入分束模块I 81 ;分束模块I将一小部分光透射到波前信号探测处理模块82，波前信号探测处理模块82控制变形镜I 83用于校正各路激光束由于热效应等因素引起的波前畸变；通过分束模块I 81的大部分反射光进入偏振合束器93。其中91为全反镜II、92为半波片。一般情况下，如果两束线偏振光之间的相位之间没有关联，当它们通过半波片92旋转在偏振合束器93上合成时，合成后的光束的相位是不定的，因此,合成后的光束是随机椭圆偏振光。此椭圆偏振光在通过下一级偏振合束器时，部分能量将会损失，使得整个系统的拓展受限。如果能将参与合成的两路正交偏振光束的相位差锁定为η π (η为整数)，即合成后的光束为线偏振光，合成后的线偏振光通过半波片调节偏振态，又可以和另一束偏振方向垂直的线偏振光进行合成，从而实现多路光束的共孔径合成输出。通过以上分析可知，合成模块可以将入射的八束光合成为一束输出。在没有锁相时，会有部分能量泄露；在锁相系统建立和实施后，整个系统处于闭环状态，将八路光束利用共孔径偏振控制合成为一束激光输出。合成后的光束经过分束模块II 101后,大部分光经过全反镜III102后注入到变形镜II 105上面，很小部分光经过光电探测模块12将光信号转变为电信号进入信号处理模块13 ;经过变形镜II 105的光束通过分束模块III 103后，一小部分光反馈到信号探测与处理模块104用于控制变形镜II 105，大部分光进入合成光束处理模块11。分束器模块IV 111将大部分合成光束注入到功率计113，很少部分光经过全反镜IV 112进入光斑分析仪114观察光斑分布和光束质量；信号处理模块13对光电探测模块12提供的输入信号进行处理，将相位控制信号输送到相位调制模块4，对每一路光束的相位进 行调制，实现整个系统的闭环控制。光电探测模块12、信号处理模块13和相位调制模块4综合作用对各路光束的相位差进行控制，使得整个系统实现高效率的稳定输出。
权利要求
1.多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法，其特征在于，本方法的实现过程如下 激光种子源(I)输出的光通过预放模块(2)进行放大，然后进入分束器阵列(3)后分为N束；从分束器阵列(3)出来的光经过相位调制器(4)进入一级放大模块(5);各路光束经过一级放大模块(5)放大后进入隔离器阵列￠)，随后注入板条放大器模块(7);板条放大器模块(7)对各路光束进行多级放大，使得各路光功率达到所需要求；从板条放大器模块(7)出来的光束进入单元光束波前净化模块(8)校正各路激光束由于热效应等因素引起的波前畸变；对每路光束进行净化后进入光束合成模块(9)将参与合成的光束合成为一束激光输出；合成后的光束经过光束净化模块(10)进行二次净化以校正温度、合成模块等引起的波前畸变；合成光束经过净化后进过合成光束处理模块(11)，用于探测输出光的功率、光斑分布、光束质量；很小部分光经过光电探测模块(12)将光信号转变为电信号进入信号处理模块(13);信号处理模块(13)对光电探测模块(12)提供的输入信号进行处理，将相位控制信号输送到相位调制器(4)对每一路光束的相位进行调制，实现整个系统的闭环控制；光电探测模块(12)、信号处理模块(13)和相位调制器(4)综合作用对各路光束的相位差进行控制，使得整个系统实现高效率的稳定输出。
2.根据权利要求I所述的多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法，其特征在于，本方法放大部分采用板条激光器，前级预放和一级放大部分采用光纤激光器。
3.根据权利要求I所述的多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法，其特征在于，主动相位控制方法可以是单抖动法或SPGD法。
4.根据权利要求I所述的多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法，其特征在于，本方法的合成路数可拓展到多路。
5.根据权利要求I所述的多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法，其特征在于，所述的激光种子源(I)为一个窄线宽激光器，可以是光纤激光器或固体激光器。
6.根据权利要求I所述的多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法，其特征在于，所述的预放模块(2)对种子源光束进行放大，所用放大器为光纤放大器。
7.根据权利要求I所述的多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法，其特征在于，所述的分束器阵列(3)把预放模块(2)输出的光束分成N束，所用分束器是光纤分束器。
8.根据权利要求I所述的多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法，其特征在于，所述的相位调制器(4)根据信号处理模块(13)施加的相位调制信号对各路光束之间的相位差进行控制，所用相位调制器可以是LiNbO3或压电陶瓷相位调制器；所述隔离器阵列(6)是法拉第旋光片隔离器件，防止回光打坏前级器件；所述板条放大器模块(7)对各路光束进行放大，其内部是多级放大结构，而且可包含光束整形系统；光在板条放大器中可以是单次放大，也可以是多次反复放大。
9.根据权利要求I所述的多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法，其特征在于，所述激光种子源(I)、预放模块(2)、分束器阵列(3)、相位调制器(4)、一级放大模块(5)、隔离器阵列(6)、板条放大器模块(7)均具有偏振保持功能。
全文摘要
本发明涉及一种多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法。该方法基于主振荡功率放大结构 (MOPA), 利用单元光束净化系统对放大后各路光束的波前进行净化，利用相干控制共孔径偏振合成技术，避免传统相干合成能量向旁斑分散的问题，实现高平均亮度、共孔径激光输出。包含单元光束净化技术、锁相技术、共孔径偏振控制技术。合成路数可以拓展到多路。
文档编号H01S5/068GK102801106SQ20121026859
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月30日 优先权日2012年7月30日
发明者刘泽金, 许晓军, 周朴, 马鹏飞, 马阎星, 王小林, 粟荣涛, 吕海斌, 司磊, 陈金宝 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学