光纤激光相干合成与非相干合成的比较

第36卷第2期中国激光Vol. 36, No.22009年2月CHINESE JOURNAL OF LASERSFebruary, 2009文章编号: 0258 7025<2009)02-0276-05光纤激光相干合成与非相干合成的比较周朴刘泽金许晓军(国防科学技术大学光电科学与工程学院，湖南长沙410073)摘要对多路光纤激光输 出光束进行合成是获得高功率,高光束质歇的输出的有效方法。为了比较不同合成方案的远场效果,对聚焦发射的相干合成和非相干合成光束远场分布进行数值计算,从控制相位误差、光束抖动和阵列占空比等三方面对这两种方案的远场特性进行比较研究。计算结果表明，与非相F合成相比,相干合成能够在远场获得更高的能量集中度,但会受到光東抖动和阵列占空比的严重影响。和通常考虑的平行发射相比,聚焦发射体制对相干合成时相位误差的要求宽松了很多,相位误差均方根(RMS)为π/3时,半径为5.6cm的圆桶内汇聚的能量仍大于完全相干合成情形下的90%。关键词光纤光学 ;相干合成;非相干合成;相位误差;光束抖动中图分类号TN248. 1文献标识码Adoi; 10. 3788/CJL20093602.0276Comparative of Coherent Combining and Incoherent Combining ofFiber LasersZhou Pu Liu Zejin Xu XiaojunCollge of Optoelectric Science and Engineering，National University of Defense Technology, \Changsha, Hunan 410073, ChinaAbstract It is an efctive approach to obtain highrpower laser beam output while maintaining good beam quality bycombining muliple fiber lasers. The far-field intensity distribution for coherent combining and incoherent combiningwith conformal focusing transimitting is numerically calculated, and the efct of phase error. beam jitter, and fillfactor is studied in detail to make a contrastive study of coherent and incoherent combining. It is shown that moreenergy will be encircled in the main-lobe by coherent combining. However, the far-field intensity distribution bycoherent combining will be seriously afected by the beam jtter and fill factor of the laser array. And the toleranceon phase error has been improved by using conformal focusing transmitting scheme. For phase error with root- mean-square (RMS) value of π/3, more than 90% energy of the totally coherent combining counterpart will be containedin the target area with radius of 5.6 cm.Key words fiber optics; coherent combining; incoberent combining; phase error; beam jitter1引言使远场光斑的峰值强度提高为单路时的N2倍,获由于掺杂光纤的非线性效应、热损伤等物理机得高亮度的相干光束，近年来成为国内外的研究热制的限制,单根光纤激光的输出功率有限。为了点。目前各国学者提出了多种行之有效的相干合成获得高功率、高光東质量的激光输出,将多个光纤激方案,如MOPA方案"]、自组织相干合成等[6~8]。光器/放大器排布成光纤激光阵列,对其输出光束进相干合成是获得高功率、商光束质量光纤激光行合成是一种有效的方法。光東合成的主要方法可的良好途径,但它对单根光纤激光偏振态、线宽、相以分为三类:相干合成[]、谱合成8和非相干合位起伏等方面的要求较为严格。目前IPG成°。在各路光束单线宽且偏振方向、相位一致的Photonics,SPI等公司已经研制出单根功率超过千理想情形下,对N路光纤激光进行相干合成,可以瓦量级、单模运行的高功率光纤激光器,然而输出光中国煤化工收稿日期:2008-01-15;收到修改稿日期:2008-06-16基金项目:国防科技大学研究生创新基金(B070701)资助项目。MHCNMHG作者简介:周朴(1984- -),男,博士研究生,主要从事激光器及光東合成等方面的研究。E mail:jnck621@163. com导师简介:刘泽金(1963- -),男,教授,博士生导师,主要从事高能激光技术等领域的研究。E mail:zjinliu@ vip. sina, com2期周朴等: 光纤激光相干合成与非相干合成的比较277束的线寬很宽(Q2/入~1%),且偏振方向随机,这将(如100 cm2 ,半径为5.6 cm)桶中功率(PIB).不可避免地降低相干合成的效果。美国部分研究人高功率光纤激光器和放大器近几年内得到了飞员甚至认为,这样宽线宽的高功率光纤激光器不适速发展,适用于相干合成的单模、单频、保偏光纤放合用于相干合成1,并提出了利用多路光纤激光非大器目前达到了500W,通过合理地设计掺杂光纤相干合成的方案。非相干合成既不利用主动或被动有可能达到千瓦级以上",而适用于非相干合成的锁相的方法控制激光器阵元的相位,也不利用光栅单根单模光纤激光器(宽谱线、随机偏振)的功率已等色散元件控制阵元光束的出射方向保持同轴输经达到2.5 kW[12],并且下一步可能突破5 kW甚至出,它对激光器阵元光束的相位、波长、偏振态等没更高明。因此,为了更好地比较相干合成与非相千有任何要求,只是用光束定向器控制每一个阵元光合成在远场的光强分布特性,对于相干合成方案,假束的出射方向,使其在目标靶面上汇聚，获得远场高设光纤激光排布7圈(共169 个),单个功率为强度分布。本文对相干合成和非相干合成远场光强1.5 kW;而对于非相干合成方案,假设光纤激光排分布进行数值计算,从挖制相位误差、光束抖动和阵布4圈(共91个),单个功率为2. 75 kW;两种方案列占空比等三方面对这两种方案的远场特性进行比输出光束的总功率均为250 kW。假设相干合成时单较研究。根光纤放大器出射光束为基模高斯光束,束腰宽度为1cm。根据普通光学知识可知，使用透镜对高斯2参数设置光束进行变换时,透镜的半径a与光東的束腰宽度光纤激光器/放大器阵列呈现如图1(a)所示的w之比a/w>1.5时，至少包含99%的能量田,因此环形结构,阵列中心有一个光纤激光器/放大器,周取相邻光束中心点之间的距离d=3w。同时假设围光纤激光以周期性结构向外排布。由N圈的激非相干情形下出射光束的束腰为相干合成时的光器/放大器组成的阵列共含有L=1+ 3N(N+1)1.4倍,这样能够保证两种激光阵列的几何尺寸大个阵列单元。目前对于相干合成远场的计算大多针小相等,直径均为44 cm.对各路输出光束平行的情形,由于激光的衍射作用在光柬传播的过程中彼此干涉叠加,从而获得高亮3数值计算度的相干光束[9.10]。实际上为了在远场获得更高的由于阵列光束同时以一定的倾角(0,0,)传峰值强度,往往采用如图1(b)所示的发射方式,阵输,激光光学中的基模高斯光束传播方程不再适用，列光束同时聚焦到远场(如10 km处)某一点。对于需要进行坐标变换。如图2所示,激光束沿z轴传能量传输等应用领域,关心的是远场特定面积内的输用坐标系(x,y,z)表示,而以一定倾角(0 ,0 )沿a)r轴传输用坐标系(a,β,y)表示。由线性代数的知识可知,这两个坐标系之间存:在对应关系4900|000。olol(6)-10 km-图1激光器阵列二维分布图(a)和光纤激光阵列聚焦发射示意图(b)中国煤化工)坐标系Fig.1 Schematic diagram of the two dimensional (2D)MHCNMHGfiber laser array (a) and sketch for conformalFig.2 Coordinate systems transform for (工y,z)focusing transiting the fiber laser (b)and (a,j,y)278中国激光36卷(cos 0,sinθ,sinθ.一sin 0,cos0,}{a]!=0cos 0,sin 0,8|，(1)( sinθ, 一sin 0,cos 0.cos 0,cosθ,r)根据普通基模高斯光束的传输规律和(1)式所示的坐标变换关系可得第n束激光在远场的复振幅分布E.(x.,z)= exp[-盛十点]ex[-ix(《+x.)-04].(2)w°(xn)J2△R.其中.[n = cosP.nx + sin 0.nsin 0.xy - sin 0..cos 0BynZ后= cosO.,y + sin 0.%.Xn = sin0.nx- sin 0.,.ncos 0.ny十cos 0.ncos 0..nπ(3)sR, = Zo(xo/Zo + Zo/x.)O4。= arctan(xa/Zo)(w(x.)= wo /1+(x./ZY相干合成光柬在远场的光强分布为I.(xry,z) = [SE.(xry,z)][ EE,(x,y.z)]"，(4)而非相干合成在远场的光强分布为1m(x.y,z) = [EE,(x,y,z)E; (x,y,z)]. .(5)不考虑大气传输时的消光.湍流等效应,图1所的能量,而对于非相干合成仅有32.6 kW。由于光柬示的光纤激光阵列聚焦传输,相干合成和非相干合之间的相干相消作用,主峰以外相当大的面积内没成在10km处的光强分布如图3所示。图3中曲线有光强分布,导致发散角为15~35prad的桶中能量为光强沿y方向的分布,曲线两侧分别为光强的二甚至不及非相干合成的情形。维分布。1.0F9...0厂coherent combining0.7..3.0 tincoherent combining0.6..2.5-0.5 rf0.42.0 t吉0.3置1.0f0.10.5 t05101520253035404500-50-30~ -10 13(50θ/urad0/urad图4相干合成与非相干合成远场光强分布的图310km处光强分布PIB曲线Fig. 3 Intensitydistribution profile for coherentFig.4 Power in the bucket ( PIB) curve of far-fieldcombining and incoherent combining at theoptical intensity distribution for coherentdistance of 10 kmcombining and incoherent combining图3所示的相干合成与非相干合成远场光强分3.1相位误差 的影响布的桶中功率曲线如图4所示。图3,图4表明,相一般而言,相干合成要求严格控制各路光束的干合成远场光束能量呈现典型的非高斯分布特征,相位对干各路光由彼此相互平行的发射情形,为了中央有一个主峰,周围有很多旁瓣,大部分能量高度保证中国煤化工路光東之间的相集中在发散角为2pμrad的圆桶内。相干合成远场光位误|YHCN M H G旧。假设各路光斑的峰值强度远大于非相干合成的情形。在远场半束的相位为q,并服从qo~ N(0,a2 )正态分布,此时径为5. 6 cm的圆桶内,相干合成可以汇聚150.2 kW相干合成远场光强分布可计算为2期周朴等:光纤激光相干合成与非相干合成的比较279I.m(x.y,z) =[EE,(xry,z) Xexp(iXq.)]X.0F.9.8[EE,(x.y,z) Xexp(iXq.)]"，.7..(6).5 t.4-. Ccoherent Case Utterl H而非相干合成由于对相位一致性没有要求,远场光.31.. coherent case, jtter. 2 urad强分布不受相位误差的影响。0.2-- incoherent case, jtter.0 μrad根据(6)式计算得到相干合成远场光强分布的.1"(a) coherent combiningPIB曲线与相位误差的关系如图5所示。相位误差010。_2030405060均方根为π/3时,半径为5.6cm的圆桶内汇聚的能.9 t-.8.量仍大于完全相干合成情形下的90%。图5表明，.7-聚焦发射体制与平行发射相比,对相位误差的要求6-.5-寬松了很多。.4.。 incoherent case, jtter.0 ura.3 tincoherent case, jter. 4 urad0..2 t. incoherent case, jtter. 10 urad或0.).1 t(b) incoherent combining10.71020304050 60θAurad5 0.一σ =0图6远场光强分布的PIB曲线与抖动误差的关系Fig. 6 PIB dependence on beam jtter.--0=21元/3方根为2prad的光束抖动基本不会造成远场光强分布的改变。0510152025303540455055θ /urad3.3占空 比的影响在计算中,取相邻光束中心点之间的距离d=图5相干合成远场光强分布的PIB曲线与相位误差的关系3w,即激光阵列紧密排列，各路发射望远镜之间没Fig.5 PIB dependence on phase error for有间隙。这在工程实际中几乎不可能做到。对于各coherent combining路光束彼此相互平行的发射情形,研究表明当相邻3.2光束抖动的影响光束间距加大时,相干合成的效果将急剧变差19.16]。在实际发射系统中,光柬的抖动是不可避免的，为了研究描述的聚焦发射情形光束间距对远场光强特别是在光学跟踪瞄准系统中,由于跟踪残余误差分布的影响,定义占空比t=(d- 2w)/w,t 越大,相带来的跟踪抖动将会使传输光束发生漂移及扩展,邻光束间距也就越大。数值计算得到的远场光强分这会对众多激光工程应用产生严重的影响17~19]。布的PIB曲线与不同占空比的关系如图7所示。对于相干合成和非相千合成的情形,光束抖动也毫1.0 I无例外地将影响远场的能量分布。此时各路光柬的0.9 t倾角变为(0.+80.,0+80.),其中δ0.和δ0为抖动误差，服从δ0. ~N(0,a2 ),80 ~N(0,o2 )的正态).7 t.6-分布。利用(4),(5)式计算相干合成与非相干合成的光强分布PIB曲线与抖动误差均方根σ的关系4二- Conerent Case.isis如图6所示。为了便于对比分析,在图6(a)中同时.2coherentcrase.!, for all绘制了相干合成与非相干合成时的PIB曲线。由0.1|.0L图6(a)可以看出,相干合成远场能量分布受到了光120 304050 60θ/urad束抖动的严重影响。均方根为2 μrad的光束抖动使得5.6 cm的圆桶内汇聚的能量降低了一半。随着中国煤化工光强分布的.抖动误差的增大,相千合成的远场光强分布逐渐演YHC NMH G系化至非相干合成时的情形;而由图6(b)可以看出，Fig.7 PIB dependence on fill factor for coherentcombining and incoherent combining非相干合成所受的光束抖动的影响就要小得多,均80中国激光36卷随着占空比的增大.相干合成远场光强分布发30(11);1339~ 1341Bing He. Qihong Lou. Jun Zhou a al.. 113-W in-phase mode生了显著的变化,5.6cm的圆桶内汇聚的能量急剧output from two ytterbium-doped large-coredouble- cadding减少。而对于非相干合成的情形,远场光强分布不fiber lasers [J]. Chin. Opl. Lelt.. 2007. 5(7):412~4148 He Bing, lou Qihong, Zhou Jun a al.. Phase-locking and high受占空比的影响。coherent power output of two fiber lasers [J]. Chinese J.lasers. 2006, 33(9);1153~1158何兵、楼棋洪,周军等。 两个光纤激光器的相位锁定及高4结论相干功半输出[J].中国激光，2006, 33(9);1153~ 1158从控制相位误差、光東抖动和阵列占空比等三9 Sun Ling, Zhao Hong. Yang Wenshi a al.. Study on coherentcombination theory of muli-beam laser [J]. Laser &. Infrared.方面对相干合成和非相干合成光束的远场特性进行2007, 37(2)111~113比较研究。计算结果表明,与非相干合成相比,相干孙玲,赵鸿.杨文是等多光束激光相干合戚技术研究[].激光与红外，2007, 372)111~113合成能够在远场获得更高的能量集中度。但相干合10 D.C, Jones. A. M. Scott, s, Clark at al.. Beam steering of a成的效果会受到光束抖动和阵列占空比的严重影fiber bundle laxer output using phased array tecniques [C].SPIE.2004, 5335.125~131响。随着光束抖动误差角的增大,相干合成光束的1 Stuart Gray. Anping Liu, Donnell T. Waltone al.. 502 Watt,远场光强分布逐渐演化至非相干合成时的情形。随single transverse mode, narrow linewidth， bidirectinallypumped Yb doped fiber amplifier [J]. Opt. Erpress, 2007. 15着占空比的增大,相干合成远场光强分布发生了显(25):17044~17050著的变化,5.6 cm的圆桶内汇聚的能量急剧减少;2 Fiber lasers: the next generation [ OL ]， http:// www.cleoconference. org/ materials/ payne. pdf,相比之下,非相干合成所受的光束抖动的影响就要3 http://www. ipgphotonics. com [OL]小得多,并且不受占空比的影响。还通过数值计算14 Pan Duwu. Jia Yurun, Chen Shanhua. Optices [M]. Shanghai;Fudan University Press, 1997. 326得出,和通常考虑的平行发射相比,聚焦发射体制对潘笃武,贾玉润,陈善华、光学[M].上海:复旦大学出版社，相干合成时相位误差的要求宽松了很多，相位误差1997. 3265 C. D. Nabors. Efects of phased errors on coherent emitter均方根为π/3时,半径为5.6cm的圆桶内汇聚的能arrays [U]. Appl. Opl.●1994. 33(2) :2284~2289量仍大于完全相干合成情形下的90%。16 Yongzhong li. Liejia Qian, Daquan Luet al.. Coherent andincoherent combining of fiber array with hexagonal ringdistribution [J]. Optics &. Laser Technology, 2007, 39;957~参考文献631 Almantas Galvanauskas. High power fiber lasers [J]. Optics &17 Huang Yinbo. Wang Yingjian. 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