基于双光栅的光纤激光光谱合成

论文摘要

光纤激光作为新一代的高能激光光源,具有光束质量好、电光转换效率高等显著优点,但单纤输出亮度受到非线性效应、模式不稳定性等因素的限制。功率合成技术是突破单纤功率限制,获得高能激光输出的有效手段。与其他合成方式相比,光谱合成技术具有系统相对简单、易定标放大等特点,可在提高总输出功率的同时保持较高的光束质量,并具有较高的合成效率,是一种高效优质的功率合成技术。光谱合成光源有望在短期内实现高亮度输出,可在国防、工业加工、基础科学研究等多领域得到应用。论文对近年来几何拼接、相干合成、光谱合成等激光光束合成技术途径的进展进行了分析与回顾,从合成子束技术要求、合成光束质量、效率和可定标放大能力等方面做了对比,重点比较了几种不同的光谱合成方案。研究表明,基于双光栅的光纤激光光谱合成方案有较好的发展潜力,在系统鲁棒性和紧凑性方面具有较明显的优势。论文针对现有双光栅光谱合成系统存在的理论和技术问题提出了密集组束、偏振复用型双光栅光谱合成思想,并开展了系统的理论与实验研究。建立了双光栅光谱合成物理模型,系统的研究了子束光谱、光斑尺寸、光栅失配等因素对合成光束质量的影响,为设计和研制实用的高效率、高光束质量、高功率双光栅光谱合成系统提供了理论依据。建立了基于矩阵光学的基模高斯光束在双光栅光谱合成系统内部光学衍射传输理论框架,获得了合成光束质量解析表达式。分析了影响双光栅光谱合成光束质量的主要因素,研究结果表明:在密集组束情形下,子束色散导致合成光束近场扩展的同时还将产生远场扩展;双光栅光谱合成光束质量与光栅的色散能力无关,在合成参数确定的前提下,合成光束质量由子束二阶矩光谱线宽决定。定量分析了双光栅参数失配对合成光束质量的影响,给出了典型的容差范围。对高功率光纤激光输出的高阶线偏振模在双光栅系统中的传输问题进行了角谱理论分析,通过数值计算获得了合成后的光场分布,使计算多尺寸、多模式激光的双光栅光谱合成后的光束质量成为可能。设计并建立了密集组束、偏振复用型双光栅光谱合成验证实验装置,通过一系列实验验证了理论模型的正确性。实现5路基于FBG前端全光纤MOPA结构千瓦级非保偏光纤激光器的光谱合成,输出功率5kW,合成效率91.2%,合成光束质量M2=2.96 X 1.52。在此基础上,将合成通道拓展到20路,实现输出功率20kW,光束质量β=2.29,进一步验证了采用偏振复用、密集组束型双光栅光谱合成技术实现高功率、高效率、高光束质量合成输出的可行性。研究了色散元件耐强光能力、合成效率、窄谱光纤激光器输出能力等影响光谱合成系统定标放大能力的因素,论证了基于双光栅的光纤激光光谱合成输出能力。提出综合利用光谱、偏振、相干等功率合成手段实现超高功率输出的复合式光束合成,可进一步提高光谱合成的输出亮度。分析和归纳现有共孔径合成方案的本质与局限性,提出利用适当规模共孔径相干合成光束作为光谱合成子束的思路,在系统可靠性和技术难度可控的前提下,进一步增加光束合成的通道数。研究了用于共孔径相干合成的衍射光学元件设计方法,提出一种利用分区镀膜实现多光束共孔径相干合成的器件及基于该器件的合成系统构型,可降低多光束共孔径合成器件制备及相位控制的技术难度。通过理论分析结合试验研究,厘清了光纤激光在双光栅光谱合成系统中衍射传输的基本规律,验证了采用偏振复用、密集组束型双光栅光谱合成技术实现高功率、高效率、高光束质量输出的可行性,为实用化光谱合成系统的设计提供参考。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 光束合成的分类及研究进展

1.3 本论文研究内容

第二章双光栅光谱合成理论研究

2.1 双光栅光谱合成理论模型

2.2 基模高斯光束在双光栅光谱合成系统中的传输变换

2.3 双光栅光谱合成光束质量公式

2.4 双光栅光谱合成角谱衍射理论分析

2.4.1 基本假设

2.4.2 光栅滤波函数的导出

2.4.3 双光栅衍射后光场的推导过程

2.5 基于角谱衍射理论的双光栅光谱合成数值模拟

2.5.1 数值模拟条件

2.5.2 入射线偏振模光场

01模光场'> 2.5.3 双光栅衍射后LP₀₁模光场

2.5.4 高阶模式对双光栅光谱合成光束质量的影响

2.6 单光栅光谱合成光束质量

2.7 单光栅与双光栅光谱合成对比分析

2.7.1 提高单光栅光谱合成光束质量的方法

2.7.2 提高双光栅光谱合成光束质量的方法

2.7.3 双光栅光谱合成方案的优势和不足

第三章双光栅光谱合成光束质量影响因素分析

3.1 双光栅结构参数的物理意义

3.2 组束间隔对双光栅光谱合成光束质量的影响

3.3 子束束腰半径对双光栅光谱合成光束质量的影响

3.4 光谱占空比对双光栅光谱合成光束质量的影响

3.5 光栅参数失配对双光栅光谱合成光束质量的影响

3.5.1 光栅周期差异造成的光束质量退化

3.5.2 光栅色散方向角度失配导致的光束质量退化

3.5.3 双光栅刻线不平行导致的光束质量退化

第四章双光栅光谱合成实验

4.1 双光栅光谱合成弱光原理实验

4.2 四路保偏激光双光栅光谱合成实验

4.3 五路偏振复用双光栅光谱合成实验

4.4 二十通道偏振复用双光栅光谱合成实验

4.5 四十通道密集组束型双光栅光谱合成验证实验

第五章双光栅光谱合成可定标放大性分析

5.1 光谱合成效率

5.2 合成通道拓展能力

5.3 光栅负载能力

5.4 窄线宽合成子束输出功率

5.5 小结

第六章复合式光谱合成探索研究

6.1 复合式合成系统构成

6.2 共孔径相干合成器件设计

6.2.1 衍射光学元件

6.2.2 平板合束器

第七章总结和展望

7.1 论文的主要工作

7.2 论文的主要创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

附录A 攻读博士期间学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 颜宏

导师: 张卫,万敏,叶一东

关键词: 光谱合成,相干合成,光纤激光器,光束质量,双光栅

来源: 中国工程物理研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 中国工程物理研究院

基金: 中国工程物理研宄院高能激光重点实验室基金,中物院光纤激光培育专项

分类号: TN24;TN253

DOI: 10.27498/d.cnki.gzgwy.2019.000031

总页数: 101

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