激光相干合成研究现状3

1.光纤激光相干合成技术国内外研究现状从上世纪90年代开始，光纤激光器的出现使得相干合成技术获得了突飞猛进的发展。

光纤激光相干合成一经提出便成为激光研究领域的一个新热点，但是光纤激光相干合成技术才刚刚起步，尚处于实验室探索阶段，没有很多现成的方法和结论可以借鉴，目前国内外多家研究机构都开展了相关研究。

光纤相干合成技术的基本原理就是对许多中等功率的激光器施行一定的相干控制，从而得到高功率的、光束质量接近衍射极限的单模激光输出，它的核心就是要控制激光器的相位，从而使输出光场相干。

相干合成的基本条件是各阵元激光要满足相同的波长且线宽要窄，光束质量好，单模输出，相位一致，偏振方向相同等。

光纤激光相干合成的主要难题是如何使各个子光纤同相位输出，目前已经发展了多种可实现同相位输出的方法和技术。

比较常用的光纤激光相干合成技术按其锁相方式可分为主动式锁相相干合成和被动式锁相相干合成，主动式锁相相干合成主要有自适应锁相、自参考锁相和外差锁相三种结构，被动式锁相相干合成则有外腔相干合成、基于超模耦合的干涉仪合成和倏逝波耦合等多种表现形式，图1-1给出了近十年来光纤激光相干合成主要技术方案的分类总表。

下面介绍几种典型的激光相干合成技术方案，并分析这些方案的优缺点及可扩展性。

1 主动式锁相相干合成主动式锁相相干合成技术是指对各合成阵元的相位进行主动控制，由于要对光纤激光器的相位进行控制，必然会在谐振腔内引入附加的光学原件，因此主动式相干合成一般采用并联主振荡放大结构（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA），主振荡器分束后产生一路参考光和多路信号光，各路信号光路中有相位调制器，再经过功率放大器后进行相干合成。

这种MOPA结构可以适当避开光纤非线性效应以及光纤损伤等棘手问题，通过相位控制来实现功率合成，因此阵元数和功率扩展性都相对较好。

1.1外差锁相相干合成2003年，美国Northrop Grummer Space Technology（NGST）公司开发出外差法控制光纤激光相位的专利技术[1-4]，并将其成功用于MOPA结构的光纤放大器相干合成中。

2003年，利用4个2W的1080nm光纤放大器列阵获得了同相、线偏振的8W连续激光功率[5]。

2004年，使用相位相干和波分复用的方法，对一个锁模主振荡器经过4个光纤放大器进行放大后，再由衍射光栅成功实现锁模脉冲链的相干合成[6]。

2006年，获得了470W的相位相干、线偏振的四单元光纤列阵[7]。

另外，美国麻省理工学院MIT的T.Y.Fan等人也研究了MOPA结构的外差锁相相干合成，2003年，由30％的填充因子得到了50％的主瓣能量[8]。

2004年，测得10W 光纤放大器的相位噪声在0到几kHz之间，故要求伺服系统的带宽最低要在kHz以上[9]。

国内国防科技大学于2006年使用外差锁相技术在国内首次实现了三路1W光纤放大器相干合成，并获得了0.7的远场条纹对比度[10]。

图1-2为NGST公司设计的MOPA结构光纤放大器相干合成结构原理图。

主振荡源分束成一路参考光和四路信号光，信号光路中均有铌酸锂相位调制器(PM)和光纤放大器(AMP)进行功率放大，放大器前端接隔离器(ISO)以保护前级；参考光经过声光移频器(FS)后被频移。

四路信号光准直输出，阵列光束经过分光镜后，一部分与参考光干涉，通过外差法探测干涉信号，可以实时检测到多路光纤放大器的相位变化情况，再实时反馈给信号光路中的铌酸锂相位调制器，实现对光纤放大器相位变化的实时补偿，确保输出的光束相位一致。

主动锁相光纤激光器阵列实验原理图MOPA结构光纤激光相干合成的外差锁相技术，从原理上来说，由于每路信号光电相位探测电路之间是并行处理的，因此可实现阵元数无限制扩展的多阵元光纤激光相干合成。

而利用现有光纤通信中的相位调制器列阵，以及NGST成熟的外差探测专利技术，可实现相位调制器和相位控制电路的列阵集成化，使结构更简洁。

但是由于需要对每路信号光与参考光的干涉信号进行单独采样，每路信号光需单独对应一个独立的光电探测器，故对阵元之间的平行度要求很高，以避免各个探测器接收到相邻信号光路的信号。

此外，阵元之间的平行度会严重影响远场合成条纹分布及主瓣功率，该结构对光路调节和相位控制电路的精度要求都非常高。

随着合成阵元数目的增加和阵元功率的提高，相位控制和光路的稳定性还有待进一步验证。

1.2 自适应锁相相干合成美国加州HRL实验室也一直致力于光纤激光器的相干合成技术研究，他们采用自适应相位控制技术于2000年首次实现了五路光纤放大器的相干合成[11]，2004年，实现了七路1W 光纤放大器的相干合成[12]，图1-8为实验原理图。

其中，七阵元光纤放大器列阵呈六角形排列，自适应相位控制系统的控制带宽为10kHz，由25％的占空比获得了25%的主瓣功率。

HRL将这种近衍射极限、稳定、远场高亮度的光束用于自由空间激光通讯的发射系统[13]，以增加到达接收系统上的信号功率和亮度。

自适应锁相光纤放大器的相干合成实验装置图1.3 自同步和自参考锁相相干合成美国空军实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）的T.M.Shay等人[44-46]在2004年报道了光纤放大器相干合成的自参考锁相技术，称为单探测器电频标记的光相干锁相（Locking of Optical Coherence by Single-detector Electronic-frequency Tagging，LOCSET），有自同步LOCSET和自参考LOCSET两种方法。

2007年，AFRL使用自同步LOCSET锁相技术，由9个12W光纤放大器获得了100W 总功率[14]，相位控制电路的均方根相位误差为λ/20。

2009年又实现了5路大功率光纤放大器锁相输出，总功率达到过725W[215]。

需要指出的是，自同步和自参考LOCSET结构是从电路上将各个阵元隔离开来的，而不是从空间上，因此可获得较高的填充因子，从而将功率更多的集中在主瓣上。

外差探测MOPA结构中，只采用一个射频信号对所有列阵元的信号光进行调制，由于所有光路都需与参考光进行干涉采样探测，因此每路信号光都需要单独的探测器，同时要保证每个探测器不能接收到相邻阵元的光信号，因此对光路调节要求极高。

当光纤之间距离在3mm时，要保证相邻阵元之间不发生干涉，对光路的调节精度就非常苛刻了。

如果参考光路对准稍有偏差，则整个相位控制系统将无法正常工作。

在LOCSET结构中，一个探测器就可实现所有信号光的干涉采样，不需要单独的探测器，各个阵元在近场可以完全重叠，故可以提高填充因子。

这也是MOPA式结构主动锁相光纤放大器相干合成系统中，自参考锁相区别于外差锁相最突出的优点。

自参考锁相相干合成2 被动式锁相相干合成被动式锁相相干合成利用谐振腔的非线性特性以及列阵元之间的相互作用产生同相超模，从而获得自组织的稳定同相相干输出。

按照不同的选模原理，主要有外腔相干合成、干涉仪合成以及倏逝波耦合合成等几种表现形式。

外腔相干合成通过一个复合腔实现各阵元之间的相互注入，获得锁相输出，主要有自成像共振腔、自傅立叶共振腔和光栅外腔三种结构。

干涉仪合成技术使用干涉谐振腔结构，引入选模机理，并将它推广到大于2个阵元的列阵，利用不同光程激光器的自组织特性来保证最低损耗的模式振荡输出，也称为超模耦合。

干涉仪相干合成主要有迈克尔逊型干涉仪、马赫—泽德型干涉仪两种结构。

倏逝波耦合合成是利用熔融光纤耦合器和多芯光纤之间的倏逝波耦合来实现锁相输出。

2.1自成像共振腔自成像共振腔是一种基于远场夫朗和费衍射的耦合谐振腔。

将各阵元激光器耦合进一个共用的自成像共振腔，再经过空间滤波器进行选模和被动锁相，以实现激光的相干合成输出。

在固体激光器已经实现了二维阵列的相位锁定[19]。

利用具有长增益介质、宽增益带宽以及低Q 值谐振腔的光纤激光器系统，美国纽约城市大学的Liping Liu等于2004年将这种自成像共振腔用于光纤激光器的相干合成中[20]，实验结构如图1-16所示，谐振腔由S1平面的全反镜M1和S3面的输出镜M2构成，焦距为f的透镜的作用是使S2面和S3面的光束互为傅立叶变换，这样，光纤输出光束经过谐振腔一次往返后正好产生自己的像。

由该实验装置，3/11的占空比获得了160mW的激光功率，合成效率为92％。

据2007年最新报道，他们已经将这种自成像共振腔用于脉冲调Q掺镱光纤激光器的相干合成，获得了6.67kW的脉冲功率输出[21]。

2005年中科院物理所彭钦军等人采用自成像共振腔对两个掺镱光纤激光器进行了相干合成，获得了2.3W连续激光输出[22]。

上海光机所的楼棋洪等人也开展了自成像共振腔相干合成研究，已经获得了60W掺镱光纤激光相干合成输出[23-25]。

自成像共振腔的相干合成装置图2.2 自傅里叶共振腔基于4F外腔结构[26]，Corcoran提出了自傅里叶变换（Self Fourier,SF）腔[27-29]，它是一种基于远场夫朗和费衍射的耦合反馈腔，如图1-17所示。

它的基本工作原理是，设计光纤激光器的束宽、中心间隔以及输出光束的包络宽度，构造一个强度分布满足自傅里叶函数的光纤激光器列阵。

腔长F/2满足自再现条件b2 =Fλ，透镜对激光束进行空间傅里叶变换后，输出镜将其反射回腔的输入端面，如图1-17所示。

SF腔的输入端面具有选模作用，只对相干光束形成反馈，非相干光损耗很大，因而有很高的模式鉴别能力。

但需要合理选择阵元数，数目太大会降低填充因子，数目减少会带来腔损耗。

Corcoran等人于2005年对七个线偏振的掺镱光纤激光器线阵在SF腔中获得了条纹对比度为0.87、相干度为0.73的远场干涉条纹[30]。

最近，他们已经开始研究大模场光纤[31]以及多芯光纤[32]的SF腔相干合成，都获得了同相基模输出。

自傅里叶共振腔相比于Talbot腔，SF腔最大的特点就是降低了边缘损耗，引入傅里叶透镜后，将每个阵元的反馈都集中在列阵中心处，使输出光束的包络宽度变窄，也极大的降低了列阵边缘的反馈。

这源于两种腔不同的反馈原理，Talbot腔是对其自成像空间分布进行反馈，而SF腔是对出射条纹的远场分布进行反馈。

因此，SF腔具有反馈效率高，腔长短，模式鉴别力高等优点。

2.3光栅外腔合成1993年，Morel等人[33]提出了用相位光栅实现单模光纤激光器的相干合成，实验装置如图1-18所示。

将光栅置于复合腔内，各个阵元激光束以不同角度入射到体光栅后，在一个方向相干输出，输出镜提供反馈，各阵元相互作用实现锁相输出。

他们对三个掺钕光纤激光器获得了70％的耦合效率。