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光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展

王汉斌 杨依枫 袁志军 咸昱桥 刘美忠 邬文杰 李炳霖 何兵 周军

王汉斌, 杨依枫, 袁志军, 等. 光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 121002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200240
引用本文: 王汉斌, 杨依枫, 袁志军, 等. 光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 121002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200240
Wang Hanbin, Yang Yifeng, Yuan Zhijun, et al. Research progress on fiber laser spectral beam combining system and grating thermal analysis[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 121002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200240
Citation: Wang Hanbin, Yang Yifeng, Yuan Zhijun, et al. Research progress on fiber laser spectral beam combining system and grating thermal analysis[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 121002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200240

光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202032.200240
基金项目: 广东省重点领域研究开发计划项目(2018B090904001);国家重点研发计划项目(2018YFB0504500);国家自然科学基金项目(61735007,61805261,61705243);上海市优秀技术带头人计划项目(17XD1424800);上海市自然科学基金项目(16ZR1440100,16ZR1440200)
详细信息
    作者简介:

    王汉斌(1994—),男,博士研究生,主要从事光纤激光光谱合束技术与光栅性能分析方面的研究;hanbin_wang@foxmail.com

    通讯作者:

    何 兵(1975—),男,博士,研究员,博士生导师,主要从事高功率光纤激光和光谱合束方面的研究;bryanho@mail.siom.ac.cn

    周 军(1972—),男,博士,研究员,博士生导师,主要从事高功率光纤激光和光谱合束方面的研究;junzhousd@siom.ac.cn

  • 中图分类号: O532

Research progress on fiber laser spectral beam combining system and grating thermal analysis

  • 摘要: 受热效应、光学损伤与非线性效应等因素的限制,单纤的功率提高困难。因此通过光学元件将多束激光进行合束的光束合成技术应运而生。光谱合束方案具有结构简单,合束光束质量好等优点,逐渐成为了合束技术发展的主流。简要介绍了光纤激光光谱合束的几种常见合束方案,对比分析了几种合束技术的优缺点。对光谱合束中存在的光栅热畸变问题,从理论研究和实验研究两个方面进行了针对性的分析与讨论,并对光谱合束未来的发展趋势进行了展望。
  • 图  1  基于双色片的光谱合束系统原理示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of dielectric mirrors spectral beam combining

    图  2  基于干涉滤光片的光谱合束结构示意图及干涉滤光片透射谱

    Figure  2.  Schematic diagram of interferometric-filter-based spectral beam combining and transmission spectrum

    图  3  基于边缘滤波器的光谱合束方案的实验配置

    Figure  3.  Experimental configuration of filter-based SBC scheme

    图  4  光谱合束系统中使用的边缘滤波器的结构及在不同的表面粗糙度下边缘滤波器的反射率曲线

    Figure  4.  Structure of the edge filter used in the SBC system and the reflectance curves of the edge filter under different surface roughness

    图  5  热透镜被动补偿方案的实验装置。

    Figure  5.  Experimental setup of passive compensation scheme for thermal lens

    图  6  组合光束质量优化前后值,插图是在不同功率下焦平面中的光束轮廓

    Figure  6.  The M2 values of the optimized combined beam quality, the insets are the transversal beam profile in focal plane under different power

    图  7  体布拉格光栅衍射谱及基于体布拉格光栅的光谱合束原理示意图

    Figure  7.  Diffraction spectral of VBG and schematic diagram of reflective-VBG-based spectral beam combining

    图  8  5路VBG光谱合束结构示意图

    Figure  8.  Schematic diagram of 5-channel VBG-based spectral beam combining

    图  9  四路激光基于VBG的光谱合束实验示意图

    Figure  9.  The 4-channel VBG-SBC system

    图  10  合束光束的光谱图及光栅衍射效率曲线图

    Figure  10.  The measured spectrum of the combined beam and the efficiency curve

    图  11  基于透射式和反射式衍射光栅的光谱合束原理示意图

    Figure  11.  Schematic diagram of transmission-grating and reflective-grating spectral beam combining

    图  12  金属介质衍射光栅结构示意图

    Figure  12.  Schematic of the mixed metal dielectric reflective grating

    图  13  多层电介质衍射光栅结构示意图

    Figure  13.  Schematic diagram of MLD diffraction grating

    图  14  外腔光纤激光光谱合束结构示意图

    Figure  14.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in an external cavity

    图  15  外腔光谱合束系统实验结构示意图

    Figure  15.  Experimental setup schematic diagram of spectrum beam combining system by external-cavity oscillator

    图  16  (a)子光束以及合束光束的光束质量;(b)五路激光合束后输出激光光谱图

    Figure  16.  (a) Beam quality of laser units and output light after combination; (b) Spectrum after beam combination of five MOPA channels

    图  17  Aculight公司光纤激光光谱合束示意图

    Figure  17.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in Aculight corporation

    图  18  耶拿大学光纤激光光谱合束示意图

    Figure  18.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in University Jena

    图  19  反射衍射光栅及其在1064 nm处测得的衍射效率

    Figure  19.  Reflective diffraction grating and measured efficiency at 1064 nm

    图  20  中国工程物理研究院光纤激光光谱合束示意图

    Figure  20.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in China Academy of Engineering Physics

    图  21  中国科学院上海光学精密机械研究所光纤激光光谱合束示意图

    Figure  21.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in SIOM

    图  22  反射式MLD衍射光栅及其衍射效率

    Figure  22.  MLD reflective diffraction grating and measured efficiency of both TE and TM polarization

    图  23  中国航天科技集团光纤激光光谱合束示意图

    Figure  23.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in CASC

    图  24  合束光束光谱图

    Figure  24.  Spectrum of the six-channel combined beam

    图  25  Aculight公司光纤激光光谱合束示意图

    Figure  25.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in Aculight corporation

    图  26  反射式多层电介质衍射光栅图

    Figure  26.  MLD reflective diffraction grating

    图  27  SBC输出光束的频谱图

    Figure  27.  Spectrum of the SBC output beam showing

    图  28  100 kW激光辐照下光栅温度分布

    Figure  28.  Simulated temperature distribution used for SBC of 100 kW optical power

    图  29  光栅内部的光程差随热变形的变化图

    Figure  29.  Optical path difference inside the grating with thermal deformation

    图  30  不同辐照功率密度,合成光束和单光束的光束强度分布。其中,图中心的光斑代表组合光束的强度分布,图右上角的光斑显示单光束的强度分布

    Figure  30.  Intensity distribution of the combined beams and that of a single emitter for different power densities,where the spots on the centers of the figures represent the intensity of the combined beams,and the spots on the upper right corners of the figures show the intensity of the beams from a single emitter

    图  31  光栅热畸变模型

    Figure  31.  MLD grating models with thermal deformation

    图  32  基板、薄膜和光栅浮雕的近场相位调制和远场强度分布。I/I0是归一化强度(波长为1064 nm)

    Figure  32.  Near-field phase modulation and far-field intensity distribution of A,B,and C,where A contains deformations of substrate,films,and grating reliefs,B contains substrate deformation only,and C is the circumstance without thermal deformation. II0 is the normalization intensity (λ=1064 nm)

    图  33  多层电介质膜光栅激光辐照升温机制

    Figure  33.  Schematic diagram of the laser irradiation MLD grating temperature rise mechanism

    图  34  光栅承受10.05 kW激光辐照30 s时前表面温度分布情况

    Figure  34.  Temperature distribution of 10.05 kW irradiation on the MLD grating front surface measured by the infrared thermal imager

    图  35  (a)不同功率激光辐照时光栅上表面最高温度实验与模拟结果对比图;(b)不同功率激光辐照时光栅背面实验与模拟的温度升温曲线图

    Figure  35.  (a) Simulation and experimental maximum MLD grating front surface temperature under different laser irradiation powers. (b) Maximum MLD grating back surface temperature as a function of the time and corresponding curves for different irradiation powers

    图  36  光栅热畸变实验装置示意图

    Figure  36.  Schematic of the configuration used for the MLD grating surface distortion measurement

    图  37  高功率激光辐照下的干涉条纹图像

    Figure  37.  Interference fringes under high power fiber laser irradiation

    图  38  光栅表面形变拟合结果

    Figure  38.  Fitting results of surface deformation of grating

    图  39  干涉仪测量结果

    Figure  39.  Effect of grating heating is measured with an interferometer

    图  40  (a)多层介质膜光栅测试装置示意图;(b)激光辐照前后光栅干涉条纹图样对比图

    Figure  40.  (a) Test setup for measuring distortion of the multi-layer dielectric grating under high brightness optical loads. (b) Interferograms for the grating with and without a 1.5 kW/cm2 peak irradiance,70 W average power optical load

    图  41  实验所用光栅及承受激光辐照1000 s时表面畸变情况

    Figure  41.  MLD grating and expansion distribution after 1000 s laser irradiation

    图  42  光栅热变形实验示意图

    Figure  42.  Experimental schematic for MLD grating thermal deformation detection.

    图  43  远场光斑强度分布

    Figure  43.  Far-field beams of probe laser captured by CCD

    图  44  激光光束质量随辐照激光功率变化图

    Figure  44.  Beam quality factor of the laser versus the power density

    图  45  光栅衍射特性监测装置

    Figure  45.  Experimental setup of grating diffraction characteristic

    图  46  (a)光栅表面温度与光束质量随功率密度的变化图;(b)束腰直径与远场发散角随功率密度的变化

    Figure  46.  (a) Temperature on grating surface and M2 versus the irradiation laser power density; (b) Waist diameter and far field divergence angle versus the irradiation laser power density

    表  1  组合光束质量变化

    Table  1.   Beam quality M2-Factors of the combined beams

    power density/(kW·cm−2M2
    0 1.00
    0.5 1.41
    1 2.30
    1.5 3.35
    2 4.42
    3 6.48
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-17
  • 修回日期:  2020-10-22
  • 网络出版日期:  2020-11-02
  • 刊出日期:  2020-11-19

光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202032.200240
    基金项目:  广东省重点领域研究开发计划项目(2018B090904001);国家重点研发计划项目(2018YFB0504500);国家自然科学基金项目(61735007,61805261,61705243);上海市优秀技术带头人计划项目(17XD1424800);上海市自然科学基金项目(16ZR1440100,16ZR1440200)
    作者简介:

    王汉斌(1994—),男,博士研究生,主要从事光纤激光光谱合束技术与光栅性能分析方面的研究;hanbin_wang@foxmail.com

    通讯作者: 何 兵(1975—),男,博士,研究员,博士生导师,主要从事高功率光纤激光和光谱合束方面的研究;bryanho@mail.siom.ac.cn周 军(1972—),男,博士,研究员,博士生导师,主要从事高功率光纤激光和光谱合束方面的研究;junzhousd@siom.ac.cn
  • 中图分类号: O532

摘要: 受热效应、光学损伤与非线性效应等因素的限制,单纤的功率提高困难。因此通过光学元件将多束激光进行合束的光束合成技术应运而生。光谱合束方案具有结构简单,合束光束质量好等优点,逐渐成为了合束技术发展的主流。简要介绍了光纤激光光谱合束的几种常见合束方案,对比分析了几种合束技术的优缺点。对光谱合束中存在的光栅热畸变问题,从理论研究和实验研究两个方面进行了针对性的分析与讨论,并对光谱合束未来的发展趋势进行了展望。

English Abstract

王汉斌, 杨依枫, 袁志军, 等. 光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 121002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200240
引用本文: 王汉斌, 杨依枫, 袁志军, 等. 光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 121002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200240
Wang Hanbin, Yang Yifeng, Yuan Zhijun, et al. Research progress on fiber laser spectral beam combining system and grating thermal analysis[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 121002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200240
Citation: Wang Hanbin, Yang Yifeng, Yuan Zhijun, et al. Research progress on fiber laser spectral beam combining system and grating thermal analysis[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 121002. doi: 10.11884/HPLPB202032.200240
  • 光纤激光器由于其紧凑的结构,高转换效率和良好的光束质量而成为目前的最广泛使用的激光器之一,它已在医学、通信、雷达、传感、工业加工和科学研究等领域获得了广泛的应用[1-3]。高功率光纤激光器的研究在近十年有了飞速的发展,输出功率不断提高,但由于热效应、光学损伤、泵浦限制与非线性效应等因素的影响[4-8],单根光纤的功率提升受限,因此将多光束进行合成来提高输出激光功率的合束技术应运而生。高功率激光合束技术分为相干合束与光谱合束两种[9-19],相干合束需要对子光束的相位进行锁相控制,精确控制每一束光束的输出相位,难度较大。光谱合束相比于相干合束更加利于实现激光稳定输出,其对子光束的相位没有要求,光路结构简单,输出光束能量集中度高,没有远场旁瓣。光谱合束通过衍射光栅将具有不同波长的子光束衍射至同一孔径出射,实现多光束的共孔径输出。光谱合束技术近期发展十分迅猛,但作为合束关键器件的衍射光栅,随着合束功率的提高,将不可避免的将出现热畸变,影响合束光束的传播特性与光束质量。近年来光谱合束技术与光栅热效应研究已成为激光技术领域的研究热点,国内外多家研究机构均对此进行了深入研究。本文着重介绍光谱合束技术的发展历程与最新进展,对目前较为主流的光谱合束方案的光学系统结构、合束光源要求以及方案自身的优缺点进行对比分析,同时对作为合束关键器件的衍射光栅热效应的研究现状及其对光谱合束的影响进行了介绍,最后在以上两点的基础上,展望了光谱合束的发展方向。

    • 光谱合束可以看做是反向运用了色散过程,利用色散元件,将不同角度入射到色散元件的不同波长的光束实现同角度与共孔径的输出。根据合束系统中使用的色散元件的不同,可以分为基于棱镜的光谱合束技术、基于双色片的光谱合束技术、基于边缘滤波器的光谱合束技术、基于体布拉格光栅的光谱合束技术和基于衍射光栅的光谱合束技术。

      棱镜是一种十分常见的色散元件,包含不同波长的复合光束在入射棱镜后,不同波长的折射角不同,通过调整不同波长光束入射棱镜的入射角,能够使得各路子光束以相同的折射角从棱镜出射,以此实现多波长光束的共孔径输出。该技术方案多见于专利[20-22],由于棱镜本身的色散能力所限,无法对nm量级波长间隔的激光进行合束,路数拓展能力有限,无法实现大规模阵列合束,目前并非研究热点。采用不同的色散元件的合束方案,结构多种多样,对子光束的要求不同,下面将对目前主流的几种合束方案及研究现状进行详细的介绍。

    • 基于双色片的光谱合束技术是通过镜片膜层对不同波长激光的反射、透射比例不同而实现的一种技术方案,原理示意图如图1所示,双色片特殊的波长选择特性可以使得某一个波长带宽内的激光以较高的透射率透射,同时对另一个波长带宽内的激光高效率反射。基于此原理,通过将多个特殊镀膜设计的双色片进行级联,即可实现多光束合束。

      图  1  基于双色片的光谱合束系统原理示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of dielectric mirrors spectral beam combining

      干涉滤光片是双色片的一种,2009年,O. Schmidt等人通过使用干涉滤光片实现了四路脉冲光纤激光合束[23],合束系统示意图如图2(a)所示,所使用的干涉滤光片具有100 mJ/cm2的损伤阈值,最终合成效率达到90%,实现了平均功率为208 W的光束合束,最大脉冲能量为6.3 mJ。图2(b)为该研究中所使用的一种典型的干涉滤光片的透射谱。该滤光片在1064 nm附近具有3 nm左右的透射带,透射率达到95%左右,但在1060 nm与1080 nm附近的透射率几乎为0。2019年K. Ludewigt等人采用双色片方案实现了3路光束的合束,最终合束功率达到5.9 kW,合束光束质量M2为1.9[24]

      图  2  基于干涉滤光片的光谱合束结构示意图及干涉滤光片透射谱

      Figure 2.  Schematic diagram of interferometric-filter-based spectral beam combining and transmission spectrum

      通过上面的介绍我们可以看出,双色片对子光束的线宽要求很低,理论上可以容纳nm量级波长间隔的光束参加合束。但该方案的限制是若要实现大阵列规模的光束合束,对双色片的镀膜要求十分高,这是由于在有限的激光带宽内要容纳尽可能多的光束,子光束的波长间隔势必要尽可能缩小,也就要求双色片的透射谱边缘要尽可能的陡峭,在nm量级变化内实现由高透射向零透射的突变。

    • 边缘滤波器的透射谱与干涉滤光片类似,但不同的是,其透射率突变位置仅有一处,放宽了对合束激光器波长范围的要求。2017年,南京理工大学利用两台5 kW激光器,通过基于边缘滤波器的光谱合束方案实现了10 kW的合束,实验架构如图3所示,两束激光的波长分别为1070 nm与1090 nm,通过一块如图4所示的边缘滤波器进行合束。最终合束效率为98.9%,合束光束的光束质量为Mx2=11.4,My2=10.4。

      图  3  基于边缘滤波器的光谱合束方案的实验配置

      Figure 3.  Experimental configuration of filter-based SBC scheme

      图  4  光谱合束系统中使用的边缘滤波器的结构及在不同的表面粗糙度下边缘滤波器的反射率曲线

      Figure 4.  Structure of the edge filter used in the SBC system and the reflectance curves of the edge filter under different surface roughness

      该团队随后对合束过程中的光束质量劣化原因进行了模拟分析,认为是由于热引起的边缘滤波器折射率变化,并提出了一种对边缘滤波器合束过程中的热致折射率变化补偿的方案,通过如图5所示的实验架构,在光路中加入一种由负热光系数材料制成的元件。对边缘滤波器由于热畸变而带来的折射率变化进行了补偿,对合束光束质量的改善效果良好,如图6所示,光束M2从16改善到了10[25-27]

      图  5  热透镜被动补偿方案的实验装置。

      Figure 5.  Experimental setup of passive compensation scheme for thermal lens

      图  6  组合光束质量优化前后值,插图是在不同功率下焦平面中的光束轮廓

      Figure 6.  The M2 values of the optimized combined beam quality, the insets are the transversal beam profile in focal plane under different power

      通过上面的介绍我们可以看出,在实际的研究过程中,由于在激光透射双色片及边缘滤波器过程中,衍射元件会长时间承受高功率激光的辐照,不可避免的会造成温度上升,从而造成元件的热畸变,对合束光束质量存在较大的影响,虽然使用了折射率补偿元件对热畸变造成的影响进行了一定程度的补偿,但光束质量依然不理想。

    • 体布拉格光栅(VBG)是由光热敏折变玻璃(PTR)制作的新型衍射元件。具有很高的光谱分辨能力,基本原理为当入射光的波长为λB时,衍射效率接近100%,对于波长为λB±Δλ的光束,则透射过体布拉格光栅。图7(a)所示为一种典型的VBG的衍射谱,图7(b)是基于VBG的光谱合束原理示意图[28]。合理设计VBG的中心波长,通过多个VBG级联,可实现多光束合成。

      图  7  体布拉格光栅衍射谱及基于体布拉格光栅的光谱合束原理示意图

      Figure 7.  Diffraction spectral of VBG and schematic diagram of reflective-VBG-based spectral beam combining

      自2003年起,美国的I. V. Ciapurin等人报道了一系列基于VBG的光谱合束研究[29-30],于2008年采用如图8所示的实验结构,将4块VBG进行了级联,实现了773 W的光束合成,将5路激光进行了合束,合束效率93%以上,合束光束的光束质量M2=1.11。2015年,中国工程物理研究院使用透射式VBG实现了两路激光合束,总的合束效率为73.7%,合束功率达到856 W,但合束光束质量仅为Mx2=7.9,My2=2.7[31]。随后,他们使用透射式VBG合成的方案实现了两路激光的合成,输出功率为2.5 kW,光束质量改善到Mx2=4.21,My2=2.83[32],该团队其后继续使用反射式VBG的方案进行了4路光纤激光的合束,实验结构如图9所示,合束效率为94.7%,实现了720 W的光束输出,光束质量M2≈1.54[33],合束光束的光谱图如图10(a)所示,实验中所使用的VBG的衍射谱如图10(b)所示。

      图  8  5路VBG光谱合束结构示意图

      Figure 8.  Schematic diagram of 5-channel VBG-based spectral beam combining

      图  9  四路激光基于VBG的光谱合束实验示意图

      Figure 9.  The 4-channel VBG-SBC system

      图  10  合束光束的光谱图及光栅衍射效率曲线图

      Figure 10.  The measured spectrum of the combined beam and the efficiency curve

      目前,基于VBG的光谱合束方案难以同时达到高输出功率与高光束质量的合束结果,原因是VBG作为合束的主要器件,由于制备材料为PTR玻璃,这种材料在合束过程中承受高功率激光辐照时,温度的升高会导致VBG原本的折射率发生变化,改变了原本的布拉格条件,使得光束的衍射、透射效率发生改变。因此在实际的工程化应用中需要考虑光源波长的热调谐、多个VBG级联应用时的效率提高等问题[34-36],距离大阵列规模的合束还具有一定的距离。

    • 光谱合束也可通过使用衍射光栅作为合束元件,将不同波长的激光衍射至同孔径,同角度出射。衍射光栅根据衍射光的传播方向,又分为如图11(a)所示的透射式光栅和图11(b)所示的反射式光栅两种。基本原理两者相同:不同波长的光束以其对应的角度入射到光栅的同一位置,最终将以相同的衍射角出射,形成不同波长激光的共孔径输出,实现合束。

      图  11  基于透射式和反射式衍射光栅的光谱合束原理示意图

      Figure 11.  Schematic diagram of transmission-grating and reflective-grating spectral beam combining

      目前主流方案较为常用的为反射式光栅,光栅方程为

      $$d({{\sin}}\theta + {{\sin}}\varphi )=m\lambda $$ (1)

      式中:θφ分别为激光入射角与衍射角;d为光栅常数;m为衍射级次;λ为入射激光波长。我们能够发现,当入射角与衍射角度相同时,光栅方程变化为

      $$2d{{\sin}} \theta =m\lambda $$ (2)

      此时的角度为特定波长λ对应的Littrow角,波长为λ的激光入射光栅时,衍射光将沿原路返回。不同波长的光以接近各自Littrow的角度入射光栅,则衍射光束可实现共孔径同一角度出射,这是反射式衍射光栅可用于光谱合束的原因。

      关于光栅介质层材料,我国早期的光谱合束方案中普遍使用如图12所示的金属或金属介质光栅[37-39],金属介质层材料多使用银、金等材料,但在使用过程中发现金属光栅及金属介质光栅对激光有着更高的吸收系数,高功率激光辐照下更容易产生热畸变,后逐渐被多层电介质光栅所取代。

      图  12  金属介质衍射光栅结构示意图

      Figure 12.  Schematic of the mixed metal dielectric reflective grating

      多层电介质光栅的基本结构如图13所示[40],主要由基底、高反射率膜系和周期性浮雕结构组成,图中D为光栅周期,f为光栅展宽比,tg1为顶层光栅厚度,tg2为底层光栅厚度,tr为匹配层厚度,θg为光栅底角,H代表膜系中高折射率材料层(HfO2),L代表膜系中低折射率材料层(SiO2)。

      图  13  多层电介质衍射光栅结构示意图

      Figure 13.  Schematic diagram of MLD diffraction grating

      电介质材料的本征吸收系数很小,具有较高的损伤阈值,适合在高功率激光辐照条件下使用。目前多层电介质衍射光栅已成为了光谱合束的核心器件,从实现结构上分为以下三种方案:外腔式光谱合束方案、基于光束拼接的光谱合束方案,以及基于光束密集复用的紧凑式光谱合束方案。接下来我们将详细的介绍这几种技术方案的研究现状。

    • 对于外腔式光谱合束的研究起步很早,1999年,美国麻省理工学院的C. C. Cook与T. Y. Fan两人对外腔式光谱合束方案进行了初步的研究[41],实验结构图如图14所示,采用了一块刻线密度为1200 l/mm的金属光栅,激光阵列的输出平面与光栅分别位于光路中透镜的物方与像方焦平面处,透镜对光纤输出的激光进行准直,入射至光栅上,后光栅出射的衍射光被一个反射率20%的部分发射镜反射,由光路可逆原理,反射光将按原路返回,重新入射耦合进光纤中,形成外腔型的光纤激光器,最终实现了两路波长分别为1087 nm和1120 nm的光谱合束。同时在5 mm的范围内实现了50 nm的波长调谐,证明了该结构可应用于大规模光纤激光光谱合束的可行性。

      图  14  外腔光纤激光光谱合束结构示意图

      Figure 14.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in an external cavity

      2002年,美国海军实验室的Bochove等人对这种外腔式的光谱合束方案进行了较为详细的仿真计算分析,通过衍射积分的计算方法,分别计算了光纤排布、指向偏差对最终合束光束的合成效率、合成带宽及光束质量产生的影响,并对透镜如球面镜、复合透镜、非球面镜等不同面型在合成系统中的性能进行了对比分析[42]。2003年,麻省理工学院的Augst等人同样使用上述外腔式结构实现了5路激光的光谱合束,输出功率为6 W,光束质量M2为1.14[43]

      2018年,中国科学院上海光学精密机械研究所何兵课题组对外腔式光谱合束系统中光纤排布、转换透镜像差等因素对最终合束光束的影响进行了模拟计算,并进行了相应验证试验,实验结构如图15所示。提出在外腔式光谱合束系统中平凸非球面镜的路数拓展能力要优于双凸球面镜,并且转换透镜的焦距越长,合束系统所能容纳的光谱密度越高[44]

      图  15  外腔光谱合束系统实验结构示意图

      Figure 15.  Experimental setup schematic diagram of spectrum beam combining system by external-cavity oscillator

      这种外腔式光谱合束结构具有结构紧凑、路数拓展能力强等优点,在早期的光谱合束研究中较为常见,为光谱合束技术基本原理的研究提供了重要的依据。

    • 随着单纤激光技术的不断发展,采用主振荡-功率放大(MOPA)结构的光纤激光器的输出功率逐步达到了kW级别,并在保持高功率输出的同时,能够保持窄线宽与高光束质量。这使得基于光束拼接的光谱合束方案迅速的发展起来,在此光谱合束技术方案中,每一束子光束都单独进行准直,利用MOPA结构实现了不同波长的窄线宽高功率激光输出,后利用折反镜组对光束的指向进行调节,使其以合适的角度入射到衍射光栅上,实现多路子光束以相同的衍射角共孔径出射。相比于外腔式光谱合束方案,在输出功率上有了很大提升。

      2002年,美国麻省理工学院林肯实验室使用Au膜的衍射光栅,对四路激光进行了光谱合束[45],合成输出功率为1 W,合成光束质量与子光束相近,M2=1.55,子光束及合成光束的光束质量如图16(a)所示。2003年该团队采用同样的方案实现了5路激光的光谱合束,合束效率为71.4%,光束质量改善为M2=1.14,输出功率提高至8.4 W,图16(b)为合成激光的光谱图,谱线间隔为3.2 nm[43]

      图  16  (a)子光束以及合束光束的光束质量;(b)五路激光合束后输出激光光谱图

      Figure 16.  (a) Beam quality of laser units and output light after combination; (b) Spectrum after beam combination of five MOPA channels

      2007年,美国Aculight公司的Loftus等人通过如图17所示的实验结构[46]。采用了一块刻线密度为1740 lines/mm的多层电介质衍射光栅,实现了三路纳秒脉冲光纤激光的光谱合束,三路激光均为MOPA结构,波长分别为1055,1062.5和1065 nm。并通过对种子光进行调剂的方法,将激光线宽控制在1 GHz以下,实现了单路200 W的稳定输出,最终合成功率为522 W,合成效率为93%,光束质量为Mx2=1.18,My2=1.22。

      图  17  Aculight公司光纤激光光谱合束示意图

      Figure 17.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in Aculight corporation

      2009年,德国的耶拿大学的C. Wirth和O. Schmidt等人实现了合成功率为2 kW的四路连续光纤激光的光谱合束,实验结构如图18所示[47],合束光栅为一块高衍射效率的反射式介质膜光栅,如图19所示,在光栅不同位置测得的TE与TM偏振光的衍射效率均在98%以上。合成光束质量为Mx2=2.0,My2=1.8。而后在2011年该团队将合成的总输出功率提高到了8.2 kW,这是当时报道的光谱合束最高合成功率,同时光束质量相较之前有了较大的下降,M2=4.3[48]。截止2019年,耶拿大学的合束系统实现的最高输出功率为20 kW[24](12路激光合成)。

      图  18  耶拿大学光纤激光光谱合束示意图

      Figure 18.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in University Jena

      图  19  反射衍射光栅及其在1064 nm处测得的衍射效率

      Figure 19.  Reflective diffraction grating and measured efficiency at 1064 nm

      国内光谱合束的研究在早期主要集中于理论研究[49-51],直到近5年,基于衍射光栅的光谱合束研究成果开始不断的涌现,其中具有代表性的合成方案主要有三种:中国工程物理研究所的反射式保偏衍射光栅方案[52-53]、中国科学院上海光学精密机械研究所的反射式非保偏衍射光栅方案[54],以及中国航天科技集团的透射式衍射光栅方案[55]

      2015年,中国工程物理研究所提出了一种如图20所示的基于双光栅的光谱合束系统,采用四块刻线密度为1740 lines/mm的保偏光栅,在1 μm波段近15 nm的波长范围内平均衍射效率约98%左右,将5路激光进行了光谱合束,最终输出功率为5.07 kW,合成效率为91.2%,光束质量M2<3[52]。2016年该团队将合束路数拓展到了10路,进一步提高了合束功率,总输出功率为9.6 kW,合成效率为92%,光束质量M2=2.9[53]。这是目前国内采用双光栅光谱合束方案公开报道中合成功率达到的最高水平。从合束光束相关数据可以看出,虽然该方案采用了两块光栅,对光束进行了色散补偿,但合成光束的光束质量依然不太理想。从系统结构上看,主要有两方面的原因,首先是系统结构较为复杂,光路中的光学器件较多,各光学元件在承受高功率激光辐照下,会产生热畸变,由此带来的波前畸变在激光传输过程中叠加,对光束质量产生影响;其次系统中所使用的为保偏光栅,但用于合束的子光束却为非保偏光,这就需要子光束在入射衍射光栅前需要使用偏振分束片对光束进行分光,在两个偏振方向上分别进行光谱合束后,再通过反射镜与偏振合束片将两个偏振方向的光合为一束,这个过程容易产生对准与指向误差,也会对最终的合束光束质量产生影响。

      图  20  中国工程物理研究院光纤激光光谱合束示意图

      Figure 20.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in China Academy of Engineering Physics

      2016年,中国科学院上海光学精密机械研究所郑也等人采用基于非保偏光栅的光谱合束技术方案[54],实现了8路激光的光谱合束,合束功率达到10.8 kW。实验光路示意图如图21所示。光栅使用的自主研制的高损伤阈值偏振非相关的多层电介质衍射光栅,如图22所示,刻线密度为960 lines/mm,对TE与TM两种模式的偏振光的衍射效率均达到95%以上。

      图  21  中国科学院上海光学精密机械研究所光纤激光光谱合束示意图

      Figure 21.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in SIOM

      图  22  反射式MLD衍射光栅及其衍射效率

      Figure 22.  MLD reflective diffraction grating and measured efficiency of both TE and TM polarization

      从普遍意义上来说,透射式的器件在激光入射时具有更大的吸收体积,吸收能量更多,在相同功率量级下更易发热,热畸变对光束的光束质量劣化更加严重,在高功率激光光谱合束系统并不常见。但随着材料研究与镀膜工艺的不断发展,透射式衍射光栅的制备工艺也越发成熟,透射式光栅在近些年也应用于高功率激光光谱合束系统中来。2019年,中国航天科技集团采用了基于透射式双光栅结构的光谱合束系统的设计,实验结构示意图如图23所示,实现了六路激光的稳定合束,合束光束光谱如图24所示,最终合束功率10.6 kW,输出光束质量Mx2=1.92,My2=1.53[55]

      图  23  中国航天科技集团光纤激光光谱合束示意图

      Figure 23.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in CASC

      图  24  合束光束光谱图

      Figure 24.  Spectrum of the six-channel combined beam

    • 近些年在国内外研究机构与研究者的共同努力下,基于光束拼接的光谱合束系统的输出功率已经突破了万W。合成路数与单路功率也在不断提高,通过对比我们不难发现,目前合束方案中的合束路数大多不足10路,单根光纤激光功率的提升比较困难,想要进一步提高合束功率,构建结构紧凑、路数拓展能力强的光谱合束方案就显得尤为重要。

      2013年,美国Aculight公司实现了12路300 W的窄线宽光纤激光器的光谱合束,采用了一块1740 lines/mm的多层介质膜光栅,最终的输出功率达到3 kW,合成效率为97%,光束质量为M2=1.35[56]。2016年,该团队将合成路数拓展到了96路,图25为其所采用的光路结构示意图[57]。实现了总功率30 kW的激光输出,系统中使用的多层电介质光栅如图26所示,最终合成光束的光束质量为Mx2=1.6,My2=1.8,合成光谱在1048 ~1073 nm之间几乎完全充满,如图27所示,值得注意的是1073~1090 nm的波长范围内并未有激光参与合束,且参与合束的子光束的功率仅为300 W。由此可以发现,采用该紧凑化的合束方案,通过将1073~1090 nm波段内的激光器参与合束,以及提高子光束激光器功率,有望实现更高功率量级的合束激光的输出。目前光纤激光光谱合束系统的最高输出功率是60 kW,为洛克希德马丁公司于2017年3月公开报道的合成系统样机[58]

      图  25  Aculight公司光纤激光光谱合束示意图

      Figure 25.  Schematic diagram of spectral beam combining of fiber laser in Aculight corporation

      图  26  反射式多层电介质衍射光栅图

      Figure 26.  MLD reflective diffraction grating

      图  27  SBC输出光束的频谱图

      Figure 27.  Spectrum of the SBC output beam showing

      光纤激光的光束合成技术在近10年得到了迅速的发展,基于边缘滤波器的光谱合束方案与基于多层电介质衍射光栅的光谱合束方案均已实现了10 kW以上功率激光的稳定输出,紧凑化的光谱合束方案更是已经达到了60 kW。对于光谱合束而言,目前的发展方向主要有三种:不断提高子光束的功率、继续压窄子光束的线宽、增加参与合束激光器的数目。相信在不远的未来,光谱合束的合成功率将会实现更高功率输出。

    • 光谱合束技术的发展速度十分迅速,合成功率在不断提高,但与此同时光栅所承接的光束功率密度也在不断增加,由于激光的热沉积,不可避免的会导致光栅温度上升,进而产生热畸变导致光束质量劣化。想要继续提高合束激光功率,解决光栅热畸变的问题变得越发重要。针对光谱合束过程中,光栅受高功率激光辐照时的热行为,研究人员进行了一系列的研究,虽然合束光栅的选择已经从金属光栅更换为了吸收能力更弱的多层电介质光栅,但在承受万W量级的激光辐照的情况下,光栅的热畸变问题,以及由于光栅畸变造成的光束质量劣化问题已经到了不能忽视的地步。

    • 目前较为常用的光栅热畸变理论模拟的模型计算思路为首先通过求解瞬态热传导方程,得到光栅在高功率激光辐照下的瞬态温度场,后将求得的温度场代入热弹性方程,可以得到由于光栅升温带来的畸变场,将畸变场带来的光程差转化为相位差代入表达式,通过计算得到光栅畸变场对入射光束产生的光束质量劣化影响。

      对于光栅温度产生机制与热畸变的理论研究最先开展,2007年,Jens Limpert 利用有限元分析软件,模拟了在高功率激光辐照的情况下,透射和反射式两种光栅的温度分布与热形变情形[59]。文章中提出光栅上表面膜系的吸收系数对光栅升温有着很大的影响。计算结果如图28所示,在温度达到稳态时,相比于反射式光栅,透射式光栅的升温与热畸变程度更高。同时指出光栅的热畸变会造成一系列的问题,如热透镜效应、光栅的栅线周期与光栅上表面面型的改变,进而对衍射光近场相位分布与光束传播特性产生影响。所以在光谱合束系统中应尽量选择反射型的光栅,能够一定程度上减轻光栅热畸变程度。

      图  28  100 kW激光辐照下光栅温度分布

      Figure 28.  Simulated temperature distribution used for SBC of 100 kW optical power

      2016年,四川大学张彬等人利用衍射积分法和非相干叠加原理,建立了反射式多层电介质光栅在激光辐照下的热畸变与光栅热畸变对光束质量的劣化模型[60],基于建立的模型对光谱合束系统中光栅热畸变进行了数值模拟,同时对不同激光功率密度辐照下光栅热畸变对光束的相位调剂作用进行了数值仿真。如图29所示,主要方法为通过计算光栅畸变前后入射光束在不同位置光程差的改变值,将光程差转变为相位差代入光束表达式中,后通过二阶矩方法拟合,计算出由于畸变所带来的光束质量劣化情况。

      图  29  光栅内部的光程差随热变形的变化图

      Figure 29.  Optical path difference inside the grating with thermal deformation

      通过该模型可以计算得到相应功率密度辐照下,远场合成光束的光束质量劣化情况和光场分布情况。如图30表1所示,结果表明随着辐照激光功率的增加,光场强度分布中旁瓣的能量逐渐升高,光束质量不断劣化。

      表 1  组合光束质量变化

      Table 1.  Beam quality M2-Factors of the combined beams

      power density/(kW·cm−2M2
      0 1.00
      0.5 1.41
      1 2.30
      1.5 3.35
      2 4.42
      3 6.48

      图  30  不同辐照功率密度,合成光束和单光束的光束强度分布。其中,图中心的光斑代表组合光束的强度分布,图右上角的光斑显示单光束的强度分布

      Figure 30.  Intensity distribution of the combined beams and that of a single emitter for different power densities,where the spots on the centers of the figures represent the intensity of the combined beams,and the spots on the upper right corners of the figures show the intensity of the beams from a single emitter

      2017年中国科学院上海光学精密机械研究所的李林欣等人对多层电介质光栅的热效应进行了模拟研究[40],建立了如图31所示的光栅热畸变对光束质量的劣化模型,分别计算基底、膜层与光栅浮雕栅线结构的热畸变数值。

      图  31  光栅热畸变模型

      Figure 31.  MLD grating models with thermal deformation

      结果显示当表面温度为192 ℃时,光栅上表面畸变达到139.35 nm,光束质量的劣化值达到3.82,图32为其仿真出的基底、膜层与光栅浮雕栅线结构由于热畸变造成的近场相位调制图,通过比较图32(a)发现光栅热畸变对光束的近场调剂主要由基底的热畸变造成,并且光栅没有畸变时,光束的远场强度分布为高斯型,当光栅产生热畸变时,光束的高斯型强度分布遭到破坏,出现中心强度降低,旁瓣能量增加的现象,如图32(b)所示。

      图  32  基板、薄膜和光栅浮雕的近场相位调制和远场强度分布。I/I0是归一化强度(波长为1064 nm)

      Figure 32.  Near-field phase modulation and far-field intensity distribution of A,B,and C,where A contains deformations of substrate,films,and grating reliefs,B contains substrate deformation only,and C is the circumstance without thermal deformation. II0 is the normalization intensity (λ=1064 nm)

      2020年中国科学院上海光学精密机械研究所何兵课题组又在此基础上,考虑了基底材料对激光能量的吸收,结合朗伯比尔定律与热传导方程建立了如图33所示的新的光栅激光吸收模型[61],将光栅分为激光辐照区与热传递区,当光栅最高温度保持不变时,在激光辐照区吸收的能量与热传递区传递的能量之间存在动态平衡,光栅温度场还会发生变化,并通过实验进行了验证,如图34所示,实验与模拟结果对比结果如图35所示。

      图  33  多层电介质膜光栅激光辐照升温机制

      Figure 33.  Schematic diagram of the laser irradiation MLD grating temperature rise mechanism

      图  34  光栅承受10.05 kW激光辐照30 s时前表面温度分布情况

      Figure 34.  Temperature distribution of 10.05 kW irradiation on the MLD grating front surface measured by the infrared thermal imager

      图  35  (a)不同功率激光辐照时光栅上表面最高温度实验与模拟结果对比图;(b)不同功率激光辐照时光栅背面实验与模拟的温度升温曲线图

      Figure 35.  (a) Simulation and experimental maximum MLD grating front surface temperature under different laser irradiation powers. (b) Maximum MLD grating back surface temperature as a function of the time and corresponding curves for different irradiation powers

    • 光栅由于激光辐照所引起的温度升高和光束质量劣化的测量可以通过红外热像仪和光束质量测试仪较为简单直接的得到,而光栅的热畸变面型数据的获取则较为复杂,需要通过干涉图像处理与后期的泽尼克多项式拟合得到[62],实验中为了较为准确地测量出光栅热畸变程度,通常采用基于泰曼-格林干涉仪的光栅热畸变测量方案,基本测量原理如图36所示,测试光束通过半透半反镜一分为二,一束作为参考光,经过反射镜反射后入射CCD,另一束光作为探测光,通过光栅衍射,两束光汇合在CCD表面形成干涉条纹,光栅畸变后,探测光的相位信息发生了改变,进而引起了CCD表面的干涉条纹的变化,通过测量可以得到畸变前后两组干涉条纹。

      图  36  光栅热畸变实验装置示意图

      Figure 36.  Schematic of the configuration used for the MLD grating surface distortion measurement

      得到的强激光辐照前后的干涉条纹图像如图37(a)(b)所示,通过图像处理与泽尼克多项式进行拟合[63],可以将光栅的畸变三维轮廓重构出来如图38所示,但需要注意的是,这是通过函数拟合出来的畸变轮廓,与实际畸变形貌存在拟合误差,其次拟合出的光栅畸变形貌的范围大小取决于探测激光光束的干涉条纹的尺寸,理论上探测光束尺寸越大,干涉图样包含越多光栅热畸变区域的相位信息,重构出来的光栅畸变面范围越大。

      图  37  高功率激光辐照下的干涉条纹图像

      Figure 37.  Interference fringes under high power fiber laser irradiation

      图  38  光栅表面形变拟合结果

      Figure 38.  Fitting results of surface deformation of grating

      2004年Liu Anping等人在30 W激光功率辐照条件下,利用干涉仪观察到了金光栅的热畸变[64]。指出光栅金膜与基底之间的光刻胶对温度的升高十分敏感,是造成光栅热畸变的主要因素,并且指出光栅的热畸变会造成波前失真,光栅干涉条纹畸变情况如图39所示。2006年 T. H. Loftus 等人利用如图40(a)所示的光学系统,观测到了如图40(b)所示的辐照功率密度为1.5 kW/cm2时,全介质光栅的干涉条纹变化情况[65]。文中指出在1.5 kW/cm2激光辐照时,光栅热畸变峰值为126.6 nm。但由于当时光栅所承接的功率密度并不高,条纹的扭曲程度也不大,所以在很长的一段时间里,光栅热畸变问题并没有引起足够的重视。

      图  39  干涉仪测量结果

      Figure 39.  Effect of grating heating is measured with an interferometer

      图  40  (a)多层介质膜光栅测试装置示意图;(b)激光辐照前后光栅干涉条纹图样对比图

      Figure 40.  (a) Test setup for measuring distortion of the multi-layer dielectric grating under high brightness optical loads. (b) Interferograms for the grating with and without a 1.5 kW/cm2 peak irradiance,70 W average power optical load

      2017年中国科学院上海光学精密机械研究所李林欣等人在实验中所使用的光栅热畸变测量方案也是上述方案,文章中所采用的光栅以及对应理论模拟结果如图41所示[40],结果表明随着功率密度的增加,多层电介质光栅导致的波前失真变得更加明显,实验结构如图42所示,通过将加热光与探测光分离的方式,将热畸变所带来的光束质量劣化值与光场强度分布变化单独剥离出来。通过模拟与实验证明了随着辐照激光功率的增加,光栅的温度与热畸变程度逐渐增加,光束质量不断劣化,并且证明了之前模拟中出现的远场光束中心强度降低,旁瓣强度增加的问题,实验数据如图43所示。

      图  41  实验所用光栅及承受激光辐照1000 s时表面畸变情况

      Figure 41.  MLD grating and expansion distribution after 1000 s laser irradiation

      图  42  光栅热变形实验示意图

      Figure 42.  Experimental schematic for MLD grating thermal deformation detection.

      图  43  远场光斑强度分布

      Figure 43.  Far-field beams of probe laser captured by CCD

      该课题组在2018年进一步推导出了光栅受激光辐照后的温度场方程,并在此基础上探究了影响多层电介质光栅温度变化的影响因素,包括辐照激光功率、半径、基底尺寸,指出使用热导率更大的材料作为基底能够更为有效地降低光栅温度[66]。2019年,该课题组基于建立的模型,提出了一种通过增加光栅基底厚度的方法,降低了光栅温度与热畸变,光束质量得到了改善,并通过实验验证了模拟结果,模拟与实验数据的对比图如图44所示,虚线为计算数据,实线为实验数据,图中标注的数字为所使用光栅的厚度[67]

      图  44  激光光束质量随辐照激光功率变化图

      Figure 44.  Beam quality factor of the laser versus the power density

      2017年中国科学院上海光学精密机械研究所何兵课题组通过如图45所示的实验结构,对多层电介质膜衍射光栅在高功率激光辐照下的温度、畸变程度、光束质量等进行了实验探究[68],实验结果如图46所示,结果表明随着辐照功率的增加,光栅温度与热畸变不断增加,激光功率密度从0增加至3.6 kW/cm2时,光束质量M2劣化至2.56。但热畸变对于光栅本身的衍射效率影响较小,实验过程中的波动小于1.8%。

      图  45  光栅衍射特性监测装置

      Figure 45.  Experimental setup of grating diffraction characteristic

      图  46  (a)光栅表面温度与光束质量随功率密度的变化图;(b)束腰直径与远场发散角随功率密度的变化

      Figure 46.  (a) Temperature on grating surface and M2 versus the irradiation laser power density; (b) Waist diameter and far field divergence angle versus the irradiation laser power density

      结合国内外的相关研究结果,不难看出,早在2004年就有研究人员发现了光栅的热畸变问题,但由于当时光谱合束的总功率不高,并且影响光谱合束的因素有很多,例如线宽、子光束的指向偏差等,在低功率下,热畸变问题并不严重,对合束造成的影响很小,所以并没有引起足够的重视,但随着近些年以上海光学精密机械研究所为代表的光谱合束研究的快速发展,更多的合束路数,更高的合束功率,热畸变造成的光束质量劣化问题日益突出,甚至已经成为了阻碍光谱合束功率进一步提升的主要影响因素之一,成为目前迫切需要解决的问题,仿真与实验的结果都表明光栅热畸变会造成表面面型的变化,进而影响合束光束的传播特性与光束质量,要实现近衍射极限的光束输出,就必须采取有效的方法抑制光栅热畸变,如果不采取措施降低光栅温度,甚至会由于热积累问题造成光栅的损坏。

      光栅冷却方案主要可以通过两个方面的措施来进行,对于光栅自身,可以通过对光栅优化制备工艺与镀膜技术,减小膜系对激光能量的吸收。并且通过改变基底材料,采用一种热传导系数大、热膨胀系数低的基底材料,能够快速转移光栅内部产生的热,降低光栅的温度与热畸变;对于外部冷却措施,可以通过采取水冷以及风冷的措施来加快光栅散热。

    • 光谱合束技术是一种能够保持高光束质量的同时,实现高功率激光稳定合成的技术,该技术通过光学元件将具有不同波长的光束实现共孔径输出,是高功率光纤激光实现高亮度功率合成的最有前途的技术方案。近年来发展十分迅猛,合成功率的提升也十分快速。本文对比介绍了不同的光谱合束方案与系统结构,对不同方案的局限性进行了分析,展望了光谱合束未来的发展。

      针对基于衍射光栅的光纤激光光谱合束中存在的光栅热畸变问题进行了讨论,从理论与实验两个角度分别介绍了目前对于光栅的热畸变问题的研究现状,并对于实验中观测光栅热畸变形貌的实验测量方法进行了较为详细的介绍说明。随着合束功率的提高,光栅所承受的激光功率密度越来越大,光栅温度不断升高,热畸变程度变大,对合成光束的光束质量与强度分布会产生较大影响,光栅热畸变问题已逐步变成阻碍光谱合束输出高光束质量、高功率激光的阻碍,近些年越来越多的研究人员开始开启相关研究,相信不远的未来,随着光栅制备技术的提高与外部散热措施的设计,光栅热畸变问题能够得到缓解与解决,光谱合束的功率将不断提高。

参考文献 (68)

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