利用体积布拉格光栅实现高光谱密度激光器的光束合成外文翻译资料

利用体积布拉格光栅实现高光谱密度激光器的光束合成

Oleksiy Andrusyak ， Vadim Smirnov ，George Venus ， Leonid Glebov

摘要

将具有偏置波长的多光束非相干组合成一束近衍射受限光束，是提高高功率激光能量亮度和缩小输出功率的有效方法。在光热折射(PTR)玻璃中记录的体积布拉格光栅(VBGs)允许的光谱光束与非常高的通道光谱密度相结合。结果表明，在1064 nm和1550 nm左右的1-2 nm带宽范围内，将5个通道的SBC组合成一个绝对效率为92-94%的近衍射受限光束。把这项技术推广到千瓦级功率是讨论的主要内容。

1.绪论

光束合成技术已成为高功率高亮度激光系统设计中的重要工具[1]。在固态激光器中，由于有源介质的热畸变和光束质量的下降，以及光纤激光器的非线性效应和光学损耗，单功率放大器的最大输出功率往往受到限制。光束组合是获得高功率、高亮度辐射提供了一种替代方案。在中等功率下工作的一组低功率激光源的输出光束可由外部光学元件组合，产生功率和亮度均增加的单光束。假设组合单元具有较高的输出能量，且不引入明显的光束畸变，则组合光束的亮度与通道的数量成正比增加。

考虑了两种利用光束组合实现亮度缩放的方法：相干的和非相干的(光谱)。在[1]中，对各种相干和光谱波束组合技术进行了比较研究。相干光束合成的主要挑战是对增益元件的波长和相对相位的精确控制。在低功率水平下，少数元素的相干组合已经被证明，但是，像大功率大信道计数系统的扩展则面临着许多问题。信道间的相对相位噪声是相干波束合成的一个主要挑战，无论是采用主动相位控制方法还是被动相位控制方法[2]。光谱束合成是一种不需要相位控制的非相干合成技术，允许一个稳定和健全的系统。利用这种方法，每个元件在不同波长上工作的激光阵列的光束被组合成一束近衍射极限光束，使用色散光学元件。因此，与单个光源相比，组合光束的能量亮度增加，而光谱亮度降低，由于组合光束谱由多个对应于单个光源的峰值组成。利用发射体布拉格光栅[3]和多层介质表面光栅，证明了在几百瓦功率的联合波束中，以及几个纳米的通道分离的高效SBC[4,5]。这两种方法都提供了强大的可伸缩性;然而，信道总数受到可用增益介质带宽比和信道最小谱分离的限制。

用于SBC的总带宽通常取决于激光介质的增益带宽和应用需求。例如，假设一个激光系统工作在一个50 nm的低空大气透明度窗口在1040 nm左右。在每通道功率为500 W的情况下，将200通道与0.25nm的沟道分离相结合，可获得100 kW级的近衍射极限输出。为了用表面光栅实现通道的小尺度分离，需要从不同的通道空间重叠光束到光栅之间的较大距离，从而使系统得以实现。 太长了。在传输VBGS的情况下，需要具有较大布拉格角的厚光栅，从而使光栅的角度接受范围变窄。在接近正常入射的情况下使用的反射vbg更有利于高密度sbc(2通道/nm及更高)，因为它具有较宽的角度接受性和较小的源到光栅距离要求[6]。反射VBGS除了对光束发散具有较高的容限外，还具有偏振不敏感的特点，适合于无偏振激光源的SBC。利用反射VBG可以构造一个紧凑而稳定的高光谱密度光束组合系统。本文讨论了在PTR玻璃中记录的反射VBG的基本特性。并给出了高光谱密度(0.25-0.5nm通道分离)在1064和1550 nm附近的5通道SBC的实验结果。

2.光谱束合成用PTR玻璃中的体积布拉格光栅

研制了一种高效的PTR玻璃VBG记录器件[7]。聚四氟乙烯(PTR)玻璃在紫外光敏感的同时，在近红外光谱和可见光谱部分具有很高的透过率，其吸收能力可与市面上最好的商用光学玻璃媲美。此外，PTR玻璃具有优异的热机械性能，折射率几乎不受温度的影响(dn/dT 10^-7 K^-1)。这些特性使PTR玻璃中的VBG能够承受高功率激光辐射，使其成为高功率SBC的理想元件。作为一个实例，使它们成为高功率SBC的理想元件。以两个中心波长差为11 nm的yb光纤激光器为例，利用发射VBG产生了一束功率为165 W的近衍射受限光束，效率高达92%。研究了PTR玻璃在高功率辐射下窄带反射VBGs的行为[6,8]。结果表明，在功率为570 W的激光照射下，光栅的衍射效率和光谱带宽没有发生变化，功率密度为5kw /cm2的聚焦激光束照射光栅后，光栅中没有残留现象。

通过表面光栅或棱镜与体积光栅测量的SBC值有较大的差别。棱镜和表面光栅的使用是基于它们的角色散，这提供了偏转角与波长的关系。从一方面看，需要高角度色散来提供近波长激光源的空间分离。从另一方面，这种色散根据偏转光束的光谱宽度[9]诱导其额外的发散。利用体积布拉格光栅的SBC利用了VBGs独特的光谱响应:当布拉格条件满足时，衍射效率接近于单位，对应于特定的布拉格条件下的波长偏移的多个点的衍射效率接近于零。两束波长转移事件在共轭光栅角度出现重叠和共线(图1)如果一个(k1)匹配的波长布拉格条件(光束衍射)和其他(k2)是抵消的波长相匹配的一个零(光束传播)。体积布拉格光栅的角色散只有在偏转角远离零或180°时才显著。它有助于高空间频率发射VBGs[10]偏转光束的发散，但对于反射接近正常[6]角度的VBGs则无关紧要。

图1 用反射体布拉格光栅将两束具有偏置波长的光束结合在一起的光谱光束。

对VBGs的反射和发射的各种性能进行了详细的描述[11-13]。本文主要研究是用于高光谱密度SBC的窄带反射VBGs的光谱特性。对于入射在不倾斜反射布拉格光栅(平行于前表面法线的光栅矢量)上且折射率呈正弦变化的平面波，衍射效率可以用光栅基本参数[13]表示:

当d为光栅厚度时，为中间层的平均折射率，为折射率调制的幅度，f为光栅的空间频率。平面波入射到光栅上的角度满足波长k0的布拉格条件，Dk表示与k0的光谱偏移量。在布拉格条件下发生的最大衍射效率g0可以通过在方程（1）中设置Dk=0来获得：

（2）

用于SBC的窄带不倾斜反射VBG衍射效率的光谱选择性如图2所示。当入射角相对于前表面法线为~3.8°时，k0 = 1064.0 nm满足该光栅的布拉格条件。对于平面波模型，衍射效率在k0处达到峰值，衍射效率由式(2)决定，在多个波长处有一系列点，衍射效率为零。通过将k1匹配到光栅的布拉格波长(k0)和k2匹配到其中一个零点，可以实现图1所示的几何图形中有效的光谱光束组合。

光栅的衍射效率、光谱选择性和角接受度由光栅厚度和折射率调制决定。根据式(2)的双曲正切函数，随着光栅厚度和/或折射率调制量的增加，衍射效率g0逐渐接近100%。然而，对于实际(发散)光束的SBC来说，接近100%的衍射效率可能是不可取的，因为这也导致了对布拉格条件下波长偏移的衍射效率的提高。对于有限发散光束，衍射效率可以计算为光栅角效率与光束强度在角空间中的卷积[13]。对于发散度远小于光栅角接受度的光束，衍射效率峰值不发生变化，但发散光束的整个角谱都无法匹配衍射效率曲线的锐极小值。因此，对于有限发散的光束，最小衍射效率不为零(图2)，因此透射光束部分被光栅衍射，组合效率降低。降低这些损耗的一个有效的解决方案是将邻钻通道置于光谱选择性的高阶最小值曲线。

图2 用于SBC的反射VBG的光谱选择性为0.43nm，沟道间距在1064 nm左右

利用优化程序，可以在给定通道分离和光束发散的情况下，同时为衍射光束提供高效率和传输光束低损耗的光栅。以图2所示的光谱选择性光栅为例，对0.43 nm通道分离的高效SBC进行了优化。该光栅在布拉格条件下衍射效率为99.7%，对于发散0.6 mrad、波长偏移0.43 nm的光束，衍射损耗小于1%，对应于第4个最小值。

1. 试验结果

设计并组装了三种不同信道频谱分离的SBC系统。每个系统通过一组反射VBGs将五束具有偏置波长的光束光谱地组合成一个单一的近衍射受限光束。实验得到的光栅参数和5通道SBC系统的衍射效率如表1所示。

表1 SBC实验中光栅参数的优化。

对于一组具有相同周期的VBGs，光学设置如图3所示。光栅被调节成各自波长的衍射光束，而具有其他波长的光束则不受干扰地传输。实验中使用了商用的高质量可调准直器端部的窄线光纤束二极管激光器，产生直径为3毫米(FWe^-2M)的近衍射受限(M² lt; 1.1)光束。通过使用楔板剪切干涉仪[14]和将聚焦透镜焦平面上的光束光斑尺寸最小化，实现了适当的准直。1064 nm和1550 nm的光束角发散度分别为0.5 mrad和0.7 mrad (FWe^-2M)。每个激光器的输出功率设置为5mw。

每个激光器的输出功率设置为5mw。绝对系统效率(表1)的计算方法是将组合输出光束的功率除以25 mW，即5根输入光束的总功率。通过调节腔内表面光栅(1064 nm)的角度和控制DFB激光二极管(1550 nm)的温度，将激光器的中心波长调谐到所需的分离(1064 nm左右的0.43 nm、1550 nm左右的0.5 nm和0.25 nm)。每个5通道SBC系统的输出是一个频谱组合波束，总带宽为1.7 nm(约1064 nm)、2 nm和1 nm(约1550 nm)。三种SBC系统输出光束的光谱如图4所示，其中单个线宽受光谱分析仪分辨率的限制。

图3 用一组相同的反射体积布拉格光栅将五个激光源的光谱光束组合起来

图4 三种SBC系统的输出光谱

图5 测试透镜焦平面周围三个SBC系统的光谱组合输出光束:1064 nm左右的0.43 nm通道分离(左)、1550 nm左右的0.51 nm通道分离(中)和1550 nm左右的0.25 nm通道分离(右)。

SBC系统的对准是通过使用指向定义输出光束轴线的反向对准准直器来实现的。通道按顺序排列，从一个更接近输出的通道开始，以一个通过所有光栅传输的通道结束。将各自通道的激光源耦合到对准准直器上，并对该通道对应的VBG进行对准，以满足该波长的布拉格条件(光束衍射效率最高)。接下来，将工作准直器放置在对准光束衍射到且激光输出切换到工作准直器的位置。将工作准直器对准，以最大效率将VBG衍射光耦合到对准准直器中。当重复这个过程来对齐下一个通道时，由于波长偏移，光束通过前一个通道的VBGs传输。所有通道对齐后，所有通道的输出光束重叠共线，形成近衍射受限的光谱组合光束。该方法的对准精度可达20rad以上。

利用测试透镜[15]聚焦光束，测量了光谱组合输出光束的衍射极限因子(M²)。基于裂隙的光束轮廓仪用于沿传播方向扫描五个平面的光束。利用二阶矩定义计算的光束谱宽与双曲方程拟合得到光束的M²(图5)。

来自三个SBC系统的光谱组合输出光束是近衍射受限的，与输入光束的M²大致相同。这表明对中精度远高于光束发散，组合单元不会引起光束畸变。与单个输入光束相比，输出光束的亮度提高了5倍。

通过增加信道数和每个信道的功率，可以将这种方法扩展到高功率。聚四氟乙烯(PTR)玻璃在可见光和近红外光谱区域的低吸收和优异的热机械性能使其能够承受高功率辐射。近年来，利用该技术将5个随机偏振光纤激光器在1064 nm左右的通道分离0.5 nm处进行组合，组合效率为91.7%，得到组合光束输出

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资料编号：[1400]

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