基于环形腔主动光反馈的DOE相干合成的激光光源

摘要

一种基于环形腔主动光反馈的衍射光学元件相干合成的激光光源，主要包括全光反馈的被动环形腔和调谐范围不同的双级主动控制光学回路。特征在于将多路窄线宽的光纤激光器通过全光反馈共孔径相干合成的方式组合成一束高能激光空间输出，加入主动控制的反馈回路可确保初始主振荡种子波长与反馈腔模的中心波长相一致，进一步压窄合成激光的输出线宽，降低相位噪声，降低外界环境对环形腔的干扰，维持锁相效果的稳定。本发明克服了传统被动相干合成系统合成效率低、相位噪声强、锁相效果差的特点，既能保持住合成系统的稳定性和安全性，又有助于扩展阵列的规模，提高窄线宽输出激光的亮度，是实现光纤激光器向更高功率更好光束质量扩展的有效技术途径。

说明书

技术领域

本发明涉及激光光源，特别是一种基于环形腔主动光反馈的衍射光学元件(DOE)相干合成的激光光源。

背景技术

光纤激光器具有结构简单紧凑、热管理方便、能量转换效率高、性能稳定可靠和光束质量好的优点，在高功率激光技术领域得到了广泛应用。目前单模光纤激光器的输出功率已经突破万瓦级。然而，受到热效应、非线性效应、模式不稳定以及端面损伤等因素的限制，单根光纤激光器的输出功率存在理论极限。

为了提高窄线宽低相位噪声的光纤激光光源的输出功率，相干光束合成被提出且深入研究，成为目前最重要技术手段之一。该技术通过将多路基于MOPA结构的低相位噪声的光纤激光进行合束，并对各子路组束激光的相位进行控制，以达到相位锁定而获得相干叠加，这样既保证输出激光具有与单路激光相近的光学特性，同时又能有效地提高相干合成后的激光输出功率。全光反馈被动相干合成技术是上述合成方法中的一种，此种方法无需复杂的相位锁定条件，响应速度快，结构简单且路数可扩展性强，是近期研究的热点。该技术采用全光反馈的环型腔结构，通过单模光纤滤波器进行模式滤波，使同相光信号腔内损耗最小，通过此种自组织的相位选择方式得到各路光纤激光器的相位锁定，使得合束激光的亮度得到大幅提升。

在先技术“基于达曼光栅的光纤激光全光反馈被动相干合束系统CN103441419A”中需要辅助主振荡为放大器提供种子，提供初始的反馈光，保证在反馈回路受到意外遮挡后，放大器不受自激振荡的危害。在子光束阵列实现相位锁定后，波长锁定在环形腔损最小的模式，一般相位锁定的腔模与种子波长不同，此时辅助主振荡需要手动关闭，以确保环形腔中仅有相位锁定的波长存在，提高远场输出激光的亮度和稳定性。但是，关闭辅助主振荡有可能造成光纤放大器阵列存在安全隐患，即反馈回路在受到意外遮挡时放大器失去种子，造成严重的自激振荡而损坏放大器。因此，提高全光反馈环形腔被动相干合成系统输出激光的亮度和保护放大器的系统安全成了一对不可调和的矛盾。此外，现有全光反馈环形腔输出激光的频带宽、相位噪声高、锁相效果难以保持稳定，严重阻碍了高功率共孔径相干合成光源后续扩展应用的前景。

发明内容

本发明针对上述全光反馈环形腔被动相干合成装置中的不足，提出一种基于环形腔主动光反馈的衍射光学元件相干合成的激光光源。该激光光源在全光反馈的被动环形腔中加入了主动的光电反馈控制手段，通过主动控制与被动光反馈系统的共同作用，协调和优化双环路的各项性能参数，以获得稳定的锁相效果，压窄合成激光的输出线宽，降低相位噪声，提高远场合成光的亮度和稳定性。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于环形腔主动光反馈的衍射光学元件相干合成的激光光源，其特点在于，包括全光反馈的被动环形腔和主动光电反馈环路，

所述的全光反馈的被动环形腔包括依次连接的1×N光纤分束器，该1×N光纤分束器将入射光分为N路，经N路光纤放大器、对应的输出端帽阵列、第一准直傅里叶透镜会聚至DOE元件，再经第一平面分束镜分为第一透射光和第一反射光，在第一反射光方向是功率探测器，在第一透射光方向依次是第二成像傅里叶透镜、第二平面分束镜，该第二平面分束镜将输入光分为第二透射光和第二反射光，在第二透射光方向是CCD相机，在所述的第二反射光方向依次经单模反馈光纤、反馈光光纤预放大器、光纤耦合器、种子光光纤预放大器与所述的1×N光纤分束器的输入端相连，所述的输出端帽阵列水平高度需要保持一致，光轴相互平行，远场的指向偏差角要控制在微弧度量级，竖直方向距中心光轴的间隔D满足如下条件：

D＝f·tanθ

式中，f为第一准直傅里叶透镜的焦距，θ为该端帽对应衍射级与中心0级衍射光之间的夹角，所述的第一准直傅里叶透镜有效通光口径必须远大于输出端帽阵列发散光斑面的轮廓，且输出端帽阵列和DOE元件分别置于该傅里叶透镜的前后焦点处，共同构成了2f的成像系统；

所述的主动光电反馈环路包括波长可调谐的种子源，该波长可调谐的种子源的输出端与所述的光纤耦合器的输入端相连，所述的光纤耦合器的第二输出端接光电探头PD，该光电探头PD的输出端与PID控制系统相连，该PID控制系统分别经相应带宽的宽范围、低带宽的温度调谐和窄范围、高带宽的电流调谐与所述的波长可调谐的种子源的控制端相连。

所述的DOE元件是一维的衍射元件，或二维的衍射元件。

所述的波长可调谐的种子源，调谐范围可达纳米量级。

所述的N路光纤放大器可以是单级放大，也可以是多级级联放大。

所述的单模反馈光纤为单模无源光纤，为确保反馈光的耦合效率，需要放置在第二成像傅里叶透镜的焦点处。

通过所述的相应带宽的宽范围、低带宽的温度调谐和窄范围、高带宽的电流调谐实时在线反馈调谐种子源的激光波长，实现初始保护的主振荡种子波长与全光反馈环形腔中的共振腔模的中心波长相一致。

上述元部件的位置关系如下：所述的1×N光纤分束器将入射的种子激光等比例分割后注入N路光纤放大器阵列。输出的端帽阵列和DOE元件分别置于第一片准直傅里叶透镜的前后焦点处，共同构成了2f的成像系统，该傅里叶透镜对所有入射的激光子光束同时实现自准直和调节光路的功能，使各路激光以对应的衍射角度聚焦到DOE元件表面的同一位置。经DOE元件合成的透射平行光通过第一片平面分束镜进行分光，反射方向的主能量用来进行功率探测，而透射方向的平行光经过第二片成像傅里叶透镜和第二片平面分束镜分别进行单模光纤耦合和光束质量的在线监测。耦合进入单模反馈光纤的信号光利用光纤预放大器进行功率提升，与初始的种子光通过光纤耦合器一起注入到紧随其后顺次连接的光纤预放大器中，作为共同的初始信号光。

主动的光电反馈环路首先将波长可调谐种子源的中心波长粗调谐至反馈环形腔损最小的模式处，然后将环形腔振荡模与种子激光的拍频信号从光纤耦合器的空置端导出，经光电探头PD接收后进入PID控制系统，放大滤波后作为反馈信号，用于驱动种子源激光器的快慢调谐模块，最后将种子源的波长实时锁定在反馈腔模的中心波长处。

所述的波长可调谐的种子源，调谐范围可达纳米量级，可以同时进行宽范围、低带宽的温度调谐和窄范围、高带宽的电流调谐。

本发明的有益效果在于：

本发明将被动全光反馈的锁相方式与主动频率控制的方式相结合，利用环型腔的光反馈较大的动态范围和快速的响应，将合成激光的相位噪声进行预先抑制，然后再采用主动相位的高精度控制，进一步对激光相位噪声进行压制，从而获得更稳定的激光锁相效果。

通过这种新型的环形腔主动光反馈的相干合成方式，在不手动关闭主振荡种子源的情况下，能合理的保证环形腔的稳定运行，而且相干合成激光的输出性能不会受到影响，有效解决了全光反馈环形腔被动相干合成系统输出激光的亮度提升和保护放大器的系统安全之间的矛盾。

基于DOE元件的相干合成可以有效解决分孔径相干合成中出现多级旁瓣，合成效率低的问题，最终在远场获得近衍射极限的单光束输出。DOE元件的衍射效率高达95％以上，而且可合成子束越多的DOE元件，衍射效率越高，便于进一步提升合成效率和总输出功率。

附图说明

图1为本发明基于环形腔主动光反馈的DOE相干合成技术方案的示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明基于环形腔主动光反馈的DOE相干合成光源的示意图。由图可见，本发明基于环形腔主动光反馈的衍射光学元件相干合成的激光光源，包括全光反馈的被动环形腔1和主动光电反馈环路2，

所述的全光反馈的被动环形腔1包括依次连接的1×N光纤分束器101，该1×N光纤分束器101将入射光分为N路，经N路光纤放大器102、对应的输出端帽阵列103、第一准直傅里叶透镜104会聚至DOE元件105，再经第一平面分束镜106分为第一透射光和第一反射光，在第一反射光方向是功率探测器107，在第一透射光方向依次是第二成像傅里叶透镜108、第二平面分束镜109，该第二平面分束镜109将输入光分为第二透射光和第二反射光，在第二透射光方向是CCD相机110，在所述的第二反射光方向依次经单模反馈光纤111、反馈光光纤预放大器112、光纤耦合器113、种子光光纤预放大器114与所述的1×N光纤分束器101的输入端相连，所述的输出端帽阵列103水平高度需要保持一致，光轴相互平行，远场的指向偏差角要控制在微弧度量级，竖直方向距中心光轴的间隔D满足如下条件：

D＝f·tanθ

式中，f为第一准直傅里叶透镜104的焦距，θ为该端帽对应衍射级与中心0级衍射光之间的夹角，所述的第一准直傅里叶透镜104有效通光口径必须远大于输出端帽阵列103发散光斑面的轮廓，且输出端帽阵列103和DOE元件105分别置于该傅里叶透镜的前后焦点处，共同构成了2f的成像系统；

所述的主动光电反馈环路2包括波长可调谐的种子源201，该波长可调谐的种子源201的输出端与所述的光纤耦合器113的输入端相连，所述的光纤耦合器113的第二输出端接光电探头PD205，该光电探头PD205的输出端与PID控制系统204相连，该PID控制系统204分别经相应带宽的宽范围、低带宽的温度调谐202和窄范围、高带宽的电流调谐203与所述的波长可调谐的种子源201的控制端相连。

上述元部件的位置关系如下：所述的1×N光纤分束器101将入射的种子激光等比例分割后注入N路光纤放大器阵列102。输出的端帽阵列103和DOE元件105分别置于第一准直傅里叶透镜104的前后焦点处，共同构成了2f的成像系统，该傅里叶透镜104对所有入射的激光子光束同时实现自准直和调节光路的功能，使各路激光以对应的衍射角度聚焦到DOE元件105表面的同一位置。经DOE元件105合成的透射平行光通过第一平面分束镜106进行分光，反射方向的主能量用来进行功率探测器107，而透射方向的平行光经过第二成像傅里叶透镜108和第二平面分束镜109分别进行单模光纤耦合和光束质量的在线监测。耦合进入单模反馈光纤111的信号光利用光纤预放大器112进行功率提升，与初始的种子光通过光纤耦合器113一起注入到紧随其后顺次连接的光纤预放大器114中，作为共同的初始信号光。

主动的光电反馈环路2首先将波长可调谐的种子源201的中心波长粗调谐至反馈环形腔损最小的模式处，然后将环形腔振荡模与种子激光的拍频信号从光纤耦合器113的空置端导出，经光电探头PD205接收后进入PID控制系统204，放大滤波后作为反馈信号，用于驱动种子源激光器不同的调谐模块，主要包括宽范围、低带宽的温度调谐202和窄范围、高带宽的电流调谐203，最后将种子源的波长实时锁定在反馈腔模的中心波长处。

在第一平面分束镜106的反射端口107监测到的激光输出功率结合CCD相机110测量得到的光束质量，推导计算得到合成激光的亮度，对比分析主动控制前后输出激光的亮度变化。

所述的输出端帽阵列103的水平高度需要保持一致，光轴相互平行，远场的指向偏差角要控制在微弧度量级，竖直方向距中心光轴的间隔D满足如下条件：

D＝f·tanθ

式中，f为第一片准直傅里叶透镜104的焦距，θ为该端帽对应衍射级与中心0级衍射光之间的夹角。

所述的反馈光纤111为纤芯9μm，内包层直径125μm的双包层单模无源光纤，为确保反馈光的耦合效率，需要放置在第二片成像傅里叶透镜的焦点处。

所述的波长可调谐的种子源201可分别进行温度慢调谐202和电流快调谐203，并便于直接与光纤耦合器113的输入端相连。

所述的第一平面分束镜106和第二平面分束镜109前表面镀有对激光反射率99％的高反射率膜层，后表面镀有增透膜层，与光轴夹角45°放置。

实验表明，本发明将多路窄线宽的光纤激光器通过全光反馈共孔径相干合成的方式组合成一束高能激光空间输出，加入主动控制的反馈回路可以确保初始主振荡种子波长与反馈腔模的中心波长相一致，进一步压窄合成激光的输出线宽，降低相位噪声，降低外界环境对环形腔的干扰，维持锁相效果的稳定。本发明克服了传统被动相干合成系统合成效率低、相位噪声强、锁相效果差的特点，既能保持住合成系统的稳定性和安全性，又有助于扩展阵列的规模，提高窄线宽输出激光的亮度，是实现光纤激光器向更高功率更好光束质量扩展的有效技术途径。