光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展

研究背景：

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。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，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。

主要结论

（1）介绍了光谱合束技术的发展历程与最新进展。

（2）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了介绍与对比分析，同时对其局限性进行了说明，展望了光谱合束技术未来的发展方向。

（3）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。

图文速览

本文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。

I 光谱合束技术发展现状及研究进展光谱合束利用色散元件，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。基于棱镜的光谱合束技术方案多见于专利，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。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。目前最高合束功率为5.9 kW，光束质量为M2=1.9，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。

图1 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

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。目前最高合束功率为10 kW，光束质量为M2x=11.4，M2y=10.4。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。

图2 基于边缘滤波器的光谱合束方案的实验配置目前，基于体布拉格光栅（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 ，由于制备材料为光热敏折变玻璃，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，距离大阵列规模的合束还具有一定的距离。

图3 基于VBG的光谱合束实验示意图II基于衍射光栅的光谱合束的最新研究进展（1）外腔式光谱合束方案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。

图4 外腔光谱合束系统实验结构示意图

（2）基于光束拼接的光谱合束方案

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、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，以及中国航天科技集团的透射式衍射光栅方案，分别实现了9.6 kW，10.8 kW和10.6 kW的稳定输出。

图5 中国工程物理研究院光纤激光光谱合束示意图

图6 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

图7 中国航天科技集团光纤激光光谱合束示意图

（3）基于光束密集复用的紧凑式光谱合束方案

采用该紧凑化的合束方案，通过将1040～1090 nm波段内的激光器参与合束，以及提高子光束激光器功率，能够实现高功率量级的合束激光的输出。目前采用该方案的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。

图8 紧凑式光纤激光光谱合束示意图

III光谱合束系统中光栅热效应研究现状

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，但在承受万瓦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依然是不能忽视的一个问题。

光栅产生热畸变后，会对光束的强度分布与传播特性产生影响，经过研究发现，随着辐照功率的增加，光束强度会发生中央强度下降，旁瓣强度增加的现象，并通过模拟对这一现象进行了仿真分析。

图9 光栅热畸变造成光束光场强度分布变化

通过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，研究表明，在相应实验条件下，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。

未来展望 

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。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。

作者简介 INTRODUCTION 

王汉斌

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等方面的研究。

 通信作者 INTRODUCTION

周　军

博士，研究员，博士生导师，主要从事高功率光纤激光器和准分子激光器等方面的研究。 何　兵博士，研究员，博士生导师，主要从事高功率光纤激光和光谱合束等方面的研究。 团队介绍 INTRODUCTION

中科院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室，是国内最早开展窄线宽光纤激光技术、高功率光纤激光技术和光纤激光合成技术的研究单位之一，具有单纤光纤激光及其阵列合成技术原理与器件的多项自主知识产权、丰富的人才集聚和经验积累。

文章转自：强激光与粒子束期刊  江苏激光联盟转载