光纖激光光譜合束及光柵熱效應研究進展

研究背景：

光纖激光器由於其緊湊的結構，高轉換效率和良好的光束質量而成為目前的最廣泛使用的激光器之一，它已在醫學、通信、雷達、傳感、工業加工和科學研究等領域獲得了廣泛的應用。高功率光纖激光器的研究在近十年有了飛速的發展，輸出功率不斷提高，但由於熱效應、光學損傷、泵浦限制與非線性效應等因素的影響，單根光纖的功率提升受限，因此將多光束進行合成來提高輸出激光功率的合束技術應運而生。

主要結論

（1）介紹了光譜合束技術的發展歷程與最新進展。

（2）對目前較為主流的光譜合束方案的光學系統結構、合束光源要求以及方案自身的優缺點進行了介紹與對比分析，同時對其侷限性進行了説明，展望了光譜合束技術未來的發展方向。

（3）針對基於衍射光柵的光纖激光光譜合束中存在的光柵熱畸變問題進行了討論，從理論與實驗兩個角度分別介紹了目前對於光柵的熱畸變問題的研究現狀。

圖文速覽

本文簡要介紹了光纖激光光譜合束的幾種常見合束方案，對比分析了幾種合束技術的優缺點。對光譜合束中存在的光柵熱畸變問題，從理論研究和實驗研究兩個方面進行了針對性的分析與討論。

I 光譜合束技術發展現狀及研究進展光譜合束利用色散元件，將不同角度入射到色散元件的不同波長的光束實現同角度與共孔徑的輸出。根據合束系統中使用的色散元件的不同，可以分為基於稜鏡的光譜合束技術、基於雙色片的光譜合束技術、基於邊緣濾波器的光譜合束技術、基於體布拉格光柵的光譜合束技術和基於衍射光柵的光譜合束技術。基於稜鏡的光譜合束技術方案多見於專利，由於稜鏡本身的色散能力所限，無法對nm量級波長間隔的激光進行合束，路數拓展能力有限，無法實現大規模陣列合束，目前並非研究熱點。雙色片對子光束的線寬要求很低，理論上可以容納nm量級波長間隔的光束參加合束。目前最高合束功率為5.9 kW，光束質量為M2=1.9，但該方案的限制是若要實現大陣列規模的光束合束，對雙色片的鍍膜要求十分高，這是由於在有限的激光帶寬內要容納儘可能多的光束，子光束的波長間隔勢必要儘可能縮小，也就要求雙色片的透射譜邊緣要儘可能的陡峭，在nm量級變化內實現由高透射向零透射的突變。圖1 基於干涉濾光片的光譜合束結構示意圖及干涉濾光片透射譜

邊緣濾波器的透射譜與干涉濾光片類似，但不同的是，其透射率突變位置僅有一處，放寬了對合束激光器波長範圍的要求。目前最高合束功率為10 kW，光束質量為M2x=11.4，M2y=10.4。在實際的研究過程中，由於在激光透射雙色片及邊緣濾波器過程中，衍射元件會長時間承受高功率激光的輻照，不可避免的會造成温度上升，從而造成元件的熱畸變，對合束光束質量存在較大的影響。

圖2 基於邊緣濾波器的光譜合束方案的實驗配置目前，基於體布拉格光柵（VBG）的光譜合束方案難以同時達到高輸出功率與高光束質量的合束結果，原因是VBG作為合束的主要器件 ，由於製備材料為光熱敏折變玻璃，這種材料在合束過程中承受高功率激光輻照時，温度的升高會導致VBG原本的折射率發生變化，改變了原本的布拉格條件，使得光束的衍射、透射效率發生改變。因此在實際的工程化應用中需要考慮光源波長的熱調諧、多個VBG級聯應用時的效率提高等問題，距離大陣列規模的合束還具有一定的距離。圖3 基於VBG的光譜合束實驗示意圖II基於衍射光柵的光譜合束的最新研究進展（1）外腔式光譜合束方案這種外腔式光譜合束結構具有結構緊湊、路數拓展能力強等優點，在早期的光譜合束研究中較為常見，為光譜合束技術基本原理的研究提供了重要的依據。

圖4 外腔光譜合束系統實驗結構示意圖

（2）基於光束拼接的光譜合束方案

近5年，基於衍射光柵的光譜合束研究成果開始不斷的湧現，其中具有代表性的合成方案主要有三種：中國工程物理研究所的反射式保偏衍射光柵方案、中國科學院上海光學精密機械研究所的反射式非保偏衍射光柵方案，以及中國航天科技集團的透射式衍射光柵方案，分別實現了9.6 kW，10.8 kW和10.6 kW的穩定輸出。

圖5 中國工程物理研究院光纖激光光譜合束示意圖

圖6 中國科學院上海光學精密機械研究所光纖激光光譜合束示意圖

圖7 中國航天科技集團光纖激光光譜合束示意圖

（3）基於光束密集複用的緊湊式光譜合束方案

採用該緊湊化的合束方案，通過將1040～1090 nm波段內的激光器參與合束，以及提高子光束激光器功率，能夠實現高功率量級的合束激光的輸出。目前採用該方案的光纖激光光譜合束系統的最高輸出功率是60 kW，為洛克希德馬丁公司於2017年3月公開報道的合成系統樣機。

圖8 緊湊式光纖激光光譜合束示意圖

III光譜合束系統中光柵熱效應研究現狀

光譜合束技術的發展速度十分迅速，合成功率在不斷提高，但與此同時光柵所承接的光束功率密度也在不斷增加，由於激光的熱沉積，不可避免的會導致光柵温度上升，進而產生熱畸變導致光束質量劣化。想要繼續提高合束激光功率，解決光柵熱畸變的問題變得越發重要。針對光譜合束過程中，光柵受高功率激光輻照時的熱行為，研究人員進行了一系列的研究，雖然合束光柵的選擇已經從金屬光柵更換為了吸收能力更弱的多層電介質光柵，但在承受萬瓦量級的激光輻照的情況下，光柵的熱畸變問題，以及由於光柵畸變造成的光束質量劣化問題依然是不能忽視的一個問題。

光柵產生熱畸變後，會對光束的強度分佈與傳播特性產生影響，經過研究發現，隨着輻照功率的增加，光束強度會發生中央強度下降，旁瓣強度增加的現象，並通過模擬對這一現象進行了仿真分析。

圖9 光柵熱畸變造成光束光場強度分佈變化

通過對多層電介質膜衍射光柵在高功率激光輻照下的温度、畸變程度、光束質量等進行了實驗探究，研究表明，在相應實驗條件下，隨着輻照功率的增加，光柵温度與熱畸變不斷增加，激光功率密度從0 增加至3.6 kW/cm2時，光束質量M2劣化至2.56。

未來展望 

光譜合束技術是一種能夠保持高光束質量的同時，實現高功率激光穩定合成的技術，該技術通過光學元件將具有不同波長的光束實現共孔徑輸出，是高功率光纖激光實現高亮度功率合成的最有前途的技術方案。近年來發展十分迅猛，合成功率的提升也十分快速。隨着合束功率的提高，光柵所承受的激光功率密度越來越大，光柵温度不斷升高，熱畸變程度變大，對合成光束的光束質量與強度分佈會產生較大影響，光柵熱畸變問題已逐步變成阻礙光譜合束輸出高光束質量、高功率激光的阻礙，近些年越來越多的研究人員開始開啓相關研究，相信不遠的未來，隨着光柵製備技術的提高與外部散熱措施的設計，光柵熱畸變問題能夠得到緩解與解決，光譜合束的功率將不斷提高。

作者簡介 INTRODUCTION 

王漢斌

博士研究生，主要從事光纖激光光譜合束技術與光柵性能分析等方面的研究。

 通信作者 INTRODUCTION

周　軍

博士，研究員，博士生導師，主要從事高功率光纖激光器和準分子激光器等方面的研究。 何　兵博士，研究員，博士生導師，主要從事高功率光纖激光和光譜合束等方面的研究。 團隊介紹 INTRODUCTION

中科院上海光學精密機械研究所高功率光纖激光技術實驗室，是國內最早開展窄線寬光纖激光技術、高功率光纖激光技術和光纖激光合成技術的研究單位之一，具有單纖光纖激光及其陣列合成技術原理與器件的多項自主知識產權、豐富的人才集聚和經驗積累。

文章轉自：強激光與粒子束期刊  江蘇激光聯盟轉載