CN101592783B - 相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置 - Google Patents

Abstract

一种相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置，该装置依次由同光轴的相干激光阵列、谱分布相位板、傅立叶变换透镜和逆达曼光栅构成，所述的谱分布相位板和逆达曼光栅分别放置于所述的傅立叶变换透镜的物面和频谱面上。本发明可将阵列相干激光组束并装填成单一光束，达到大幅提升激光器输出功率和光束质量的目的，具有结构和原理简单，性能稳定可靠的特点，能够控制输出光束尺寸及其远场光束宽度，可广泛应用于需要大功率激光发射源的相关领域，特别适用于激光雷达、激光武器等领域，对于发展紧凑型、轻量化和高光束质量的高功率激光器***具有实际意义。

Description

相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置

技术领域

本发明涉及高功率激光器***，特别是一种相干阵列激光逆达曼光栅的合束孔径装填装置。

背景技术

随着激光应用技术的发展，在激光雷达等领域需要高功率、高质量和高亮度的激光束，而且朝着小型化、全固态化、大功率化方向发展。一般来说，从单个激光器获得的输出功率是很有限的，建立高功率激光***的一种有效的技术方案是使用激光器阵列，并且要求从阵列元件中输出的所有光束能够相干合成为单一光束。其中采用衍射光学元件具有衍射效率高、体积小、调节方便和可以大量复制等特点，受到国内外研究者的广泛关注。

相干合束一般来说是把多通道的相干阵列激光组合成一个单通道的技术，孔径装填是把相干激光阵列的每个激光输出波面全部填充充满整个激光阵列口径的技术。介于两者之间的技术称为合束孔径装填技术，即产生一个单一光束波面，其输出光束孔径可以变化控制，能够介于单元口径和阵列孔径之间。

在先技术[1](参见G.J.Swanson，J.R.Leger and M.Holz，Aperture filling ofphase-locked laser arrays，Opt.Lett.，12，245-247，1987)中利用光学傅立叶变换相位滤波和两值相位校正方法，实现激光阵列的孔径装填。傅立叶相位滤波可以把阵列激光束转化为两值周期性位相分布光场，使得原来的振幅周期脉冲串成为一个无间断的等幅度周期相位变化的连续波面，通过相位校正板再变为无间断的等幅度同相位连续波面得到了远场单一主瓣这种技术适用于振幅两值分布的阵列光束，但是不适用于振幅连续分布的激光光束如高斯光束。

在先技术[2](参见L.Liu and L.Zhao，Aperture filling of a phase-locked laserarray by phase correction with self-imaging，Chinese Physics，9，810-814，1989)中利用分数泰伯自成像效应在锁相阵列后一定距离放置相位补偿板的孔径装填方法，得到了远场单一主瓣。激光阵列看成是一种具有特定占空比的振幅型周期结构的振幅光栅。根据泰伯自成像理论，在一定的分数泰伯距离处，等相周期振幅结构通过菲涅耳衍射可转化为等幅周期位相结构。由泰伯自成像衍射的频率倍增效应，倍增的脉冲串将刚好填满原间隔光源的空档，使得原来的周期脉冲串成为一个无间断的等幅度连续波面，即获得有恒定振幅同相波面，从而可以消除高阶衍射级次的产生，得到远场强度的单一主瓣，这种技术适用于振幅两值分布而且可以连续周期排布的阵列光束，但是不适用于振幅连续分布的激光光束如高斯光束，而且对于较大单个孔径尺度的阵列要求有较长的衍射距离。

在先技术[3](参见R.M.Jenkins，R.W.J.Devereux，and J.M.Heaton，Waveguidebeam splitters and recombiners based on multimode propagation phenomena，Opt.Lett.，17，991-993，1992)，基于光波导自成像效应的多模干涉耦合器可以实现波导分束和合束，在满足一定的条件下可以进行多路光束的相干合成。但是，由于受波导条件的空间尺度限制，激光阵列单元数在波导尺度的微小空间内不能很多，因此对输出功率的进一步提高有很大限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置。该装置应具有结构简单，稳定可靠，能大幅度提高激光器输出功率和亮度以及适当光束输出口径的激光光束。

本发明的技术解决方案如下：

一种相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置，其特点在于该装置依次由同轴的相干激光阵列、谱分布相位板、傅立叶变换透镜和逆达曼光栅构成，所述的谱分布相位板和逆达曼光栅分别放置于所述的傅立叶变换透镜的物面和频谱面上。

等光强的相干激光阵列输入光束经谱分布相位板后和傅立叶变换透镜变换后，在该傅立叶变换透镜后焦面上的光场用逆达曼光栅进行相位补偿后，可输出一定口径的同相位单一光束，实现相干激光阵列合束，同时实现孔径装填。该装置不仅可以实现相干阵列激光合束，大大提高了远场光束亮度，而且光束口径可以变化控制，产生不同于单光束口径和阵列总口径的输出光束。

所述的相干激光阵列为锁相的相干激光阵列光束，可以是激光二极管阵列、光纤激光阵列、固体激光器阵列或气体激光器阵列产生的激光阵列光束。

所述的相干激光阵列可以为一维周期阵列或二维周期结构阵列。

所述的达曼光栅为一优化设计的纯相位光栅，其功能是在傅立叶谱面上能产生特定衍射级次的间距相等和有限个数的等光强光点阵列，所述的达曼光栅位于傅立叶透镜的前焦面，傅立叶谱面即为傅立叶透镜的后焦面；

所述的谱分布相位板是由达曼光栅的傅立叶谱面上特定衍射级次的等强度分布光场的相位制作成的相位板。

所述的逆达曼光栅的相位分布是达曼光栅的相位分布的复数共轭。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.逆达曼光栅方法属于远场衍射原理，阵列面和光栅面为光学傅立叶变换关系，操作可靠，易于实现；

2.原理简单，只需设计出达曼光栅作为阵列分束时的相位分布，对达曼光栅相位分布取复共轭即可得到逆达曼光栅。

3.逆达曼光栅合束孔径装填能获得可以变化控制的适当大小的光束口径，其口径可以不同于单元光束口径和阵列光束总口径，因此能够有效控制输出面上的功率密度和远场光束宽度；

4.阵列光束的振幅可以为两值分布或者连续分布，特别适用于振幅连续分布的高斯型激光光束。

附图说明

图1为本发明相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置示意图。

图2为达曼光栅分束原理示意图。

图中：11-相干激光阵列，12-谱分布相位板，13-傅立叶变换透镜，14-逆达曼光栅。21-达曼光栅，22-傅立叶变换透镜，23-傅立叶谱面。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置的结构示意图如图1所示，由图可见，本发明相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置，依次由同光轴的相干激光阵列11、谱分布相位板12、傅立叶变换透镜13和逆达曼光栅14构成，所述的谱分布相位板12和逆达曼光栅14分别放置于所述的傅立叶变换透镜13的物面和频谱面上。

所述的相干激光阵列11的排列方式与达曼光栅21分束时在傅立叶透镜的后焦面即傅立叶谱面23上特定衍射级次产生的间距相等的有限个等光强的光点阵列分布相同，可以设计为一维周期阵列或两维周期阵列。

所述的达曼光栅21是一种能产生特定衍射级次数目的周期性纯相位分布的光栅，将达曼光栅21置于傅立叶变换透镜22前焦面上，经一定振幅的入射光照射，在傅立叶谱面23上得到间距相等的有限个数的等光强且具有一定相位分布的阵列光场，如图2所示。

所述的达曼光栅21位于傅立叶变换透镜22的前焦面上，所述的傅立叶谱面23为傅立叶变换透镜22的后焦面。

所述的谱分布相位板12是依据达曼光栅21在傅立叶谱面23上光场的相位分布制作成的相位板。

所述的逆达曼光栅14为纯相位光栅，与达曼光栅21的相位分布是复共轭关系，达曼光栅21和逆达曼光栅14均可以为二值或多值的纯相位光栅。

所述的相干激光阵列11位于傅立叶变换透镜13的前焦面上，所述的逆达曼光栅14位于傅立叶变换透镜13的后焦面上。

达曼光栅的功能说明如下：

达曼光栅是一种产生特定衍射级次数目的典型的二元光学衍射元件，将达曼光栅置于傅立叶变换透镜前，经一定振幅的光波照射，在傅立叶变换透镜的后焦面上得到间距相等的有限个数的等光强的光点阵列分布。

达曼光栅21是一种纯相位光栅，其透过率函数为：

其中：T_x、T_y和Δx、Δy分别为x、y方向达曼光栅的周期和中心移位，在达曼光栅21周期内具有亚周期相位结构

衍射M×N级点的理想二维达曼光栅的谱即傅立叶变换为：

式中：f_x、f_y为空间频率，C_M、C_N为常数，H(f_x、f_y)为高阶衍射项，

对于奇数M，N，有m＝0，±1，±2，...，±(M-1)/2，n＝0，±1，±2，..，±(N-1)/2，

对于偶数M，N，有m＝0，±1，±3，...，±(M-1)，n＝0，±1，±3，...，±(N-1)。

因此，在理想设计下H(f_x，f_y)≈0，达曼光栅21在傅立叶谱面23上可产生给定M×N衍射级次的光强相等、相位一定的光点阵列，于是可把不同衍射级次对应的相位分布

制作成谱分布相位板12，而且对达曼光栅21的相位分布取复数共轭可得到逆达曼光栅14。

基于逆达曼光栅的相干阵列激光合束孔径装填的过程如下：

假设锁相的相干激光阵列11的阵列分布光场为：

$e_1(x,y)=e_s(x,y)**\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-m{T}_{\mathrm{\α}})\mathrm{\δ}(y-n{T}_{\mathrm{\β}}),---\left(3\right)$

其中：e_s(x，y)为单元激光束光场分布，T_α、T_β阵列光束的周期。谱分布相位板12的透过率函数为：

于是相干激光阵列加入谱分布相位板后的光场，经焦距为f的傅立叶变换透镜13后，在后焦面上的光场分布为：

$E_2(x,y)=\frac{1}{\mathrm{j\λf}}\frac{F_{f_x=\frac{x}{\mathrm{\λf}},f_y=\frac{y}{\mathrm{\λf}}}\left\{e_s(x,y)\right\}}{C_M{C}_N}[g_D(-x)g_D(-y)-F_{f_x=\frac{x}{\mathrm{\λf}},f_y=\frac{y}{\mathrm{\λf}}}\{H(f_x,f_y)\left\}\right],---\left(5\right)$

其中： $F_{f_x=\frac{x}{\mathrm{\λf}},f_y=\frac{y}{\mathrm{\λf}}}\left\{\right\}$ 为傅立叶变换算符。

在傅立叶变换透镜13的后焦面上加入逆达曼光栅14进行相位补偿后获得相干阵列合束孔径装填后的输出光场为：

e₂(x，y)＝g_D*(-x)g_D*(-y)E₂(x，y)，    (6)

其中：g_D ^*(-x)g_D ^*(-y)是逆达曼光栅光场分布函数，″*″表示复数共轭。

在理想设计条件下，

$e_2(x,y)=\frac{\sqrt{M}\sqrt{N}}{\mathrm{j\λf}}{F}_{f_x=\frac{x}{\mathrm{\λf}},f_y=\frac{y}{\mathrm{\λf}}}\left\{e_s(x,y)\right\},---\left(7\right)$

于是得到特定振幅分布的单一光束输出，从而实现相干激光阵列逆达曼光栅的合束孔径装填。

需要说明的是：由于高斯函数的傅立叶变换仍然是高斯函数，因此阵列激光为高斯函数时输出激光仍然为高斯光束，其远场分布也是高斯光束。由于单模激光基本上采用高斯光束表达，因此具有高度有效性。

下面通过实施例对本发明作进一步的说明：

波长1.55μm的32×32个相干光纤激光器阵列，每个激光器输出光场为对称高斯型振幅即 $\mathrm{Kexp}(-\frac{{\mathrm{\ξ}}^2}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\ξ}}^2})\exp (-\frac{{\mathrm{\η}}^2}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\ξ}}^2}),$ 其中K为常数，在两个垂直正交方向以等周期100μm排成32×32的正方形面阵，对称放置在达曼光栅的±1，±3，±5，±7，±9，±11，±13，±15，±17，±19，±21，±23，±25，±27，±29，±31级的衍射级次上。阵列平面波腰宽度(2ω_ξ)为10μm，傅立叶变换透镜口径8.386mm，焦距20.268mm。

谱分布相位板12相位的一维分布如表1所示，将此分布对应于x、y轴，即可得到二维相位分布。逆达曼光栅14一个周期内相位的一维分布如表2所示，将此分布对应于x、y轴，即可得到二维达曼光栅。逆达曼光栅14一个周期内突变点的对数为17对，其中a_i，b_i表示一对突变点的坐标，坐标a_i，b_i之间相位为0，坐标b_i，a_i+1之间相位为π。

在理想设计条件下，合束孔径装填后光场分布为 $\mathrm{kexp}(1-\frac{x^2}{{\mathrm{\ω}}_x^2})\exp (-\frac{y^2}{{\mathrm{\ω}}_x^2}),$ 为一高斯型振幅分布单一光束，合束的波腰宽度(2ω_x)为0.314mm。

表1谱分布相位板12一维相位分布

衍射级次	-31	-29	-27	-25	-23	-21	-19	-17
									相位(π)	0.6047	-0.0347	0.7055	0.6144	0.9885	0.3160	-0.5067	-0.6508
衍射级次	-15	-13	-11	-9	-7	-5	-3	-1
									相位(π)	0.7172	0.6638	-0.7662	0.2049	0.2531	0.1088	0.7287	-0.3066
衍射级次	31	29	27	25	23	21	19	17
									相位(π)	-0.6047	0.0347	-0.7055	-0.6144	-0.9885	-0.3160	0.5067	0.6508
衍射级次	15	13	11	9	7	5	3	1
									相位(π)	-0.7172	-0.6638	0.7662	-0.2049	-0.2531	-0.1088	-0.7287	0.3066

表2逆达曼光栅14一个周期内相位的一维分布

二值相位：0和π，一个周期内的突变点对数：17

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										ai	0	0.08900	0.13340	0.19580	0.23060	0.33010	0.40100	0.44110	0.4840
bi	0.05540	0.11010	0.17320	0.21090	0.24870	0.34820	0.43320	0.46530	0.5
										i	10	11	12	13	14	15	16	17
ai	0.55540	0.6101	0.6732	0.7109	0.7487	0.8482	0.9332	0.9653
										bi	0.58900	0.6334	0.6958	0.7306	0.8301	0.901	0.9411	0.984

Claims (3)

1.一种相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置，其特征在于该装置依次由同轴的锁相相干的激光阵列(11)、谱分布相位板(12)、傅立叶变换透镜(13)和逆达曼光栅(14)构成，所述的谱分布相位板是依据达曼光栅在傅立叶谱面上光场的相位分布制作成的相位板，所述的逆达曼光栅的相位分布是达曼光栅的相位分布的复数共轭，所述的谱分布相位板(12)和逆达曼光栅(14)分别放置于所述的傅立叶变换透镜(13)的物面和频谱面上。

2.根据权利要求1所述的相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置，其特征在于所述的锁相相干的激光阵列(11)是由激光二极管阵列、光纤激光阵列、固体激光器阵列或气体激光器阵列产生的激光阵列。

3.根据权利要求1所述的相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置，其特征在于所述的锁相相干的激光阵列为一维周期阵列，或二维周期结构阵列。

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