CN104901149A - 基于三块衍射光栅的光谱合束*** - Google Patents

Abstract

一种基于三块衍射光栅的光谱合束***，包括M个不同波长的种子源、M个光纤放大器阵列和M个准直输出器、第一块衍射光栅、第二块衍射光栅、第三块衍射光栅、平面反射镜、傅里叶透镜和CCD相机。本发明将多路光纤激光束组合成一束激光输出，实现高功率高光束质量的输出。本发明克服了传统光谱合成***合成光光束质量退化严重以及单块衍射光栅路数扩展困难的问题，是实现光纤激光器更高功率扩展的可行的光谱合束***。

Description

基于三块衍射光栅的光谱合束***

技术领域

本发明涉及光纤激光光谱合束***，特别是一种基于三块衍射光栅的光谱合束***。

背景技术

光纤激光器由于具有体积小、效率高、光束质量好和便于热管理等良好的特点，近年来实现了飞速的发展，在空间通信、激光武器、材料加工、遥感和激光雷达等领域得到了广泛的应用。随着技术的发展，高功率高光束质量的光纤激光逐渐成为各个应用领域的迫切需求，然而由于非线性效应、热效应以及端面损伤的限制，单路光纤激光器存在着一定的功率极限。在这种情况下，光纤激光合束技术应运而生，其中包括相干合束和非相干合束。相干合束对激光的线宽、相位都有着严格的要求，在实现高功率合成的路途上遭遇了一定的瓶颈。而非相干合束，又称作光谱合束，对激光的波长、相位以及线宽等要求大大降低，这种方法是通过一块衍射光栅将不同角度入射的不同波长的激光以同样的衍射角出射，从而得到一个共孔径输出的合束激光，光谱合束技术被认为是一种非常有希望获得高功率的合束技术，近来成为了研究热点。

现有的光纤激光光谱合束***的结构如图2所示，由N个不同波长的种子源201，N个光纤放大器202以及N个准直输出器203，折反镜组204，衍射光栅205，平面反射镜206，傅里叶透镜207，CCD相机208组成。N个不同波长的种子源经过N个光纤放大器放大至一定的功率，经过N个准直输出器出射。每一路出射激光经过一对折反镜入射到衍射光栅上，衍射光栅以波长为λ₀的立特罗角摆放，通过调整折反镜可以使各路光束以合适的角度入射到衍射光栅上，从而以相同的角度出射，实现多路激光的高功率共孔径输出。

然而，上述现有的光谱合成***存在一定的缺陷，实验中所用的激光源都是有一定线宽的，根据闪耀光栅方程2d sinθ＝λ可以推算出，衍射光栅对于有一定线宽的光源存在着色散效应Δθ＝Δλ/2d cosθ，由于光束质量直接取决于远场发散角和束腰半径，这个色散效应就会导致合成光束质量的下降，为了尽量保证合成光束质量不至于严重退化，需要限制各路子光束的线宽Δλ，根据相关的文献分析，可知Δλ应限制在GHz量级，而对于窄线宽光纤激光器来说，Δλ又直接决定着受激布里渊散射的散射阈值，较小的Δλ就限制了单路子光束的功率，从而限制了光谱合成的功率拓展。

发明内容

本发明针对上述现有的光纤激光合束***所存在的合成光束质量退化严重、合束激光路数扩展不便利的问题，提出一种基于三块衍射光栅的光谱合束***。该***能通过平行光栅的色散补偿特性大大降低光束质量的退化，并且通过三块光栅的空间结构实现更为便利的路数扩展。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于三块衍射光栅的光谱合束***，包括M个不同波长的种子源、M个光纤放大器阵列、M个准直输出器、第一块衍射光栅、第二块衍射光栅、第三块衍射光栅、平面镜、傅里叶透镜和CCD相机，上述元件的位置关系如下：第二块衍射光栅以波长为λ₀的立特罗角摆放，第一块衍射光栅在第二块衍射光栅的右上方与其平行放置，第三块衍射光栅在第二块衍射光栅的右下方与其平行放置，所述的种子源、光纤放大器和准直输出器依次串联并按波长排列成M行一列的高功率光纤放大器阵列，波长小于λ₀的高功率光纤放大器输出的激光平行地入射到第一块衍射光栅，波长大于λ₀的高功率光纤放大器输出的激光平行地入射到第三块衍射光栅，第一块衍射光栅的衍射光和第三块衍射光栅的衍射光均经第二块衍射光栅衍射形成共孔径的激光经所述的平面镜输出，该平面镜与光路成45°，在该平面镜的反射光束方向依次是所述的傅里叶透镜和CCD相机，该CCD相机位于所述的傅里叶透镜焦平面。

所述的不同波长的种子源的波长范围在1040nm-1090nm，线宽为数十GHz。

所述的第一块衍射光栅、第二块衍射光栅以及第三块衍射光栅均为偏振非相关的多层电解质反射式衍射光栅，刻线密度均为每毫米960刻线。

所述的一片平面反射镜的前表面镀有对激光透射率99％的高透射率膜，后表面镀有增透膜。

本发明的技术效果：

本发明采用三块衍射光栅对各种激光进行合束，可以视作上下两组双光栅结构，双光栅结构可以实现一定的色散补偿，这就大大降低了由于入射光源的有限线宽所引起的光束质量退化的问题，这就使得双光栅结构能够降低对子光束的线宽的要求，由于我们知道对于窄线宽高功率光纤激光器来说，线宽直接影响着受激布里渊散射的散射阈值，那么放宽了线宽的要求，也就意味着子光束的功率可以做得更高，这对合束技术是非常有益的。同时受限于光栅制造工艺，单块光栅尺寸不可能制作得特别大，现实情况下，不可能有无限个平行光束同时入射到一块衍射光栅，而三块衍射光栅的结构恰恰能解决这个问题，我们将波长不同的子光束分作上下两部分分别平行入射到两块衍射光栅，它们的衍射光共同入射到第三块光栅上，从而实现了多路光束的光谱合束。

三块衍射光栅均采用石英基底，热稳定性好，能承受高功率密度的激光照射，无需复杂的冷却***。

附图说明

图1为本发明基于三块衍射光栅的光谱合束***示意图

图2为现有的光谱合束***示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

先请参阅图1，图1为本发明基于三块衍射光栅的光谱合束***示意图。由图可见，本发明基于三块衍射光栅的光谱合束***，包括M个不同波长的种子源101、M个光纤放大器阵列102、M个准直输出器103、第一块衍射光栅104、第二块衍射光栅105、第三块衍射光栅106、平面镜107、傅里叶透镜108和CCD相机109，上述元件的位置关系如下：第二块衍射光栅105以波长为λ₀的立特罗角摆放，第一块衍射光栅104在第二块衍射光栅105的右上方与其平行放置，第三块衍射光栅106在第二块衍射光栅105的右下方与其平行放置，所述的种子源101、光纤放大器102和准直输出器103依次串联并按波长排列成M行一列的高功率光纤放大器阵列，波长小于λ₀的高功率光纤放大器输出的激光平行地入射到第一块衍射光栅104，波长大于λ₀的高功率光纤放大器输出的激光平行地入射到第三块衍射光栅106，第一块衍射光栅104的衍射光和第三块衍射光栅106的衍射光均经第二块衍射光栅105衍射形成共孔径激光经所述的平面镜107输出，该平面镜107与光路成45°，在该平面镜107的反射光束方向依次是所述的傅里叶透镜108和CCD相机109，该CCD相机109位于所述的傅里叶透镜焦平面。

所述的不同波长的种子源101的波长范围在1040nm-1090nm，线宽为数十GHz。

所述的第一块衍射光栅104、第二块衍射光栅105以及第三块衍射光栅106均为偏振非相关的多层电解质反射式衍射光栅，刻线密度均为每毫米960刻线。

所述的一片平面反射镜107前表面镀有对激光透射率99％的高透射率膜，后表面镀有增透膜。

所述的不同波长的种子源101按照波长分为两组，如图2所示，一组波长均小于λ₀，λ_n＜…λ₁＜λ₀，位于图2上半部分；另一组波长大于λ₀，λ_m＞…λ_n+1＞λ₀，位于图2下半部分。波长小于λ₀的一组光束平行入射到第一块衍射光栅104，以不同的衍射角出射并传输到第二块衍射光栅105的同一个点处，波长大于λ₀的一组光束平行入射到第三块衍射光栅106，以不同的衍射角出射并传输到第二块衍射光栅105，与第一组光束作用在同一个点处。根据光栅方程，第二块衍射光栅105对入射到其上的所有光束衍射，从而实现所有子光束的共孔径输出，输出的合成光束传输到一片平面镜107，99％的光透过平面镜107，1％的光经过平面镜107反射，通过一片傅里叶透镜108成像在位于焦平面处的CCD相机109，从而对远场合成光斑进行检测。

下面以四路光纤放大器合束的实例进行说明，四路种子源101波长分别为1060nm、1064nm、1072nm、1076nm，首先将第二块衍射光栅105以1068nm波长激光的立特罗角摆放，根据闪耀光栅方程2d sinθ＝λ，可以得出对于1064nm波长，960线每毫米的衍射光栅，其立特罗角为30.84°；然后将第一块衍射光栅104和第三块衍射光栅106在一定距离处分别在第二块衍射光栅105右上方和右下方与其平行摆放；1060nm和1064nm子光束入射到第一块衍射光栅104,1072nm和1076nm子光束入射到第三块衍射光栅；开启四路种子源101，开启四路光纤放大器102，调整准直器103使得各路激光平行入射到相应的衍射光栅上，精细调整三块衍射光栅的位置，使得1060nm、1064nm子光束经过第一块衍射光栅的衍射光和1072nm、1076nm子光束经过第三块衍射光栅的衍射光作用到第二块衍射光栅105的同一点处；平面镜107与光轴成45°摆放，精细调整傅里叶透镜108和CCD相机109的位置，使得在CCD相机上可以监测到合成光束远场光斑，通过调整光路中的光学调整元件使得CCD相机中的合成光束远场光斑完全共孔径，从而完成四路光纤激光器的光谱合成。

Claims (4)

1.一种基于三块衍射光栅的光谱合束***，特征在于包括M个不同波长的种子源(101)、M个光纤放大器阵列(102)、M个准直输出器(103)、第一块衍射光栅(104)、第二块衍射光栅(105)、第三块衍射光栅(106)、平面镜(107)、傅里叶透镜(108)和CCD相机(109)，上述元件的位置关系如下：第二块衍射光栅(105)以波长为λ₀的立特罗角摆放，第一块衍射光栅(104)在第二块衍射光栅(105)的右上方与其平行放置，第三块衍射光栅(106)在第二块衍射光栅(105)的右下方与其平行放置，所述的种子源(101)、光纤放大器(102)和准直输出器(103)依次串联并按波长排列成M行一列的高功率光纤放大器阵列，波长小于λ₀的高功率光纤放大器输出的激光平行地入射到第一块衍射光栅(104)，波长大于λ₀的高功率光纤放大器输出的激光平行地入射到第三块衍射光栅(106)，第一块衍射光栅(104)的衍射光和第三块衍射光栅(106)的衍射光均经第二块衍射光栅(105)衍射形成共孔径激光经所述的平面镜(107)输出，该平面镜(107)与光路成45°，在该平面镜(107)的反射光束方向依次是所述的傅里叶透镜(108)和CCD相机(109)，该CCD相机(109)位于所述的傅里叶透镜焦平面。

2.根据权利要求1所述的基于三块衍射光栅的光谱合束***，其特征在于所述的不同波长的种子源(101)的波长范围在1040nm-1090nm，线宽为数十GHz。

3.根据权利要求1所述的基于三块衍射光栅的光谱合束***，其特征在于所述的第一块衍射光栅(104)、第二块衍射光栅(105)和第三块衍射光栅(106)均为偏振非相关的多层电解质反射式衍射光栅，刻线密度均为每毫米960刻线，衍射效率大于98％。

4.根据权利要求1所述的基于三块衍射光栅的光谱合束***，其特征在于所述的平面镜(107)的前表面镀有对激光透射率99％的高透射率膜，后表面镀有增透膜。