[发明专利]多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及强激光技术领域，特别是多链板条激光相干控制共孔径偏振合成方法。

背景技术

随着半导体激光技术的快速发展和半导体激光器件性能的大幅提升，全固态激光器取得了显著的发展，并衍生出圆棒激光器、板条激光器、薄片激光器、光纤激光器、热容激光器等不同结构的激光器。由于受稳定性、热效应、激光介质本身特性等因素的限制，单台全固态激光器很难获得百千瓦的激光输出。将多路中等功率激光进行相干合成是一种解决上述瓶颈的有效方法。美国Northrop Grumman公司的研究人员理论分析表明，光纤激光器和板条激光器可以以较为方便的热管理实现百千瓦高功率激光输出。2009年，该公司研究人员以光纤激光作为种子源，利用主动相位控制实现了7路万瓦级板条激光器相干合成，输出功率达105.5kW。这是迄今为止全固态激光的最高平均输出功率，在强激光技术领域具有里程碑的意义。但是，传统的相干合成方案大都基于孔径拼接技术，导致远场能量向旁斑分散，降低了合成光束的光束质量和能量集中度。以Northrop Grumman公司105.5kW合成方案为例，随着合成路数的增加，合成光束主瓣内的功率占总功率的比例越来越少，105.5kW激光主瓣功率仅占总功率的11%，其亮度与一台12kW单模光纤激光器的亮度并无差异。如何进一步提高合成光束的亮度，是研究者一直探索的问题。同时利用相干合成技术和孔径填充技术，将各路中等功率的激光合成为一束激光输出，是全固态激光器实现高功率和高光束质量的可行途径之一。利用相干合成技术实现百千瓦的技术难点在于单路功率提升、路数扩展、光束质量的改善。板条激光器的输出功率已达万瓦级以上，并且其输出光束特性满足相干合成的需要，因此引起了国内外研究者的广泛关注。但是，目前板条激光器的输出光束有其不足之处，主要体现在：（1）由于热效应等因素的影响，单个板条激光器的光束质量有待于进一步改善；（2）合成光束没有进行孔径填充，合成光斑在近场存在一定的占空比，导致远场能量向旁斑分散，因此合成后光束的光束质量需要进一步提升。基于上述因素的考虑，本发明综合单元光束净化技术，设计了一种基于多链路板条固体激光放大器，利用相干控制共孔径偏振合成技术，实现高平均亮度、共孔径激光输出的新颖技术方案。

发明内容

本发明基于主振荡功率放大结构 (MOPA), 利用单元光束净化系统对放大后各路光束的波前进行净化，利用相干控制共孔径偏振合成技术，避免传统相干合成能量向旁斑分散的问题，实现高平均亮度、共孔径激光输出。

本发明的技术解决方案是：

整个系统包括：种子源1、预放模块2、分束器阵列3、相位调制器4、一级放大模块5、隔离器阵列6、板条放大器模块7、单元光束净化模块8、合成模块9、合成后光束净化模块10、合成光束处理模块11、光电探测模块12、信号处理模块13。

本发明的实现过程如下：

激光种子源1输出的光通过预放模块2进行放大，然后进入分束器阵列3后分为N束；从分束器阵列3出来的光经过相位调制器4进入一级放大模块5；各路光束经过一级放大模块5放大后进入隔离器阵列6，随后注入板条放大器模块7；板条放大器模块7对各路光束进行多级放大，使得各路光功率达到所需要求；从板条放大器模块7出来的光束进入单元光束波前净化模块8校正各路激光束由于热效应等因素引起的波前畸变；对每路光束进行净化后进入光束合成模块9将参与合成的光束合成为一束激光输出。合成后的光束经过光束净化模块10进行二次净化以校正温度、合成模块等引起的波前畸变；合成光束经过净化后进过合成光束处理模块11，用于探测输出光的功率、光斑分布、光束质量等；很小部分光经过光电探测模块12将光信号转变为电信号进入信号处理模块13；信号处理模块13对光电探测模块12提供的输入信号进行处理，将相位控制信号输送到相位调制器4对每一路光束的相位进行调制，实现整个系统的闭环控制。光电探测模块12、信号处理模块13和相位调制器4综合作用对各路光束的相位差进行控制，使得整个系统实现高效率的稳定输出。

本方法包含单元光束净化技术、锁相技术、共孔径偏振控制技术；

本方法放大部分采用板条激光器，前级预放和一级放大部分采用光纤激光器；主动相位控制方法可以是单抖动法或SPGD法；本方法的合成路数可以拓展到多路。