[实用新型]一种基于角锥棱镜的多路灯泵激光器相干合成装置

说明书

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，特别涉及一种基于角锥棱镜的多路灯泵激光器相干合成装置，适用于激光加工。

背景技术

高功率、高光束质量和高可靠性激光器在科学研究、工业加工和军事武器等领域具有重要的应用。虽然目前大功率化学激光器、热容固体激光器等已实现了几十kW量级的高功率输出，但是这些激光系统体积庞大、造价昂贵、技术难度比较大，并且可靠性、稳定性及综合性能仍然需要进一步提高。

将多个激光器进行光束合成是获取好的光束质量的大功率激光源的有效途径。一方面，在保证单个激光器光束质量的同时提高了输出光束的功率，实现了亮度的提高；另一方面，分工式的结构有效分散了热效应，有效的克服了“热效应”造成的输出光束平均亮度的下降问题。基于多个激光器光束合成的高能激光系统同时解决了亮度和热管理两个难题，是高能激光系统发展的重要方向。

多个激光器的光束合成分为非相干合成和相干合成，非相干合成又包括多个激光器输出光强的简单物理叠加以及谱合成。谱合成一般结构为利用色散结构将相同波长的几个激光器合成为一束激光输出。在不考虑空间和成本的情况下，非相干合成能够极大的提高激光输出功率，而且操作简单，但受外界环境(如温度 机械振动等) 和本身参数起伏的影响较大，各激光器间的相位差起伏不定，故合成光束的相干性和光束质量将会下降，稳定性差。相干合成是利用某种技术将各个工作波长相同的激光束位相锁定，使这些激光束在远场发生相干叠加。相干合成后输出的激光亮度成合成路数平方倍的增长。该方案较非相干合成具有更高功率、高光束质量、高转换效率、结构紧凑且造价少的优点，故而成为当今高能激光系统研究领域的最前沿课题。

美国Northrop Grumman公司采用了一个主振荡器驱动多个并联的功率放大器，进行多孔径板条固体激光器相干合成的设计思想，从而减轻了放大器元件的负担，仅通过增加放大器的个数即可提高输出功率，并于2009年3月，实现七路相干合成，输出功率达到105.5KW。2008年9月，美国海军定向能武器研究所，采用6路5.5KW光纤激光器合束，实现激光武器演示验证。2011年，国防科技大学实现了9路全光纤激光器相干合成，输出功率达1.56kW。

实现相干合成主要有基于MOPA结构的主动相干合成和被动相干合成方式。主动锁相方案需要对每个子激光器进行相位探测和补偿，其结构过于精密和复杂，系统特别庞大。被动相干合成方案主要有“自傅里叶变换腔结构”、“自成像腔结构”、“滤波环形腔结构”等。2008年Corcoran利用自傅里叶变换腔实现了7路高功率相干合成，在总功率为70W的情况下，获得了6W的锁相激光输出。利用自傅里叶变换腔进行激光器阵列的相干合成，虽然系统体积较小，但是激光束之间的对齐和制造加工难度大，合成效率普遍较低。2008年，中科院上海光机所王炜等利用自成像腔实现了2维4路的相干组束实验，获得了26W的稳定相干输出。但是由于空间滤波引入能量损耗，自成像腔中单元光束的效率会随着激光数目的增多而降低。滤波环形腔是近几年才提出的一种新型外腔合成方案。2010年中科院上海光机所周军等利用滤波环形腔实现了2维4路掺镱光纤激光被动相干组束实验。然而，实验和理论表明，滤波环形腔的相位控制效率将随着激光功率的增大和数目的增多而下降。

申请人在长期研究角锥腔固体激光器的过程中，发现角锥三个反射面的棱边及其像将激光束分割成空间上对称分离的6个激光束，其中两两共轭的光束在空间上和时间上均完全相干。这些输出光束在远场能量高度集中、发散角小、相干距离长，在一些应用中（如激光测距）比使用传统激光器的测程明显提高，理论和实验均证明它具有良好的相干激光合成特性。于是，在国内外首次提出了基于角锥的互注入锁相概念，并先后应用于光纤激光器的相干合成和固体激光器的相干合成。利用简单实用的角锥棱镜以互注入锁相的方式实现多根激光介质的相位锁定，使得多个激光信号的频率、相位尽可能保持一致，从而实现高功率、高光束质量的相干合成光纤激光输出。

然而，光纤激光在实现连续激光相干合成输出方面具有优势，但是存在造价偏高的弊端，难以在工业加工领域推广。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于角锥棱镜的多路灯泵激光器相干合成装置。