[发明专利]一种缩小谱间距的三束光纤激光外腔谱合成方法及其系统

说明书

本发明公开了一种缩小谱间距的三束光纤激光外腔谱合成方法，包括以下步骤：首先，利用两路掺杂光纤阵元，在前腔镜、变换透镜、闪耀光栅、输出耦合镜之间构成的谐振腔中，通过激光振荡方式，谱合成为一束包含波长λsubgt;1/subgt;、λsubgt;2/subgt;的光束；其次，在所述两路激光外腔谱合成系统中，串联一块谱选择性小于Δλ＝λsubgt;2/subgt;‑λsubgt;1/subgt;的反射体布拉格光栅；最后，在第三路掺杂光纤阵元前腔镜、反射体布拉格光栅、输出耦合镜三者之间，构成一个外腔激光系统，让该阵元输出的波长为λsubgt;0/subgt;光束以布拉格角入射反射体布拉格光栅，其衍射光束与包含λsubgt;1/subgt;、λsubgt;2/subgt;的合成光束同轴传输，由此实现三束激光缩小了谱间距的外腔谱合成。还公开了一种缩小谱间距的三束光纤激光外腔谱合成系统。

技术领域

本发明涉及光纤激光谱合成领域，特别是涉及一种缩小谱间距的三束光纤激光外腔谱合成方法及其系统。

背景技术

激光合成是一种将多束激光合成为一束亮度更大、功率更高激光的技术，包括相干和非相干合成两种方法。谱合成属于非相干合成中的一种合成方案，其原理是利用光通信中的波分复用技术。谱合成已成为实现高功率、高亮度激光的重要途径，可分为带外腔和不带外腔的两种实现模式。

对于不带外腔的体布拉格光栅谱合成，由于一面光栅只能合成两束激光，因而其扩展性受限；而对于多层电解质光栅的谱合成，由于主振荡功率放大器(MOPA)的使用，其结构异常复杂。

相比于不带外腔的谱合成，带外腔的谱合成拥有三大优势，分别为：系统的鲁棒性，易扩展性，以及合成光束的质量稳定性。然而，外腔谱合成也存在明显缺陷：由于外腔的选模作用，导致合成光束的谱间距过大，由此限制了激光阵元的合成数量。

下面，详细阐述外腔谱合成导致谱间距过大的原因：

现有的光纤激光外腔谱合成系统，通常包括前腔镜、掺杂光纤、变换透镜、闪耀光栅、输出耦合镜等。如图1所示。

对于该合成系统，谱合成时任意两束激光之间的谱间距可近似表示为：

Δλ≈Xdcosα/mF

式中：X为两掺杂光纤之间的间距(谱合成时，通常是将光纤紧密地排成一列，因此X约为光纤直径)，d为光栅刻线槽之间的距离，α为入射激光相对于光栅表面法线的入射角，m为衍射级次，F为变换透镜的焦距。

该模型表明：合成光束的谱间距，在光纤阵元间距确定的情况下，与光栅槽的间距成正比、与变换透镜的焦距成反比。若光栅槽间距过小，则当辐照功率过大时容易被损伤；当透镜焦距过大时，反馈串扰又会降低合成光束质量。因此，d不宜过小，F不宜过大，由此导致合成光束的谱间距必然较大。

对于图1所示的外腔谱合成系统，当闪耀光栅的刻线密度为400line/mm、Er/Yb共掺光纤直径为300μm、F为100mm时，进行三路激光谱合成实验，获得的合成光束谱间距如图2所示，图中λ_c为合成光束的中心波长。由图2可以看出，合成光束波长—波长之间的间距达到7.9nm。若掺杂光纤的荧光谱范围为35nm，则该系统最多只能实现5束激光的合成。

因此亟需提供一种缩小谱间距的方法，在有限的掺杂光纤荧光谱范围内，实现更多束光纤激光的外腔谱合成。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是发明一种缩小谱间距的三束光纤激光外腔谱合成方法，并提供该方法实现缩小谱间距的合成系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种缩小谱间距的三束光纤激光外腔谱合成方法，包括以下步骤：