[发明专利]一种扩展N路为2N-1路光纤激光的外腔谱合成方法及系统

说明书

本发明公开了一种扩展N路为2N‑1路光纤激光的外腔谱合成方法及系统，涉及光纤激光谱合成领域，是在现有的、基于闪耀光栅极限N路光纤激光阵元外腔谱合成方案的基础上，通过在合成激光的每相邻两种波长之间，再插入一束波长不同激光的方法，实现2N‑1束光纤激光的外腔谱合成，解决目前外腔谱合成存在的激光阵元数量受限问题。

技术领域

本发明涉及光纤激光谱合成领域，特别涉及一种扩展N路为2N-1路光纤激光的外腔谱合成方法及系统。

背景技术

激光合成是一种将多束激光拼接成一束亮度更大、功率更高的激光技术，包括相干和非相干合成两种实现方案。由于光栅性能的不断改善，非相干合成中的谱合成已成为实现高功率、高亮度激光的重要途径。

谱合成包括带外腔和不带外腔两种合成方法。与不带外腔的谱合成相比较，带外腔的谱合成更具有鲁棒性、易扩展性、合成光束质量稳定性等优势。然而，带外腔的谱合成也存在明显缺陷：在掺杂光纤有限的荧光谱范围内，由于外腔的被动选模，导致合成激光相邻波长之间的谱间距较大，由此限制了合成激光的阵元数量。

假设变换透镜的焦距为f，阵元之间的间隔为X，光栅常数为d，荧光谱带宽为Δλ_max，则2W+1个阵元(W为由系统轴向上和向下分别排列的阵元个数)合成时，计算表明：W的最大值为：

式中，表示取整数。若掺杂光纤的荧光谱宽为40nm，光栅的线密度为1200line/mm，变换透镜的焦距为100mm，阵元之间的间隔为X(最小间距为光纤直径)为450μmm，则外腔谱合成系统最多只能实现11路光纤激光的谱合成。进一步，依据相邻波长之间的谱间距近似公式Δλ≈Xd/F，可计算出相邻波长之间的谱间距约为3.75nm。

上述计算表明，限制外腔谱合成激光阵元数量的关键因素是合成光束相邻波长之间的间距。而依据公式Δλ≈Xd/F，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。考虑到谱合成时，光栅槽间距过小，则光栅容易被损伤；而变换透镜焦距过大会引起反馈串扰，从而降低光束质量等情况。因此，d不宜过小，F不宜过大，这必然使得合成光束的谱间距较大，由此限制了合成激光阵元的数量。

针对外腔谱合成存在的激光阵元数量受限的问题，亟需发明一种在有限荧光谱范围内，通过缩小谱间距来实现更多路光纤激光外腔谱合成的方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扩展N路为2N-1路光纤激光的外腔谱合成方法及系统，即提供一种突破现有外腔谱合成数量极限的方法及系统，解决目前外腔谱合成存在的激光阵元数量受限的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在现有的、基于闪耀光栅极限N路光纤激光阵元外腔谱合成的方案基础上，通过在合成激光的每相邻两种波长之间，再插入一束波长不同激光的方法，实现2N-1束光纤激光的外腔谱合成。

一种扩展N路为2N-1路光纤激光的外腔谱合成方法，其具体步骤如下：

S1、给出现有的极限N束光纤激光外腔谱合成方案，N路掺杂光纤阵元，在前腔镜、变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜之间构成的谐振腔中，以谐振的方式选取波长λ₁,λ₂,…,λ_N，谱合成为一束包含波长λ₁,λ₂,…,λ_N的N个波长的，该合成光束中，被选定的相邻波长之间的谱间距Δλ(Δλ＝λ_n-λ_n-1,n＝2,…,N)，可按公式Δλ≈Xd/F求得，式中，X为两光纤阵元之间的间距，d为闪耀光栅刻线槽之间的距离，即光栅常数，F为变换透镜的焦距；