相干合成技术

反馈控制部分是相干合成系统中的核心，用于同步监测相干合成系统的作用效果，并根据情况做出实时的校正，使系统始终处于最优化状态。适用于相干合成的主动锁相方法主要有外差法、多抖动法、优化算法、峰值比例算法和条纹提取算法等多种，本节主要针对多抖动法和 SPGD 法进行讨论，为了避免引入复杂的问题，相关实验均在瓦量级功率水平下进行。

多抖动法相干合成

多抖动法最早是用于自适应光学的一种控制方法。2000 年，美国 HRL 实验室首次采用该方法实现了五路光纤放大器的相干合成。2006 年，M. Shay 等人改进了相位调制方式，实现了 9 路光束的相干合成，输出总功率达到百瓦量级。本节将通过描述低功率条件下基于多抖动法的板条激光放大器相干合成实验情况，初步介绍相干合成实验的现象及基本分析方法。

多抖动法相干合成原理

多抖动法的基本原理类似于调相(PM)收音机，它首先对参与合成的各路光束进行不同频率的高频小幅相位调制，即提供载波;各光束的相位误差则相当于施加在载波上的调制信号;合成后测量多光束的干涉引起的强度起伏，再利用与载波同频信号进行相关处理，即进行解调;就可以提取出的各光束相位误差并加以处理产生控制信号对各路光束的相位进行校正，实现锁相输出。

高光束质量、单频、线偏种子光经过分束，再通过相位调制器之后入射各单元激光放大链路;各单元输出激光经合束拼接后由一高反镜发射，部分激光透射，作为采样光来产生控制信号;系统中控制电路起两个作用，一是生成高频小幅载波信号(调制)，二是根据探测系统反馈的信息计算补偿信号(解调)，并将解调的相位信息与载波信号一起作用于相位调制器。

相干合成的技术方案按是否通过外界手段来干预探测并校正相位误差可分为主动式的闭环有源相位控制和被动式的自组织锁相运行激光器阵列两大类

闭环有源相位控制

闭环有源相位控制方案一般采用MOPA 结构, 它是一种主动式的有源相位校正技术, 一般主要由种子源或称主振荡器、声光移频器、1 x N 的光纤藕合器、

光纤功率放大器、光电探测器和相位调制器等器件组成, 中间还需要一系列的准直、对齐和分光组件, 如透镜、分束器等. 其基本原理是主振荡器的输出激光被分为多束, 引出其中一束经声光移频器后作为参考光波, 其余各束进行功率放大, 利用外差法探测各光纤功率放大器的输出光波与参考光波的相位差, 根据所探测的相位差实时控制相位调制器以实现对相位误差的实时校正, 进而达到锁相运行的目的. 方案难度在于实现合成阵列中多路的实时相位检测(传感) 与相位校正比较困难, 随着合成路数的增加, 它将需要的大量高灵敏度的光电探测器和相位调制器以及相应的高速控制电路, 系统将变得复杂且庞大; 另外, 各路合成激光的偏振态不易控制, 目前解决此间题的办法就是采用保偏光纤放大器, 制作大功率的保偏光纤放大器具有相当的难度; 最后, 制作高质量(单频单模单偏振) 的种子源激光器也不是一件易事。2 0 03 年, 美国NorthorpGruan空间实验室采用此方案通过7 束155 W 光纤激光的相干合成获得了1 k w 的总输出功率。国防科技大学采用此方案于2 0 05 年在国内首次实现了3 束光纤激光的相干合成。

自组织锁相运行激光器阵列

自组织锁相运行是一个被动式的无源自调整过程。自组织锁相一般需要形成新的复合腔, 从而引入新的选模机制, 通过阵列中各单元间的相互影响, 能量相互注入藕合, 最终整个阵列以自组织出的公共模运行。通过自组织机理实现锁相的阵列一般需要具有以下特点: 宽增益带宽; 低Q 值;具有共同的本征模. 以自组织机理实现相干合成主要有以下五种表现形式。

增益介质间的倏逝波辐合

对于复合阵列波导, 它可以是半导体激光器阵列、多点抽运固体激光器或多芯光纤等的简化模型, 当各个平行波导之间的距离较近, 各自进入邻近波导倏逝场所在的区域时, 一个波导模的存在会对另一个波导模构成扰动, 原先波导中的本征模式不再相互独立, 而是产生了藕合, 进而形成了一种集体参与振荡的模结构, 这种由于倏逝场藕合在复合阵列波导中产生的本征模又叫超模。

固体激光器

文献中研究了固体激光器通过倏逝波藕合实现锁相运行的过程。二单元的N d: A 激光器通过倏G逝波藕合实现了稳定的相位锁定。当被激发的有源增益介质间的距离小于0 0 1拼时m, 相位锁定被明显地观察到了.阵列单元间的祸合强度可以通过调整泵浦光的位置连续改变, 这使得可以在一个很宽的祸合强度范围内观察相位锁定。作者还指出, 只要藕合强度大到可以确保锁相的发生, 快速的锁相过程将不再依赖于藕合强度的大小。

多芯光纤

多芯双包层光纤(D ou bl e d ad id gn m ul it co er if be r ) 在较大尺寸的内包层中有多个掺纤芯, 每个纤芯的直径、掺杂浓度等均相同, 纤芯间的距离很近, 且均为单模。由于各纤芯内振荡激光倏逝波之间的藕合, 使得各纤芯受激发射的激光相互作用, 达到锁相输出的目的.文献中采用有限元方法计算了多芯光纤(M C )F 中由于倏逝波祸合形成的超模, 以反射镜或光纤布拉格光栅、泰伯腔和准直透镜加高反镜三种通常使用的反馈机制分别作为边界条件, 对7 芯和19 芯光纤运用速率方程理论分析了多芯光纤激光器中的模式竞争和选择机制。对于泰伯外腔和准直透镜加高反镜的情形, 由于衍射藕合使得不同的超模具有不同的反馈系数, 最终系统选择某一占主导地位的锁相超模而运作。

光予晶体多芯光纤

光子晶体光纤( P C )F 又叫微结构光纤或多孔光纤, 它由固态玻璃纤芯和包含大量周期性分布的空气孔的包层组成, 或者是在玻璃基材料上形成低的有效折射率的孔。

文献报道了6 核和7 核结构的光子晶体光纤激光器通过倏逝波藕合实现了稳定的相位锁定。使用多散射方法模拟了单个芯核的模式特性, 在芯核呈环形分布情况下, 运用藕合模理论分析并得到了相位锁定态下的传导模一超模, 利用泰伯外腔进行超模选择获得了一个完全的锁相超模以及1.1 倍的近衍射极限的高质量激光束。该激光器工作在此锁相模下的输出功率为4 W, 相应的斜率效率为70 %。

衍射藕合

利用衍射藕合进行模式选择的外腔可以分为两种: 一是基于近场菲涅耳衍射的泰伯外腔; 二是基于远场夫琅和费衍射的自傅里叶变换腔。两种外腔均可实现激光束的相干合成, 均是被动祸合技术。两者最显著区别是S F 腔具有傅里叶透镜, 该透镜将各单元的光集中反馈到阵列的中心, 窄化了反馈回的基模高斯光束的包络, 减少了反馈光在阵列边缘的溢出, 因而降低了腔损耗, 提高了藕合效率和模式鉴别能力。泰伯腔是将衍射自成像形成的空间光斑反馈回原激光器阵列, 而S F 腔是将激光器阵列的远场光斑反馈回原阵列, 虽然实际情况中我们通常保持远场光斑就是原阵列的像。

近场菲涅耳衍射一泰伯效应

周期性光场分布的衍射自成像称为泰伯效应。当泰伯条件满足时, 周期性光场的振幅分布会在泰伯距离处再现原来的光场振幅分布, 在(半) 泰伯距离处放置一个反射镜可以反馈光有效地藕合进原来的阵列波导。由于一般泰伯腔的长度较短, 而且对腔长的精度有较高的要求。为了方便泰伯腔的调节, 可以增加泰伯腔的长度。考虑到同时满足泰伯条件的要求, 需要增加阵列单元间的距离。