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光纤激光器作为新一代激光器的代表,具有能量转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点,在工业和国防领域有广泛的应用前景。单根光纤激光器输出功率受限于非线性效应及材料损伤,高功率输出时以多横模工作,光束质量下降。因此,进行光纤激光阵列相干合成技术的研究是实现高功率高亮度光纤激光系统的必然途径。
本文回顾了光纤激光相干合成技术研究历程,简要介绍了各种技术方案原理及其特点。通过理论与实验研究,取得的主要成果如下:
1.理论上对光纤激光相干阵列远场光强分布建模,数值模拟了阵列不同排布方式、不同激光间距、不同激光数目,以及阵元激光间存在相位偏差、强度偏差与偏振方向偏差时对远场特性的影响。发现排布方式的中心对称度越高,阵列排布越紧密,相干合成效果越好。恒定相位差将影响远场光强分布,主瓣位置随着相位差的改变而变化,在一定相位差范围内可以实现较好的相干合成效果,并可利用相位差的变化来控制光束定向偏转。强度偏差对远场的影响相对偏振方向偏差的影响更小,对于两阵元相干合成,相对强度偏差<20%,偏振方向偏差<π/5,均可实现较好的相干合成。
2.通过对耦合腔选模理论的研究,说明了随着参与合成激光器数目增多,相干合成越难发生,合成效率降低。激光线宽的增加可以在一定程度上提高合成效率,但很有限。
3.实验首先实现了不同填充因子下基于自成像腔的同相模式锁定,结合数值模拟结果,说明了填充因子越大,合成光束质量越好。8.8W泵浦下得到1.44W相干输出,相干合成效率93.4%。通过数值模拟研究分析,发现选用最佳长度的增益光纤,可以进一步增大相干激光斜效率及输出功率。利用f-f结构干涉臂的迈克尔逊腔,实现了两光纤激光器相干合成,8.8W泵浦下得到2.2W相干输出,相干合成效率75.7%。