平均功率360 W的光谱合成纳秒脉冲光纤激光

李 政,李晋忠,张 昆,朱 辰

(1.固体激光技术重点实验室,北京 100015;2.中国人民解放军海军七○一工厂,北京 100015)

1 引 言

光纤激光器因其光-光转换效率高、光束质量好、散热能力优异、结构紧凑、易于集成等特点,广泛应用于通信[1]、国防[2]、医疗[3]和工业加工[4]等领域。特别是脉冲光纤激光器,在光电对抗、激光清洗等方向有着重要的应用。由于非线性效应、热效应、光损伤以及模式不稳定等因素的约束[5-7],单路脉冲光纤激光器的最大输出功率受到了限制,而光束合成技术为功率的进一步提升提供了新的技术路径[8-10]。

光谱合成作为一种非相干合成技术,即将多个不同波长的光束,以不同角度入射到色散元件或者双色元件表面,利用色散的逆过程,使不同波长的光束以相同的角度出射,实现共孔径输出。目前,二色镜(DM)合成技术、体布拉格光栅(VBG)合成技术以及多层电介质膜衍射光栅(MLDG)合成技术是主流的光谱合成技术方案。2009年,德国耶拿大学利用干涉滤光片实现了平均功率208 W,脉冲能量4.2 mJ,合成效率大于86 %的四路脉冲光纤激光光谱合成实验,光束质量因子为2.3[11]。2009年,德国Fraunhofer研究所采用单MLD光栅结构对4路光纤激光器进行光谱合成,实现了平均功率为1.1 kW的纳秒脉冲光纤激光输出,光束质量因子为1.5和2.7,子束线宽为0.2 nm[12]。2015年,美国Aculight公司通过优化子束排布,将入射激光阵列从12路扩展至96路,成功将光谱合成激光输出功率从3 kW提升至30 kW,单路子束线宽控制在3 GHz,光束质量因子为1.6和1.8[13]。2015年,中国工程物理研究院通过双MLD光栅补偿设计对5路千瓦量级光纤激光器进行光谱合成,成功实现5.07 kW光纤激光输出,光束质量因子为2.8和2.0,子束线宽约为0.2 nm[14]。次年,该研究团队对子束线宽、排布方式进行优化,将入射激光阵列从5路扩展至10路,实现9.6 kW光谱合成光纤激光输出,光束质量因子为2.9,二阶矩线宽为0.5～0.6 nm[15]。2016年,中国科学院上海精密机械研究所基于单MLD光栅结构对八路1.5 kW量级光纤激光器进行光谱合成,实现10.8 kW光纤激光输出,但光束质量较差,原因是经过光纤放大器后的子束线宽从70 pm展宽至0.5 nm[16]。总结以上国内外研究现状,可以看出:基于MLD光栅的光谱合成技术对子束激光的线宽十分敏感,想要获得较好的光束质量需要对子束线宽进行严格的控制；此外,国内在高功率连续光光谱合成的研究上已取得不少成果,但窄线宽脉冲光纤激光光谱合成的研究在国内还鲜有报道。

2 实验装置

本实验由窄线宽脉冲光纤激光器和基于单MLD光栅的光谱合成系统两部分构成。如图1所示为单路窄线宽脉冲光纤激光器的结构示意图,其结构与文献[17]中的基本一致,通过调节任意波形发生器(AWG)对每路时延进行控制,使得抵达衍射光栅的四路子束脉冲激光在时域上叠加成一束,输出的子束激光的中心波长分别为1058.2 nm、1067.0 nm、1071.8 nm、1075.4 nm,脉冲宽度约为3 ns,重复频率为1 MHz,线宽约为2.9 GHz,平均功率约为100 W,通过准直器后的束腰半径约为4mm。

图1 单路窄线宽脉冲光纤激光器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of single narrow linewidth pulse fiber laser

如图2所示为基于单MLD光栅的光谱合成系统的结构示意图,其核心色散元件为一块刻槽密度为1740 lines/mm的MLD光栅,该衍射光栅在1 μm波段近20 nm范围内的平均衍射效率在94 %以上。光栅以一级Littrow角(θL=68.6°@1070 nm)放置,并在垂直方向上倾斜1.5°。根据光栅方程:

图2 基于单MLD光栅的光谱合成系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the spectral beam combination(SBC) system with single-MLD-grating configuration

d(sinθ+sinθL)=mλ

(1)

1058.2 nm、1067.0 nm、1071.8 nm、1075.4 nm波长对应的入射角依次为65.6°、67.8°、69.1°、70.1°,通过多个反射镜组合的方式,使不同波长的子束纳秒脉冲激光以相应的入射角入射到光栅平面,实现四路光谱合成脉冲激光的共孔径输出。

3 实验结果与分析

当单路子束激光器平均输出功率约为100 W时,四路光谱合成脉冲激光的平均输出功率达到360 W,光谱合成效率约为90 %,峰值功率为122 kW,脉冲能量为0.36 mJ。采用分辨率为0.01 nm的光谱分析仪对光谱合成脉冲激光的光谱进行测量,当合成功率为360 W时对应的输出激光光谱特性如图3所示,从左至右中心波长依次为1058.2 nm、1067.0 nm、1071.8 nm、1075.4 nm。可以看到,1058～1075 nm之间还有很多未被填满的空白光谱区域,可用于进一步扩展光谱合成的子束波长与路数,提高光谱合成激光的输出功率。

图3 光谱合成功率为360 W时输出光谱图Fig.3 Spectrum of the laser at the spectral combined output power of 360 W

采用光电探测器和高速示波器对光谱合成激光的脉冲形状进行测量,最大合成功率下的脉冲波形如图4所示,脉冲宽度为2.95 ns,重复频率为1 MHz,合成后的激光脉冲宽度比起单路子束的脉冲宽度略有展宽。

图4 光谱合成功率为360 W时输出脉冲形状Fig.4 Pulse shape of the laser at the spectral combined output power of 360 W

图5 光谱合成功率为360 W时光斑的远场分布Fig.5 Far field distribution of the laser beam at the spectral combined output power of 360 W

(2)

4 总 结