光纤激光器光谱合束技术综述

  本文摘要：1章节 高功率、低光束质量仍然是固态激光器执着的目标，随着高端工业应用于、尤其是潜在的军事应用于等市场需求的机车，高功率、低光束质量的全固态激光器技术发展方兴未艾。光纤激光器不具备切换效率高、光束质量好、热管理非常简单、用于灵活性等一系列优点，渐渐沦为高功率全固态激光器技术研究的热点。

1章节　　高功率、低光束质量仍然是固态激光器执着的目标，随着高端工业应用于、尤其是潜在的军事应用于等市场需求的机车，高功率、低光束质量的全固态激光器技术发展方兴未艾。光纤激光器不具备切换效率高、光束质量好、热管理非常简单、用于灵活性等一系列优点，渐渐沦为高功率全固态激光器技术研究的热点。光纤激光器由于热效应、非线性效应、光纤受损、泵浦耦合、模场直径等因素的容许，单纤单模的激光输入被容许在了万瓦量级，若要取得更高功率水平，则必须使用多单元光束合束方式构建，目前发展较慢的主要有相干性合束(coherentlycombining)和光谱合束(SBCspectralbeamcombining)。相干性合束理论上可以无限制备功率，但由于单元光束空间分离出来(填满因子)的缘故，光束质量无法超过散射无限大，且对单元光束的振幅稳定度和控制精度拒绝极高，工程上构建可玩性较小；光谱合束一般不能在增益介质的增益比特率内受限制备功率，但设计比较非常简单，对单元光束稳定性和掌控拒绝较低，同时又能构建散射无限大的光束质量，目前是光纤激光器构建高功率、低光束质量激光输入的较好自由选择。

　　2光谱合束技术的原理　　目前，光谱合束技术主要基于两类色散元件，一种是体布拉格光栅(volumeBragggrating，VBG)，一种是多层介质膜光栅(multilayerdielectricgrating，MLDG)。　　体布拉格光栅合束的基本原理如图1右图。　　当一束平面波入射光至一块非弯曲(光栅向量平行于光栅表面的法线方向)的反射式体布拉格光栅上时，散射效率可以由下式计算出来：　　其中，0为光栅的中心波长，t是光栅的厚度；nav是光栅介质的折射率平均值，光栅介质的折射率按正弦函数周期性变化；n是折射率调制的振幅；f是光栅的空间频率；回应入射光平面波与0的波长劣。

当平面波波长和入射光至光栅的角度符合波长0对应的布拉格条件，即=0时，取得了仅次于的散射效率0，回应为：　　对于体布拉格光栅而言，当入射光波长和角度符合布拉格条件时，散射效率取得最大值，近似于1；而对于其他背离布拉格条件的波长而言，散射效率近似于为0。所以，如图1右图，当两束具备一定波长劣的光束以共轭的角度入射光至光栅并在光栅上再次发生光斑重合时，如果其中一束光1符合布拉格条件而另一束光2在光栅上的散射效率为0，那么波长1的光束以仅次于散射效率再次发生散射，而波长2的光束入射经过光栅。这样，波长1和2的两束光经过光栅起到后同轴输入，即构建了波长有所不同的两束光的同光路合束。

以此类推，当不存在N个中心波长有所不同的体布拉格光栅时，才可构建N+1路有所不同波长光束的光谱合束。　　多层介质膜光栅是一种平面光栅，其合束原理如图2右图。

　　式(3)为平面散射光栅的光栅方程：　　其中，d为光栅的缝距；1和2分别为光束的入射角度和散射角度；m为散射级次；为波长。由此不算出有有所不同波长光束以同一散射角度出射时对应的有所不同入射角度。　　由于多层介质膜光栅的散射主峰有一定的宽度，所以与散射峰中心波长差距并不大的其他波长，也可以在多层介质膜光栅上取得很高的散射效率。

这样，有一定波长劣的多路光束，以有所不同的特定角度入射光至多层介质膜光栅上的同一点，才可构建多路光束的同方向输入，也就已完成了多路光束的光谱合束。

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