搜索
查看: 8255|回复: 0

[分享] 将多个超快光纤激光相干合成,可克服单根光纤的功率限制

[复制链接]

134

主题

135

帖子

490

积分

中级会员

Rank: 3Rank: 3

积分
490
发表于 2020-9-21 23:44:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
本文章来自与非网

通过将多个超快光纤激光进行相干合成,可以克服单根光纤的功率限制。在这种相干合成装置中,一般采用偏振分束器(PBS)用于合束(如图 1(a)所示),不过这种装置复杂度较高,而且随着合成通道数的增多,占用体积也会越来越大。德国耶拿课题组提出了分段反射率分束器(SMS)的合成办法,如图 1(b)(c)所示。

1.jpg


图 1 (a)级联合束系统示意图 (b) SMS 装置示意图,数值为分束面的反射系数,在输入波束阵列功率均匀的情况下,可以实现振幅完全匹配。(c)整体 SMS,即所有镀膜都沉积在单个元件上 (d)将组合扩展为二维阵列,每个 SMS 镀膜分布一致

SMS 可以仅用一个或两个光学元件制造。对于多个超快激光光束的合成,采用双单元空气间隔设计可使非线性效应和色散效应最小化,同时该装置还可以拓展到二维合束,如图 1(d)所示。为了实现合束过程中完美的振幅匹配,必须在每个分束或合束节点使用特殊的镀膜部分。但是对于每一束光,需要一个特定镀膜的反射区,装置还是较为复杂。由于相干合成中振幅误差的影响相对于相位误差的影响较小,耶拿课题组提出了一种可以共用镀膜的简化设计。

5f683ee5b3581-thumb.jpg


图 2 三种简化 SMS 设计


如图 2 所示,本文介绍了 SMS 的三种简化设计策略。在每一种简化设计中,第一束输入光束通过全透镀膜部分,而其余的 N-1 束入射光将入射到反射系数由优化算法确定的 1 个、2 个或者 3 个镀膜截面上。在假定完美相位匹配的情况下,以整体合成效率为目标优化函数,采用数值方法求解简化的 SMS 设计参数。

图 3 展示了三种设计在单个 SMS 中组合多达 40 个波束的理论合成效率。这些模拟假设了理想的 HR 和 AR 表面(实际情况可以通过调整参数来进行模拟)。随着镀膜数增多,优化的镀膜截面可以更接近理想的振幅匹配情况,因此可以实现更高的合成效率,但是镀膜数的边际收益会迅速减少。使用两个相同的简化的 SMS 可以实现二维光束的合束。

3.jpg


图 3 优化后三种模拟 SMS 设计的组合效率(上)理想条件下的理论合成效率;(下) 99.8%反射率表面时合成效率


在对各镀膜反射率进行优化的同时,也可以对入射到各个图层的光束数量进行优化,但是这对总体合成效率影响并不大。作者还研究了反射系数的误差对合成效率的影响。如图 4 所示,当反射率的误差在 2%以内时,与理想情况相比,25 束光束的合成效率仅低 2%左右,完全可以接受。以上模拟中均没有考虑其他效应对合成效率的影响。

4.jpg


图 4 单镀膜 SMS 设计中镀膜反射率误差的影响示意图


文章还讨论了简化的 SMS 在分束器方面的潜力。SMS 用作分束器时优化的镀膜设计与合束器时的设计思路是相同的,但是也要考虑一些额外效应。SMS 光学分束的均匀性在光纤 CPA 放大器系统中非常重要,一些光学过程将受到每个纤芯中绝对能量的影响,进而反过来影响放大光束的均匀性和合成效率。因而 SMS 作为分束器输出的最小和最大光束功率的比值是其作为分束器使用的一个重要参考。

对于 5-25 束分光的情况,三镀膜 SMS 的分光情况如图 5 所示。在超快光纤 CPA 放大系统中,由于种子光分布的不均匀,在放大过程中会导致积累的非线性相位(B 积分)不同,且在光纤中,这种变化由于光纤纤芯的高峰值功率和较长的路径长度而增强。因此,用简化的 SMS 来分束产生非均匀光束分裂的影响,在很大程度上依赖于光纤系统的参数。

5.jpg


图 5 三镀膜简化设计用作分束器的性能示意图:(a) 5-25 束分束时,三镀膜 SMS 的最小输出功率与最大输出功率之比;(b)用作分束器的 10 束三镀膜 SMS 输出光束功率的直方图

总之,本文提出了用于相干合成分束与合束的简化设计的 SMS 数值分析。由于相干合成过程中振幅失配的影响相对较弱,因此可以通过减少镀膜的数量来实现有效的光束合成,从而大大简化了这些光学器件的制造过程。

回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关闭

站长推荐上一条 /1 下一条

Archiver|手机版|小黑屋|RF技术社区

GMT+8, 2020-10-23 04:51 , Processed in 0.061643 second(s), 9 queries , MemCache On.

Powered by Discuz! X3.4

Copyright © 2001-2020, Tencent Cloud.

快速回复 返回顶部 返回列表