光谱合束

2021-04-21 10:37:30 浏览:568

定义

光束合成的一种方法,采用波长敏感的合束器。

光谱合束(也称为波长合束或简单的称为波长合成,或非相干合束)是通过光束合成实现功率缩放领域中的一种技术。目的是将一些高功率的激光光束合成在一起得到一个光束,具有非常高的功率并且尽量保持光束质量,因此亮度提高。另一种可用的方法为相干光束合成。

光谱合束原理

光谱合束的基本原理是将几束无交叠光谱的光束在偏振敏感的合束器中合成得到一束光束。合束器可以是棱镜和衍射光栅等,由于入射光束中不同波长的成分产生的偏移不同,最后它们在同一个方向上传播。还可以利用光谱中各成分随波长变化的透射率,例如二色性反射镜或体布拉格光栅。

将很多同一类型的不同发射器的输出合成时,每一发射器(激光器)的辐射带宽应该仅是增益带宽的很小部分,因为带宽变大会降低光束质量。另外,合束器需要具有很强的色散(例如,角色散),各个发射器的波长需要足够稳定。

图 1 采用衍射光栅进行光谱合束的示意图。每一波长都对应一个衍射角,发射器自动根据其位置调整到相应的波长。

有些方案中发射器是独立的调谐到某一波长,以对应的角度输出到合束器(例如,衍射光栅)。但是如果能够改进这一方案,使发射器自动根据其空间位置调整辐射波长,将是非常有效的。如图1,MIT Lincoin实验室[1,5]已经制作了这种装置。

这一原理首先是应用到激光器二极管,以二极管阵列的形式[1],它同样适用于光纤激光器[3]。二极管激光器很大的优势是可以直接进行电泵浦且效率很高,然而光纤系统单位发射器的功率更高,并且发射器的增益带宽更大,因此可以得到更高的功率。

合束器中与波长有关的热效应会限制功率缩放程度。尤其是如果采用透射光栅,存在很严重的研制,而反射光栅则至少可工作在100 kW以下,因为它吸收较少的功率并且可以从背侧冷却。

结论

与相干合束合成相比,光谱合束不需要合成的光束具有时间相干性。这会消除很多技术上的困难,并且在高功率时也更容易实现稳定工作。另外,输出光的多波长特性是不可避免的,有些应用中没有太大影响,但是需要窄带输出时则需要消除不需要的波长。

参考文献

[1] V. Daneu et al., “Spectral beam combining of a broad-stripe diode laser array in an external cavity”, Opt. Lett. 25 (6), 405 (2000)
[2] E. J. Bochove, “Theory of spectral beam combining of fiber lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 38 (5), 432 (2002)
[3] S. J. Augst et al., “Wavelength beam combining of ytterbium fiber lasers”, Opt. Lett. 28 (5), 331 (2003)
[4] C. Hamilton et al., “High power laser source with spectrally beam combined diode laser bars”, Proc. SPIE 5336, 1 (2004)
[5] B. Chann et al., “Near-diffraction-limited diode laser arrays by wavelength beam combining”, Opt. Lett. 30 (16), 2104 (2005)
[6] T. Y. Fan, “Laser beam combining for high-power, high-radiance sources”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 11 (3), 567 (2005)
[7] T. H. Loftus et al., “Spectrally beam-combined fiber lasers for high-average-power applications”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13 (3), 487 (2007)
[8] R. K. Huang et al., “High-brightness wavelength beam combined semiconductor laser diode arrays”, IEEE Photon. Technol. Lett. 19, 209 (2007)
[9] A. Sevian et al., “Efficient power scaling of laser radiation by spectral beam combining”, Opt. Lett. 33 (4), 384 (2008)
[10] O. Andrusyak et al., “Spectral combining and coherent coupling of lasers by volume Bragg gratings”, IEEE Sel. Top. Quantum Electron. 15 (2), 344 (2009)
[11] R. K. Huang et al., “Ultra-high brightness, wavelength-stabilized, kW-class fiber-coupled diode laser”, Proc. SPIE 7918, 791810 (2011), doi:10.1117/12.887259
[12] Y. Xiao et al., “1-kilowatt CW all-fiber laser oscillator pumped with wavelength-beam-combined diode stacks”, Opt. Express 20 (3), 3296 (2012)

参阅:光束合成、相干光束合成、激光器功率缩放、高功率激光器、方法

基础光学

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