專利名稱：相位鎖定多光束相干疊加光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖激光器，具體的說，屬于相位鎖定多激光束相干疊加輸出的光纖激光器。
背景技術(shù)：
光纖激光器的歷史和激光器本身的歷史幾乎一樣長。激光器問世不久，美國光學(xué)公司(American optical corporation)的Znitzer和Koestor于1963年首先提出了光纖激光器和放大器的構(gòu)思。光纖激光器具有效率高、閾值低、線寬窄、可調(diào)諧、緊湊小巧、性能價格比高、易于制作、波長豐富等特點(diǎn)，在光通信、工業(yè)加工、醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究、圖像記錄和打印、計算機(jī)和微電子制造、光譜學(xué)等領(lǐng)域具有十分廣泛的用途。將多束激光疊加，若多束激光之間滿足完全相干條件，可以獲得高功率和近衍射極限的激光。對N束功率相同的激光進(jìn)行非相干疊加，則光強(qiáng)增加N倍，而如果進(jìn)行相干疊加，則振幅增加N倍，光強(qiáng)增加N2倍。從效益和費(fèi)用考慮，相干疊加的方案更理想。但是要想實(shí)現(xiàn)多束激光之間的相干疊加，必須滿足頻率相同、偏振一致和相位匹配的條件，常規(guī)激光器輸出激光的相位都有隨機(jī)漂移，且每束激光經(jīng)過不同光路可能會導(dǎo)致各束激光之間產(chǎn)生相位差異；對于各激光束的偏振態(tài)，即使從光源輸出的激光是線偏振的，經(jīng)過一段距離的光纖傳輸后，由于光纖的模式雙折射，偏振態(tài)也會發(fā)生改變；對于各激光束的頻率，光纖中的非線性效應(yīng)可能造成各激光束間產(chǎn)生頻率差異，因此要想實(shí)現(xiàn)多束激光相干必須控制好各激光束的頻率相同、偏振一致和相位匹配，以達(dá)到完全相干條件。
目前，實(shí)現(xiàn)多束光纖激光疊加的方法多是通過非相干疊加法，將光纖激光器的多根輸出光纖捆成一束，可以實(shí)現(xiàn)高功率的光纖激光器，但輸出的是多模光，光束質(zhì)量因子為幾mm*mrad甚至十幾mm*mrad，光束質(zhì)量很差，這就限制了這種光纖激光器只能應(yīng)用于對光束質(zhì)量要求不高的工業(yè)領(lǐng)域。對于光纖激光相干疊加的研究尚處在實(shí)驗室階段，S.J.Augst等人對兩束光纖激光相干合成進(jìn)行了實(shí)驗研究，通過相位鎖定實(shí)現(xiàn)了兩束光纖激光相干疊加，但是由于在結(jié)構(gòu)中引入了變形棱鏡對、分光鏡等非光纖元件，沒有實(shí)現(xiàn)全光纖化的結(jié)構(gòu)，非光纖元件的引入也限制了系統(tǒng)所能得到的最大功率，也只實(shí)現(xiàn)了兩束光纖激光的相干疊加。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決多束激光非相干疊加存在的疊加光束能量只是各激光束能量的簡單相加，疊加后多模輸出的光束質(zhì)量不好的問題，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對多束激光的相位鎖定，提供一種完全相干后輸出單模激光，獲得比普通未進(jìn)行相位鎖定的多激光束疊加更高功率并且同時具有更好光束質(zhì)量的光纖激光器。
本發(fā)明包括輸出偏振光的光纖激光器1，保偏光纖隔離器2，1×N+1融錐型保偏光纖耦合器3，光纖相位調(diào)制器4，光纖放大器5，90∶10保偏光纖耦合器6，1×N融錐型保偏光纖耦合器7，1×2融錐型保偏光纖耦合器8，反饋控制電路9，透鏡10，雪崩光電二極管或PIN光電二極管11，高頻放大器12。整個系統(tǒng)全部使用保偏光纖，且保證N束激光由90∶10保偏光纖耦合器6到1×2融錐型保偏光纖耦合器8的光路的光程相等，保證N束激光由1×N融錐型保偏光纖耦合器7到1×2融錐型保偏光纖耦合器8的光路的光程相等。
光纖激光器1的功能是提供線偏振激光。
保偏光纖隔離器2的功能是保證從輸出偏振光的光纖激光器1中輸出的偏振激光束單向傳輸，防止光路中可能出現(xiàn)的反射光對光纖激光器1可能帶來的危害，進(jìn)而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小噪聲影響。
1×N+1融錐型保偏光纖耦合器3的功能是將一束偏振激光分成N+1束，同時保持N+1束激光偏振態(tài)相同，這N+1束激光中，有一束激光作為參考激光束，在副光路B中被分成N束；另外的N束偏振激光在主光路A中被調(diào)制、放大，完全相干后激光強(qiáng)度呈N2增長，可得到高功率同時具有高光束質(zhì)量的激光輸出。
光纖相位調(diào)制器4的功能是補(bǔ)償N束光纖激光之間的相位差異，達(dá)到理想的精確相位調(diào)制，光纖相位調(diào)制器4接收反饋控制電路9給予的反饋信號，使主光路A上N束光纖激光的相位一致，實(shí)現(xiàn)相位鎖定，使用光纖相位調(diào)制器4從根本上減小了器件的插入損耗和回波反射。
光纖放大器5的功能是將N束光纖激光的功率放大，盡管N束光纖激光完全相干后，強(qiáng)度是單束激光強(qiáng)度的N2倍，但是要想實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出，必須對主光路A上的每束光纖激光進(jìn)行功率放大，因此使用光纖放大器5對主光路A上N束光纖激光進(jìn)行相同功率的光放大，使相干疊加后的激光有更高的功率，可以使用10W的光纖放大器，10W功率不會顯著激發(fā)光纖中的非線性效應(yīng)從而造成激光頻率移動，這保證了N束光纖激光都具有相同的頻率，滿足完全相干條件，而每一束光纖激光10W的功率對獲得高功率相干激光已經(jīng)足夠了。
90∶10保偏光纖耦合器6的功能是把經(jīng)光纖放大器5放大后的光纖激光分束，90％的光纖激光從光纖端面輸出，經(jīng)透鏡10聚焦后，在自由空間相干疊加，獲得高功率及高光束質(zhì)量的相干激光；10％的光纖激光通過由90∶10保偏光纖耦合器6到1×2融錐型保偏光纖耦合器8相同的光程后，在1×2融錐型保偏光纖耦合器8中與參考激光束疊加，疊加激光強(qiáng)度的強(qiáng)弱反應(yīng)了主光路A上N束光纖激光與參考激光之間各自的相位差異，疊加激光強(qiáng)度被雪崩光電二極管或PIN光電二極管11探測，并把相位差異轉(zhuǎn)化成控制電信號。該信號經(jīng)反饋控制電路9放大，然后作用在光纖相位調(diào)制器4上，使主光路A上的N束光纖激光的相位與參考激光相位趨于一致，實(shí)現(xiàn)對主光路A上N束光纖激光相位鎖定。
1×N融錐型保偏光纖耦合器7的功能是，將從1×N+1融錐型保偏光纖耦合器3得到的參考激光分成N束，分別與從90∶10保偏光纖耦合器6中10％分束出的主光路A上的N束激光在1×2融錐型保偏光纖耦合器8中疊加，疊加后的光通過副光路B傳送給反饋控制電路9中的雪崩光電二極管或PIN光電二極管11。
1×2融錐型保偏光纖耦合器8的功能是，使從1×N融錐型保偏光纖耦合器7得到的參考激光與從主光路A上90∶10保偏光纖耦合器6分束出來的光纖激光疊加。由于在主光路A上N束光纖激光之間存在相位差異，N束包含主光路A中10％能量的光纖激光與從1×N融錐型保偏光纖耦合器7得到的參考激光在1×2融錐型保偏光纖耦合器8中疊加后的光強(qiáng)就有所差異，這個差異反應(yīng)了主光路A上N束光纖激光之間的相位差異。造成主光路A上各激光束相位差異的原因包括，放大器的影響、光纖相位調(diào)制器的影響、溫度起伏、各光路光程差異等。
反饋控制電路9的功能是探測來自1×2融錐型保偏光纖耦合器8的光的強(qiáng)弱，并將其轉(zhuǎn)換成電信號作用在光纖相位調(diào)制器4上，調(diào)制主光路A上N束光纖激光相位趨于一致。反饋控制電路9由一個雪崩光電二極管或PIN光電二極管11和高頻放大器12組成。雪崩光電二極管或PIN光電二極管11的功能是探測1×2融錐型保偏光纖耦合器8中傳送來的光強(qiáng)度，經(jīng)雪崩光電二極管或PIN光電二極管11轉(zhuǎn)換成電信號。該電信號經(jīng)過高頻放大器12放大后作用在光纖相位調(diào)制器4上，實(shí)現(xiàn)對主光路A上N束光纖激光實(shí)施相位調(diào)控。只要反饋控制電路9的響應(yīng)時間與激光的相干時間相比足夠小，就能實(shí)現(xiàn)對主光路A上N束光纖激光相位的良好跟蹤和控制。這樣，主光路A上的N束光纖激光的相位都與從1×N+1融錐型保偏光纖耦合器得到的參考激光相位趨于一致，實(shí)現(xiàn)了對主光路A上N束光纖激光的相位鎖定，也即實(shí)現(xiàn)了主光路A上N束光纖激光在自由空間的相干疊加，從而獲得相位鎖定多光束相干疊加光纖激光器。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多束光纖激光的完全相干疊加，疊加后的激光光束具有高功率和接近衍射極限的光束質(zhì)量。使用反饋控制電路9，保證對主光路A上N束光纖激光相位時時探測和調(diào)制，相位鎖定質(zhì)量(相干性)可以達(dá)到均勻穩(wěn)定的高水平，從而滿足N束光纖激光完全相干條件，在輸出端實(shí)現(xiàn)完全相干；使用1×N+1融錐型保偏光纖耦合器3，因此相干疊加光纖激光的光束數(shù)量幾乎不受限制；使用保偏光纖隔離器2，保證光偏振態(tài)的同時，減小了噪聲影響，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性；使用光纖相位調(diào)制器4，從根本上減小了器件的插入損耗和回波反射；系統(tǒng)中使用了保偏光纖元件，實(shí)現(xiàn)了偏振免調(diào)節(jié)的功能，也利于系統(tǒng)的小型化、實(shí)用化，更容易商業(yè)應(yīng)用。由于本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了輸出高功率同時具有高光束質(zhì)量的相位鎖定多光束疊加輸出光纖激光器，解決了現(xiàn)有光纖激光光束合成方法中存在的高功率和高光束質(zhì)量不能兼顧的缺點(diǎn)。這種高功率、高光束質(zhì)量的光纖激光器可應(yīng)用于將普通光纖激光器或帶有尾纖的氣體、固體、半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)化成輸出高功率、高光束質(zhì)量光的激光光源，以及工業(yè)激光加工、軍事等許多領(lǐng)域。本發(fā)明適用于連續(xù)或脈沖輸出的光纖激光器，也適用于摻Tm3+、Pr3+、Ho3+、Er3+、Sm3+、Nd3+、Yb3+離子的光纖激光器。本發(fā)明的激光器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、容易加工制造，易于工業(yè)生產(chǎn)。


圖1利用反饋回路實(shí)現(xiàn)相位鎖定的多光束相干疊加輸出光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖1也是說明書摘要附圖。
圖2反饋控制電路9的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1具體實(shí)施制造了相位鎖定多光束相干疊加光纖激光器。如圖1所示，它包括輸出偏振光的光纖激光器1，保偏光纖隔離器2，1×N+1融錐型保偏光纖耦合器3，光纖相位調(diào)制器4，光纖放大器5，90∶10保偏光纖耦合器6，1×N融錐型保偏光纖耦合器7，1×2融錐型保偏光纖耦合器8，反饋控制電路9，透鏡10。如圖2所示，反饋控制電路9包括雪崩光電二極管或PIN光電二極管11，高頻放大器12。從光纖激光器1中輸出的偏振光，經(jīng)1×N+1融錐型保偏光纖耦合器3分束成能量相等的N+1束偏振激光，其中一束激光作為參考激光束，它又被1×N融錐型保偏光纖耦合器7分束成能量相等的N束偏振激光，以便與主光路A上的10％分束光纖激光干涉。經(jīng)1×N+1融錐型保偏光纖耦合器3分束的另外N束偏振光纖激光經(jīng)過光纖相位調(diào)制器4，然后被光纖放大器5放大。主光路A上經(jīng)放大后的N束偏振激光經(jīng)90∶10保偏光纖耦合器6分束，90％的光纖激光經(jīng)透鏡10聚焦后在自由空間相干疊加，輸出高功率及高光束質(zhì)量的激光。10％的偏振激光進(jìn)入副光路B，在副光路B上與分束后的參考激光在1×2融錐型保偏光纖耦合器8中干涉。干涉后的光進(jìn)入反饋控制電路9，光纖相位調(diào)制器4的電壓控制接頭與反饋控制電路9相連接(如圖2所示)，雪崩光電二極管或PIN光電二極管11用來探測1×2融錐型保偏光纖耦合器8中的光強(qiáng)度，并以電信號的形式輸出，該電信號經(jīng)高頻放大器12放大后，用來控制光纖相位調(diào)制器4，實(shí)現(xiàn)相位鎖定。
權(quán)利要求
1.一種相位鎖定多光束相干疊加光纖激光器，其特征在于它包括輸出偏振光的光纖激光器(1)，保偏光纖隔離器(2)，1×N+1融錐型保偏光纖耦合器(3)，光纖相位調(diào)制器(4)，光纖放大器(5)，90∶10保偏光纖耦合器(6)，1×N融錐型保偏光纖耦合器(7)，1×2融錐型保偏光纖耦合器(8)，反饋控制電路(9)，透鏡(10)；保偏光纖隔離器(2)的一端與光纖激光器(1)聯(lián)接另一端與1×N+1融錐型保偏光纖耦合器(3)聯(lián)接；光纖相位調(diào)制器(4)與1×N+1融錐型保偏光纖耦合器(3)聯(lián)接、還與光纖放大器(5)及反饋控制電路(9)聯(lián)接；90∶10保偏光纖耦合器(6)與光纖放大器(5)聯(lián)接還與1×2融錐型保偏光纖耦合器(8)及透鏡(10)聯(lián)接；1×N融錐型保偏光纖耦合器(7)與1×2融錐型保偏光纖耦合器(8)聯(lián)接，與反饋控制電路(9)相聯(lián)接，還與1×N融錐型保偏光纖耦合器(3)聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相位鎖定多光束相干疊加光纖激光器，其特征在于所說的反饋控制電路(9)是由雪崩光電二極管或PIN光電二極管(11)和高頻放大器(12)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明屬于光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種相位鎖定多光束相干疊加光纖激光器。該激光器是由輸出偏振光的光纖激光器、光纖相位調(diào)制器、光纖放大器、融錐型保偏光纖耦合器、反饋控制電路構(gòu)成的。它是相位鎖定多光束相干疊加輸出高功率同時具有高光束質(zhì)量的光纖激光器。廣泛用于工業(yè)激光加工、醫(yī)療、光通訊、圖像記錄和打印、計算機(jī)和微電子制造及軍事等諸多領(lǐng)域。
文檔編號H01S3/06GK1688069SQ20051001677
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月30日
發(fā)明者王薊, 王國政, 王立軍 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所