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激光行業又一個重要技術解密!激光相干合成技術第一講

發布:2022-03-28 11:43作者:www.yattendonparish.com點擊:801次

多個激光束的一致組合是提高激光功率同時保持光束質量的有效技術途徑。它的發展很大程度上與激光技術的發展同步,適用于幾乎所有類型的激光器。近十年來,隨著合成激光模塊特性的不斷提高和相干合成技術的不斷發展,各類激光相干合成成果不斷涌現,大量基于相干合成的大型研究項目相繼涌現。以光纖激光器、固態激光器和半導體激光器為代表,已成為相干聚變系統發展的三大高性能模塊。
高功率電池激光器的相干合成
1)相干光纖激光合成
光纖激光器是目前相干合成系統中使用最廣泛的激光器類型。尤其是近十年來,得益于先進制造(如飛秒激光加工)、重大科學發展(如力波檢測)等應用的進步,以及激光材料制備、控制非- 線性效果和其他技術。 ,光纖激光器單元的性能顯著提升到三個“一切”:任意功率、任意波長、任意輸出模式。
隨著高功率工業級激光器的出現,它為構建模塊化激光器陣列提供了技術基礎。同時,相干融合技術也被應用于各種光纖激光系統,如:B.納秒激光/皮秒激光/飛秒激光、1.0μm/1.5μm/2.0μm等,大大加快了光纖激光技術的發展。
近年來,相干光纖激光合成發展的重要方向之一是向大晶格元素的延伸。巴黎綜合理工大學、法國泰雷茲學院、美國勞倫斯伯克利國家實驗室、美國代頓大學、國防科技大學和中國工程物理研究院等進行了協同合成幾十個光纖激光器。國防科技大學已完成107個相干光纖激光合成通道,是迄今為止發布的最多的相干光纖激光合成通道。 2020年,以色列Civan公司合成了37臺相干光纖激光器,輸出功率為16千瓦,是相干光纖激光器合成中公布的最高功率。
2)固態相干激光合成
21世紀初,以Nd:YAG平板激光器為主要合成單元的相干固態激光熔化代表了激光技術的一個研究方向。相干 7 通道 Nd:YAG 激光器:這是世界上第一個基于相干聚變技術的 100 千瓦固態激光系統。然而,由于當時與提高單個激光器的電光效率和保持光束質量相關的重大技術挑戰,隨后關于半激光激光板導體相干合成的報道很少。
近年來,研究人員通過使用光束清潔、Yb:YAG矢量和溫度控制等方法,改進和提高了大功率半導體激光器的光束質量和效率。此外,半導體激光器是超強激光的重要實現,相干熔化是高頻高頻激光器和超強低重復激光器的重要發展方向。超強峰值功率激光系統。
此外,在過去十年中,相位控制方法和脈沖激光的相干合成已成為關注的中心。在相位控制方法方面,中國工程物理研究院和韓國科學技術研究院的研究人員實現了兩通道板狀半導體激光器和四通道高頻半導體的相干合成。在脈沖激光的相干合成方面,中科院上海光學精密機械研究所于2019年首次實現了啁啾雙通道鈦藍寶石脈沖激光器的相干合成。 2021年馬
3) 半導體的相干合成
半導體激光器具有效率高、體積小、壽命長、可靠性好等優點,廣泛應用于通信、制造、醫藥、科研等領域。然而,由于大功率半導體激光器的光束質量相對較差,基于相干合成的半導體激光器系統并沒有取得顯著的成功,被廣泛用作激光器、光纖激光器和固態激光器的泵浦源。
近年來,隨著芯片設計、材料制造和器件制造等技術的不斷發展,半導體激光器的性能不斷提高,為相干激光合成半導體開辟了新的機遇。半導體激光器采用內/外腔光反饋技術,可實現窄線寬、高單色性的輸出;通過使用固態光放大器,固態激光器可以實現高輸出功率,從而獲得更好的光束質量。需要說明的是,基于光譜合成的大功率半導體激光系統的亮度已經接近或達到固態激光系統的性能水平。
雖然目前相干半導體聚變的功率輸出沒有明顯優勢,但在提高半導體激光器在中紅外的功率輸出等特定領域已經顯示出巨大的潛力。
4)另一種相干激光合成
除上述常規激光相干合成外,還有變頻激光相干合成和超快激光相干合成。變頻激光相干合成是獲得特殊波長或極端光場的有效技術手段。目前,來自美國、俄羅斯、法國、中國等國家的研究人員正在進行相關研究。
由于先進制造等領域對高功率超快激光器的需求不斷增長,超快相干激光合成成為近十年來的研究重點之一。目前,飛秒脈沖光纖激光器的相干合成已經從傳統的空域合成發展到時域相干合成和光譜相干合成。
時域相干合成可以降低激光器的重復頻率,提高激光器的最大輸出功率。有兩種主要的技術方法:脈沖分割放大 (DPA) 和環形諧振器脈沖求和。相干光譜合成是一種激光輸出信號,可讓您實現寬光譜和小脈沖寬度。技術方案主要有兩種:一是利用多個放大器對同一激光顆粒的不同光譜范圍進行放大,然后進行相干光譜合成;多模阻擋激光器是鎖相的。
需要指出的是,用于固體介質(如薄膜)的超快激光技術近年來也取得了長足的進步,與相干聚變技術相結合,應能進一步提高系統性能。
增強相干混合效果的關鍵技術
相干合成的本質是通過控制每個激光器的參數和填充激光器陣列的孔徑來實現與激光器陣列相同的相位和占空比,以達到提高激光器陣列亮度的目的。相干熱核系統的典型結構如圖 1 所示。如圖所示,控制每個激光器的相位、傾斜、偏振、光路和高階像差,以及在矩陣處填充激光孔徑以實現高占空比,是實現良好熔煉效果的關鍵技術。
1) 相位控制方式
相位控制對光場強度的影響主要表現在多路激光合成過程中。為了確保一致、高效和穩定的熔化過程,每個激光器都必須保持穩定的相位。然而,由于激光產生和傳輸過程中不可避免的相位波動,需要開發整個系統的相位補償技術。
根據相位控制的物理機理,可分為被動相位控制和主動相位控制。無源相位控制不需要復雜的相位控制系統,結構相對簡單。被動鎖相方法主要有外腔法、阻尼波耦合法、全光纖自組裝法、相位共軛法等。通過開發一種算法,主動相位控制可以對每條路徑提供更靈活的控制。在過去的十年中,激光路徑的數量和有源相位調節的整體性能實際上得到了提高,并生產出了路徑數量最多、功率為 10,000W 的鎖相激光陣列。
2)傾斜控制技術
為了有效地將激光束疊加到目標上,必須控制激光束的傾斜像差。尤其是在長距離傳輸激光時,這是由于每個激光都受到熱效應、大氣湍流等因素的影響,導致動態抖動和傾斜誤差。因此,要達到最佳的均勻混合效果,必須完成斜率控制。最常見的傾斜控制方法是使用快速傾斜鏡。
旋轉鏡具有精度高、響應速度快、技術成熟等優點,但當分劃板數量較多時,系統的光路變得過于復雜。為了實現光纖激光器陣列傾斜控制的緊湊性,提出了一種自適應光纖準直器(AFOC)設計,該設計具有慣性小、諧振頻率高、設計緊湊等優點。該電路使用壓電陶瓷來驅動輸出光纖,從而實現集成的激光傾斜和瞄準控制設計。
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