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激光光谱合成技术研究进展与展望(特邀)

姜曼 马鹏飞 粟荣涛 李灿 吴坚 马阎星 周朴

姜曼, 马鹏飞, 粟荣涛, 李灿, 吴坚, 马阎星, 周朴. 激光光谱合成技术研究进展与展望(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(12): 20201053. doi: 10.3788/IRLA20201053
引用本文: 姜曼, 马鹏飞, 粟荣涛, 李灿, 吴坚, 马阎星, 周朴. 激光光谱合成技术研究进展与展望(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(12): 20201053. doi: 10.3788/IRLA20201053
Jiang Man, Ma Pengfei, Su Rongtao, Li Can, Wu Jian, Ma Yanxing, Zhou Pu. Research progress and prospect of spectral beam combining (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(12): 20201053. doi: 10.3788/IRLA20201053
Citation: Jiang Man, Ma Pengfei, Su Rongtao, Li Can, Wu Jian, Ma Yanxing, Zhou Pu. Research progress and prospect of spectral beam combining (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(12): 20201053. doi: 10.3788/IRLA20201053

激光光谱合成技术研究进展与展望(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20201053
基金项目: 国家自然科学基金(61705264);广东省重点领域研发计划(2018B090904001);湖南省自然科学基金创新群体项目(2019JJ10005);湖南省创新型省份建设专项(2019RS3017)
详细信息
    作者简介:

    姜曼(1990-),女,副教授,主要从事光纤激光与光谱合成等方面的研究。Email:jiangman7@126.com

    通讯作者: 周朴(1984-),男,研究员,博士生导师,主要从事光纤激光与光束合成等方面的研究。Email:zhoupu203@163.com
  • 中图分类号: O436

Research progress and prospect of spectral beam combining (Invited)

  • 摘要: 光谱合成技术利用色散元件或双色元件,使多路不同波长的激光在近场和远场同时实现空间重叠,合成至单一孔径输出的激光,是实现高功率、高光束质量激光输出的技术途径之一,受到了研究者的极大关注。特别在近十年来,随着光栅等合成元件性能的不断改善,高功率高光束质量的光谱合成激光输出在工业、国防等领域发挥了重要作用,有着广泛的应用前景。文中对半导体激光器和光纤激光器两种典型激光工作介质进行归类,梳理并回顾了光谱合成技术的发展历程,综述了当前高功率光谱合成技术的主流方案与国内外研究现状。此外,结合笔者所在课题组在光谱合成方面的研究工作,展示了光谱合成技术近年的发展态势,并展望了光谱合成技术的未来发展方向。
  • 图  1  反射式多路复用器结构图

    Figure  1.  Structure of multireflection multi/demultiplexer

    图  2  (a)闭环式光谱合成基本结构;(b)开环式光谱合成构型示意图

    Figure  2.  Schematic of (a) the closed-loop SBC configuration; (b) Open-loop SBC configuration

    图  3  半导体激光光谱合成实验结构图

    Figure  3.  Schematic of the semiconductor laser beam combining experiment

    图  4  光纤激光光谱合成实验结构图

    Figure  4.  Schematic of the fiber laser beam combining experiment

    图  5  基于VBG的光谱合成结构示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of SBC based on VBG

    图  6  基于反射式电介质光栅的光纤激光光谱合成示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of of SBC based on reflected dielectric grating

    图  7  基于二色镜的光谱合成原理示意图

    Figure  7.  Schematic diagram of SBC based on dichroic mirrors

    图  8  基于体布拉格光栅光谱合成原理示意图

    Figure  8.  Configuration of SBC based on VBG

    图  9  基于面光栅的光谱合成原理示意图

    Figure  9.  Configuration of SBC based on surface grating

    图  10  无输出耦合光谱合成结构示意图

    Figure  10.  Structure of coupler-free SBC laser

    图  11  基于VBG的HP-DWDM结构示意图。①入射孔径;②, ③, ⑤ 介质镜;④ 具有高衍射效率的VBG;⑥ 输出孔径

    Figure  11.  Drawing of the HP-DWDM based on VBG. ① Input apertures; ②, ③, ⑤ dielectric mirrors; ④ VBG with high diffraction efficiency; ⑥ Exit aperture

    图  12  基于二向分色镜光谱合成结构示意图与光路模拟图

    Figure  12.  Scheme of SBC and ray-tracing simulation based on dichroic mirror

    图  13  基于TFF的外腔半导体光谱合成结构图

    Figure  13.  Schematic setup of the semiconductor laser SBC based on TFF multi-laser cavity

    图  14  基于电介质光栅的光谱合成结构图

    Figure  14.  Configuration of SBC based on dielectric grating

    图  15  洛克希德·马丁基于电介质光栅的光谱合成系统结构简图

    Figure  15.  Schematic setup of dielectric grating fiber laser SBC of Lockheed Martin

    图  16  掺铥光纤激光光谱合成结构图

    Figure  16.  Schematic setup of Tm-doped fiber laser SBC

    图  17  基于WDM级联的掺铥光纤激光光谱合成结构简图

    Figure  17.  Configuration of Tm-doped fiber laser SBC experiment based on WDM

    图  18  五组模块化的VBG光谱合成系统

    Figure  18.  Five-element stack of VBG SBC

    图  19  两路1 kW光纤激光封装模块结构图

    Figure  19.  Schematic of packaged 2×1 kW fiber laser module

    图  20  基于VBG的光谱合成与相干合成混合合成系统模型

    Figure  20.  Hybrid spectral and coherent beam combining scheme using VBGs

    图  21  基于光谱合成与偏振合成的混合合成系统结构简图

    Figure  21.  Hybrid spectral and polarized beam combining scheme

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-10
  • 修回日期:  2020-10-11
  • 网络出版日期:  2021-01-14
  • 刊出日期:  2020-12-25

激光光谱合成技术研究进展与展望(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20201053
    作者简介:

    姜曼(1990-),女,副教授,主要从事光纤激光与光谱合成等方面的研究。Email:jiangman7@126.com

    通讯作者: 周朴(1984-),男,研究员,博士生导师,主要从事光纤激光与光束合成等方面的研究。Email:zhoupu203@163.com
基金项目:  国家自然科学基金(61705264);广东省重点领域研发计划(2018B090904001);湖南省自然科学基金创新群体项目(2019JJ10005);湖南省创新型省份建设专项(2019RS3017)
  • 中图分类号: O436

摘要: 光谱合成技术利用色散元件或双色元件,使多路不同波长的激光在近场和远场同时实现空间重叠,合成至单一孔径输出的激光,是实现高功率、高光束质量激光输出的技术途径之一,受到了研究者的极大关注。特别在近十年来,随着光栅等合成元件性能的不断改善,高功率高光束质量的光谱合成激光输出在工业、国防等领域发挥了重要作用,有着广泛的应用前景。文中对半导体激光器和光纤激光器两种典型激光工作介质进行归类,梳理并回顾了光谱合成技术的发展历程,综述了当前高功率光谱合成技术的主流方案与国内外研究现状。此外,结合笔者所在课题组在光谱合成方面的研究工作,展示了光谱合成技术近年的发展态势,并展望了光谱合成技术的未来发展方向。

English Abstract

    • 激光阵列合成是获得高功率、高光束质量激光输出的有效技术途径,其合成思想形成于1960年代气体激光器的研究中[1-2]。随着激光技术的不断发展,合成的概念得到了更多的实际应用,多光路激光合成获得高功率高光束质量光束的方法被广泛认可,并发展形成了多种合成方式[3]。光束合成技术是一种模块化合束方法,旨在通过较低功率的激光阵列合成方式构建高功率激光束,合成光束可以达到与单路激光可比拟的传输特性,如光束质量、中心光斑能量比等。光束合成技术通常被分为相干合成技术[4-7]和非相干合成技术两大类。其中,非相干合成技术主要包括几何并束[8-10]、功率合成[11]和光谱合成[12]。近年来,随着高功率光谱合成技术的发展,特别是以多层电介质光栅为代表的合成元件在热承受能力、高衍射效率等关键技术的突破,进一步显示了光谱合成技术实现高亮度激光输出的潜力。

      光谱合成技术的主要原理是应用色散元件或双色元件,使多路不同波长的激光在近场和远场同时实现空间重叠,合成至单一孔径输出的激光,以提高输出激光的功率和亮度。理论上,激光光谱合成可以实现合成光束亮度的定标放大,即输出光束保持与输入激光的光束质量基本相同,而功率随合成路数成比例增加。特别在近十年来,随着光栅等合成元件性能的不断改善,在许多对光谱成份没有特别要求的应用领域,光谱合成成为获得高功率高光束质量激光输出的重要技术途径。以麻省理工学院林肯实验室[13-15]、美国Aculight公司[16-18]、洛克希德·马丁公司[19-20]、德国弗劳恩霍夫研究所[21-26]、美国中佛罗里达大学[27-29]、美国密歇根大学[30];国内中国工程物理研究院[31-32]、中国科学院上海光学精密机械研究所[33]、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所[34]、国防科技大学[35]、南京理工大学[36]等为代表的多家单位对光纤激光和半导体激光光谱合成技术方案进行了深入研究,发展了基于体布拉格光栅的光谱合成技术、基于二色镜的光谱合成技术、基于面光栅的光谱合成技术,以及其他不同种类的光谱合成技术,并实现了万瓦级高功率高光束质量光谱合成系统。研究人员分别对光纤激光光谱合成[37]和高功率半导体激光器[38]的研究进展进行了梳理与总结。文中针对光谱合成技术及其应用进行了全面的介绍,着重梳理和回顾了半导体激光器和光纤激光器光谱合成的发展历程、主流方案、发展现状以及近年来的发展态势与技术预测。

    • 回顾激光技术的发展历史不难发现,光谱合成(Spectral Beam Combining, SBC)技术的发展伴随着半导体激光器的发展。早在1970年代末,日本NTT (Nippon Telegraph and Telephone)电信公司的研究人员K. Nosu等人就报道了将干涉滤光镜纵向级联合成的结构用于多路复用器,实现六路激光二极管合成,其结构如图1所示[39]。在这一结构中,每路激光二极管的波长均不相同。干涉滤光镜透射特定波长的二极管激光输出,反射其他波长。这便是光谱合成最早的雏形。

      图  1  反射式多路复用器结构图

      Figure 1.  Structure of multireflection multi/demultiplexer

      此后十年,美国戈达德太空飞行中心(NASA’s Goddard Space Flight Center)激光与光电子所的研究人员Peter O. Minott和Jonathan A. R. Rall等利用光栅对结构(Grating rhomb)对不同波长的激光二极管进行光谱合成[40-41],标志着用于功率和亮度放大的横向并联结构光谱合成概念的形成。当时,该方案的难点在于用于合成的常规法布里-珀罗激光二极管的输出波长不稳定,即使施加温度控制也无法达到要求。由于缺乏良好的波长稳定技术,降低了光谱合成输出的光束质量。

    • 1990年代早期,光谱合成技术在光学通信波分复用(Wavelength-division multiplexing, WDM)传输领域也得到了发展[42-43]。这种波分复用传输器也被称为多通道光栅腔镜激光器(Multichannel grating cavity lasers),它的结构是将一维阵列半导体激光器通过共享同一个由光栅组成的腔镜进行合成。这种光谱合成方式的优点是将光栅与光束反馈机制相结合,既能够通过光栅反馈控制每路光束的波长,同时又能将各路光束在空间重合实现光谱合成。然而,在波分复用传输器中,研究人员主要关注的是如何将多路不同波长的光束注入到单模光纤中进行传输,而并不特别关心激光的功率、亮度以及效率。

      21世纪初,研究人员针对光谱合成在光束指向和波长控制两个方面的技术困难先后发展了谐振腔式的闭环光谱合成和开环光谱合成两种技术,如图2所示[12]。这两种技术的发明标志着光谱合成用于大功率半导体激光和光纤激光的开端。

      图  2  (a)闭环式光谱合成基本结构;(b)开环式光谱合成构型示意图

      Figure 2.  Schematic of (a) the closed-loop SBC configuration; (b) Open-loop SBC configuration

      2000年,麻省理工学院林肯实验室C.C. Cook和T. Y. Fan等发明了一种低损耗空间光谱合成的方式,即谐振腔式的闭环光谱合成[44-46]。该方式能够在控制波长的同时实现多路激光近理想光束合成,在半导体光谱合成和光纤激光光谱合成中均得到应用[16, 47]图3所示为合成一维排布激光二极管光束的系统结构,主要元件是增益介质、传输光学元件、光栅和部分反射耦合镜。该方案利用光学反馈控制每路激光的波长,使每路激光波长均不相同并且实现理想光束合成。每路光束的增益介质在各自的激光谐振腔中,谐振腔的一个腔镜在增益介质的一端,另一端采用部分反射输出耦合镜作为输出腔镜。在该结构中,所有光束共用同一个传输透镜,并且各路光束位于透镜的焦平面上。光栅和输出耦合镜作为外腔,不同波长光束入射在光栅表面光瞳重叠,由于不同波长光束入射角度各不相同,通过光栅衍射合成一束激光。2004年,M. Reich等实现了三路掺镱光纤激光器的光谱合成,输出功率104 W,光束质量M2因子为2.7[23]。2005年,T. Y. Fan等实现了100路平板激光二极管光谱合成,输出功率35 W,M2因子约1.3[44]

      图  3  半导体激光光谱合成实验结构图

      Figure 3.  Schematic of the semiconductor laser beam combining experiment

      与谐振腔式的闭环构型光谱合成的系统结构相比,开环式构型的光谱合成系统没有输出耦合镜,其衍射光栅放置于激光谐振腔外,合成光束经由光栅直接输出。不同波长的单路激光器或放大器通过传输光学器件以不同的角度入射在光栅表面并实现重叠;经光栅衍射后以相同方向、相同光瞳输出,实现在近场和远场的合成。林肯实验室最先将该方案应用在半导体激光合成和光纤激光合成中[17, 48]。如图4所示为掺镱光纤激光放大器通过开环式光栅合成方式实现光谱合成[49]。在这种结构中,振荡器通过衍射光栅实现每路激光的波长选择,放大器使每一路激光功率放大,从而获得多路高功率激光合成。2003年,S. J. Augst等通过这种方式对五路光纤激光器进行光谱合成,输出远场功率为6 W,合成效率约为71.4%,光束质量M2因子约为1.14,与单路激光M2因子接近[48]

      图  4  光纤激光光谱合成实验结构图

      Figure 4.  Schematic of the fiber laser beam combining experiment

    • 除了针对技术方案的改进,伴随着材料科学的发展以及光学衍射元件制作工艺水平的不断提高,光谱合成技术在大功率激光的合成应用中得到飞速发展。2006年,林肯实验室B. Chann等人报道了基于体布拉格光栅(Volume Bragg Grating, VBG)的半导体激光器光谱合成,输出连续光功率89.5 W,合成效率75%,创造了当时宽平面半导体激光器的最高亮度[17]。自2003年开始,在美国国防预先研究计划局(DARPA)和美国防部高能激光联合技术办公室(HEL-JTO)的共同支持下,中佛罗里达大学与OptiGrate公司共同研发了基于VBG的光谱合成系统。该系统中的体布拉格光栅由光热折变(Photo-thermo-refractive,PTR)玻璃材料制作而成,因具有较强的光谱分辨本领,而逐渐在光谱合成领域受到关注,并被应用于高功率激光光谱合成的实验研究中。2008年,中佛罗里达大学的研究人员实现了五路光纤激光放大器的千瓦级合成输出,系统结构如图5所示。五路激光的波长在1 062.08~1 064.55 nm区间,相邻激光波长间隔约0.44 nm。合成输出功率770 W,合成效率为93%,光束质量M2因子为1.1[29]。2013年,中佛罗里达大学联合劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)、IPG公司和OptiGrate公司共同研究体布拉格光栅的热管理问题,并实现了1.5 kW的合成激光热载[50]

      图  5  基于VBG的光谱合成结构示意图

      Figure 5.  Schematic diagram of SBC based on VBG

      此外,多层电介质光栅在一定的光谱范围内具有高衍射效率与低吸收率的特性,并且能够实现衍射效率与热吸收率对光的偏振不敏感特性。因此,随着高性能激光器技术与热稳定性好、衍射效率高的多层电介质光栅的发展相结合,使得基于多层电介质光栅的光谱合成技术在高功率高光束质量光纤激光光谱合成中得到快速发展。2007年,Aculight公司实现了基于多层电介质光栅的百瓦级掺镱光纤激光光谱合成,结构如图6所示[18]。三路激光对应的波长分别为1055 nm、1062.5 nm和1065 nm,相应的输出功率分别为170 W、190 W和210 W,合成总功率为522 W,合成效率93%。合成光束的光束质量M2因子在合成方向和垂直于合成的方向上分别为1.18和1.22,与入射前比下降很小。2009年,夫郎禾费研究所实现了2 kW[51]光纤激光光谱合成系统,首次将基于电介质光栅的光谱合成系统功率推进至千瓦量级。2014年,洛克希德·马丁公司利用电介质光栅进一步将光纤激光光谱合成系统功率推进至万瓦量级[52]

      图  6  基于反射式电介质光栅的光纤激光光谱合成示意图

      Figure 6.  Schematic diagram of of SBC based on reflected dielectric grating

      在这一时期的前半程,国内对于激光光谱合成技术的研究刚刚起步,还处于对合成器件与合成系统的理论分析阶段。然而,从2014年开始,国内研究人员迅速在高功率光谱合成激光输出方面取得了飞跃式发展成果。2007~2011年间,四川大学针对体布拉格光栅和闪耀光栅两种合成系统进行了输出光束特性及合成效率的分析[53-54]。2008年,中国工程物理研究院对半导体激光器的光栅-外腔光谱合成的耦合效率影响因素进行了分析[55]。同年,北京工业大学利用波长啁啾体布拉格光栅外腔实现了49个半导体发光单元的光谱合成,输出光束平均功率11.2 W,光束质量M2因子约为6[56]。2008~2011年,国防科技大学对基于体布拉格光栅的光谱合成系统进行了数值分析[57],对相移反射体布拉格光栅在谱合成中的应用以及布拉格光谱合成特性进行了分析[58]。2011年,空军工程大学针对光谱合成系统中体布拉格光栅的设计等问题进行了分析[59]。2014年,中国工程物理研究院开展了基于双光栅结构的光纤激光光谱合成验证实验[60];同时,对基于体布拉格光栅的光谱合成进行了实验研究[61]。此后五~六年,在以中国工程物理研究院、四川大学、中国科学院半导体研究所、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、国防科技大学、南京理工大学、苏州大学、清华大学、航空九院、同济大学、西华大学等为代表的单位的努力下,国内科研人员在合成元器件的制造与性能提升关键技术、光谱合成系统的设计,以及高功率激光光谱合成平台建设方面呈现出突飞猛进的发展态势[62-75]

    • 光谱合成的技术方案包括基于二色镜的光谱合成、基于体布拉格光栅的光谱合成、基于面光栅的光谱合成、基于WDM的光谱合成以及多种技术方案混合的光谱合成等。从系统结构上分,通过面光栅的光谱合成在系统结构上属于横向并联型光谱合成,即所有入射光路均经过同一合成元件衍射后合成为一束;而通过光学二色镜或体布拉格光栅的光谱合成的系统结构则属于纵向级联型合成,即需要通过设计二色镜或体布拉格光栅系列,实现多波长光束的合成。此节针对当前高功率光谱合成的主流方案和关键技术进行了阐述和分析。

    • 基于二色镜的光谱合成原理如图7所示,其基本思想是利用二色镜的分光原理,即利用二色镜对某一波长带宽内的激光高效率透射,同时对另一波长范围内的激光高效率反射,通过调整二色镜的角度使其透射带宽满足透射光束波长,通过调整反射光束的入射角度使得所有光束最终在近场和远场实现空间重合。对多个二色镜的膜系进行设计和控制,可以实现多光束的合成。

      图  7  基于二色镜的光谱合成原理示意图

      Figure 7.  Schematic diagram of SBC based on dichroic mirrors

      二色镜光谱合成的典型代表是基于干涉滤光片的光谱合成。干涉滤光片是利用干涉原理使得特定光谱范围的光通过的一种波长选择元件。通常分为截止滤光片和带通滤光片两种类型。其中,带通滤光片能够实现透射谱边沿陡峭下降,具有对波长间隔较小的光束进行光谱合成,同时保持单路激光光束质量的潜力。但是,在光谱合成系统的实际应用中,基于干涉滤光片的光谱合成系统功率和亮度提升主要受到以下两方面因素的制约:一方面,当N路激光合成时,需对(N−1)个干涉滤光片分别进行热管理;另一方面,为了实现合成光束阵列功率和路数的扩展,要求镜片的透射带宽窄且边沿陡峭[76],并且具有偏振不敏感、合成效率高和损伤阈值高等特点[77],这增加了滤光片的制作难度和技术复杂性。

    • 在激光合成技术的发展历史中,光谱合成相比于相干合成最显著的优势就是减小了由于单路激光相位控制所带来的系统的复杂性。而也正是如此,光谱合成光束的输出带宽比单路激光波长带宽宽很多。相对于其它光谱合成方式,体布拉格光栅光谱合成能够实现密集波长合束,借助其衍射的窄带宽波长选择原理来减小输出光束的光谱带宽,能数倍增加激光单元数量,提高合束光源功率。体布拉格光栅实现光谱合成的基本原理如图8所示。其基本思想与二色镜光谱合成类似,即某一波长光束满足布拉格衍射条件,获得高效率衍射光束,其它波长光束衍射率小于1%[78-79]

      图  8  基于体布拉格光栅光谱合成原理示意图

      Figure 8.  Configuration of SBC based on VBG

      VBG有透射式和反射式两种,具有容易实现偏振无关色散的特点,适合非保偏激光的光谱合成。然而,将VBG应用于大功率激光光谱合成时,由于受到以下三个方面因素的制约,使得其工程应用具有一定的难度和复杂性:首先,需要根据合成激光波长等条件设计由(N−1)个VBG组成的合成系列对N路激光进行合成。其次,VBG合成过程对光谱的变化非常敏感,在极窄的通道间隔下,环境温度的涨落或某通道失效均会引起光谱的变化,额外的温度控制技术增加了系统的复杂性[62];特别随着合成路数的增加,热管理系统的设计难度和实施的复杂性必然也将随之增加。最后,每路激光波长对应不同的VBG倾角,而相邻路数之间的波长差通常很小,使得相邻两次衍射波长之间对应的VBG高效率衍射角度之差非常小,从而对VBG倾斜角度的调节精度要求非常严格[80]

    • 面光栅是激光横向并联光谱合成的主要实现方法,将不同波长的激光在同一平面横向排列进行多光束合成,其原理是利用如图9所示的光栅元件的色散特性和光路可逆性,将用于分光的光栅色散元件逆向使用。历史上利用面光栅进行合成的方法有两种:一种是相同波长的激光光束排布在该波长对应的不同衍射级上,最终从同一位置输出;另一种是在同一衍射级上将不同波长的光束排布在对应的衍射角度上,产生光谱合成。根据合成方式的不同以及合成激光参数的不同,设计相应的光栅实现高效合成。

      图  9  基于面光栅的光谱合成原理示意图

      Figure 9.  Configuration of SBC based on surface grating

      在大功率激光光谱合成中,基于电介质光栅的光谱合成是面光栅光谱合成的典型代表,其主要优势在于:不需要设计光栅系列,合成效率高;光栅的损伤阈值高,且不容易发生热变形,有利于保持各单路激光的光束质量;光路具有很强的可扩展性。而另一方面,其功率和亮度提升主要受到以下三方面因素的制约:一是单路激光输出光谱线宽。受到电介质光栅色散的影响,单路激光的输出光谱线宽将影响合成光束的光束质量。对高功率激光光源的线宽控制是实现合成光束亮度提升的重要一环。二是光栅的色分辨本领。每个光栅均有其特定的光谱分辨本领,其可分辨的波长数亦即可以实现合成的激光数目。设计电介质光栅使其在较宽的光谱范围内对不同波长的激光均有较高衍射效率,是扩展光谱合成路数、提升合成输出功率的重要方式。三是系统光路的排布与调控。在基于电介质光栅的合成系统中,要求光束阵列在光栅色散面内的排布足够紧凑,以实现更多路数的光谱合成。将激光准直输出端帽小型化,研发调节精度足够高的光路调控装置,将对大功率光谱合成系统具有重要意义。

    • 随着高性能激光器技术,特别是窄线宽激光技术的发展与效率高、热稳定性好的合成元件的发展相结合,使得基于体布拉格光栅的光谱合成技术、基于二色镜的光谱合成技术以及基于面光栅的光谱合成技术在高功率激光光源中得到快速发展和应用。

    • 半导体激光光谱合成研究方面,利用面光栅进行光谱合成的研究单位主要有美国麻省理工学院林肯实验室、Aculight 公司、丹麦技术大学、Teradiode 公司等。2000年,美国 MIT 林肯实验室首次提出了采用反射式光栅的光谱合成方式,并实现了11路半导体激光器光谱合成,获得输出激光功率4 W[46]。2004年,Aculight 公司利用光谱合成方式获得了8.6 W半导体激光输出,快慢轴M2因子分别小于3.1和4.6[81]。2010年,丹麦技术大学的D. Vijayakumar 等人实现了980 nm半导体激光器光谱合成,获得了 9.3 W连续输出功率,M2因子5.3,合束效率63%[82]。2012年,由 MIT 成立的Teradiode 公司报道了基于光谱合成技术实现360 W、2倍衍射极限、亮度达10 GW/(cm2∙sr)的半导体激光源[83]。为提升半导体激光光谱合成效率,该公司设计了一种无输出耦合镜的光谱合成结构,如图10所示[84]。该结构能够将传统半导体激光光谱合成系统中“浪费”的激光用于稳定二极管元件。目前,Teradiode公司利用基于面光栅的光谱合成技术方案将传统的千瓦级半导体激光器亮度提高了100倍;并且实现了功率/纤芯500~2 000 W/50 μm、2~8 kW/100 μm的光纤输出产品研发,可应用于工业激光切割和焊接[84]。这使得半导体激光器能够与目前主导工业激光切割和焊接市场的光纤激光器、固态激光器和二氧化碳激光器相竞争。

      图  10  无输出耦合光谱合成结构示意图

      Figure 10.  Structure of coupler-free SBC laser

      此外,研究人员还提出了密集波长合束(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)高亮度光源的概念。相比于常规的宽谱波长合束,在DWDM中单个半导体激光器均通过内腔或外腔波长选择反馈机制来稳定波长,以减小单路激光之间的光谱间隔[85]。目前,已实现了多种输出功率潜力达到千瓦量级、光束参量乘积小于10 mm·mrad的DWDM系统设计。在该研究方向具有代表性的研究机构有TeraDiode[86]、JDSU/Amada[87]、Trumpf[88]、DPI/Fraunhofer CLT[89],以及DILAS[90]。2013年,德国弗劳恩霍夫研究所提出了一种基于VBG的高功率密集波分复用器(HP-DWDM)结构,如图11所示[91]。通过精密温控四片相同的VBG,对五束中心波长间隔仅为1.5 nm的宽面发射半导体激光bar条进行合成,获得合成输出功率200 W,当M2因子为45和1时,合成效率分别为85%和97%。近几年,德国DirectPhotonics公司推出了功率为500~2 000 W、光束质量为4.5~7.5 mm∙mrad、芯径为100~200 μm的光纤耦合半导体激光源产品[92-93],并应用于工业金属切割等领域。

      图  11  基于VBG的HP-DWDM结构示意图。①入射孔径;②, ③, ⑤ 介质镜;④ 具有高衍射效率的VBG;⑥ 输出孔径

      Figure 11.  Drawing of the HP-DWDM based on VBG. ① Input apertures; ②, ③, ⑤ dielectric mirrors; ④ VBG with high diffraction efficiency; ⑥ Exit aperture

      2015年,德国DILAS公司报道了采用VBG对三个半导体模块出射的偏振激光进行光谱窄化,并利用波长陡度为1 nm的二向分色镜对三路激光进行光谱合束,最终耦合进芯径100 μm的光纤中,实现功率为410 W的激光输出[90]。2017年,德国弗劳恩霍夫研究所采用二向分色镜对波长分别为935.9、 940.1、 944.0、972.5、 976.5、979.7 nm的窄线宽半导体激光器进行了光谱合成(如图12所示),并聚焦耦合进芯径为100 μm的光纤中,输出功率大于800 W[94]

      图  12  基于二向分色镜光谱合成结构示意图与光路模拟图

      Figure 12.  Scheme of SBC and ray-tracing simulation based on dichroic mirror

      为进一步提升输出激光的光谱密度,2014年,德国 Trumpf公司的H. Zimer 等人提出将带宽为皮米量级的窄带滤光片(Thin Film Filter, TFF)用于外腔合束系统中,对单路激光实现波长锁定[95]。2017年,Trumpf公司利用该方案实现了1.1 kW半导体激光光谱合成输出,光束参量乘积约为6 mm∙mrad[96]。系统结构如图13所示,利用TFF对单路激光实现波长锁定后通过透射光栅实现了光谱合成。如此,数百路增益元件的波长稳定只需在腔内加一个TFF器件就可以实现。利用该技术实现半导体激光器光谱合成,已经实现了从200 μm光纤输出大于5 kW的激光功率[97]

      图  13  基于TFF的外腔半导体光谱合成结构图

      Figure 13.  Schematic setup of the semiconductor laser SBC based on TFF multi-laser cavity

      相比之下,国内在高端半导体激光芯片及合成光源方面与国外仍有一定差距[14]。2013年,中国科学院长春光学精密机械研究所的研究人员利用透射式平面衍射光栅开展高功率、窄谱宽的半导体激光光谱合成实验,实现了连续光输出功率50.8 W、合成效率90.2%、M2因子10.9的970 nm半导体激光光谱合成[98];2014年和2019年,继续分别实现了106 W和212 W的800 nm半导体激光光谱合成功率输出,光束质量M2因子分别为14.6和2.2×16.7[67, 99]。2014年,北京工业大学的研究人员首次将BTS (Beam transformation system)应用于外腔光谱合成中,并基于透射式平面光栅实现了940 nm半导体激光光谱合成,输出功率58.8 W,电光转换效率51%,测得快慢轴M2因子分别为1.3和11.6[100]。2015年,中国工程物理研究院的研究人员基于光栅-外腔合束技术对19个发光单元的CM-Bar条进行了光谱合成实验,合成谱宽3.24 nm,输出光功率44.9 W,电光转换效率36.35%[101]。2017年,该单位研究人员实现三路半导体激光器光谱合成输出功率579.2 W,输出亮度232 MW∙cm−2∙sr−1,电光效率47%[102]。2019年,中国科学院半导体研究所利用外腔光谱合成技术和偏振合成技术实现八路半导体激光合成输出,输出功率310.2 W,光束质量M2因子在快轴和慢轴上分别为10.27和13.55,合成激光亮度252 MW∙cm−2∙sr−1[103]

    • 光纤激光光谱合成研究方面,具有代表性的工作是德国和美国相关机构的研究成果。从2009年至2011年,德国弗劳恩霍夫研究所的研究小组利用反射式多层电介质光栅分别先后实现了平均输出功率187 W和1.1 kW的纳秒脉冲激光合成[104-105];以及输出总功率2 kW和8.2 kW的高功率连续激光光谱合成,最高合成效率达到99%[26, 51]。其中,2011年,Wirth等人[26]报道了基于多层电介质光栅的四路高功率光纤激光千瓦量级光谱合成实验,系统结构如图14所示,每一路放大器的最大输出功率为2.1 kW,斜率效率为70%,合成效率达到99%,全系统的斜率效率为68%。用于合成的多层电介质光栅在入射激光波长为1 020~1 070 nm的区间内衍射效率大于97%;在1 030~1 036 nm区间内衍射效率大于99%。

      图  14  基于电介质光栅的光谱合成结构图

      Figure 14.  Configuration of SBC based on dielectric grating

      2012年,洛克希德·马丁公司在美国陆军的支持下,实现了3.1 kW的光纤激光光谱合成输出,${{\rm{M}}}^{2}$<1.4[21]。系统结构如图15所示,每路光纤激光采用MOPA结构输出,平行排布;传输镜使各路激光以特定角度入射到光栅表面的同一位置;各路光纤激光在设计时满足与其位置相对应的波长,这样经过光栅后所有的光束就会合成一束激光并且沿同一方向输出。2013年,美国陆军空间与导弹防御司令部授予洛克希德·马丁公司60 kW光纤激光器研发合同,计划2016年实现目标。2014年,洛克希德·马丁公司实现30 kW激光输出的光谱合成系统[52];并于2015年3月3日,利用基于该系统的“雅典娜”高能武器系统(ATHENA)在一英里以外的距离迅速烧毁一辆安装在测试平台上的小型卡车的发动机[106]。这次实验标志着30 kW谱合成技术成功运用于单模光纤激光武器系统的地基试验雏形。2017年3月,洛克希德·马丁公司首次公开宣称其60 kW级近衍射极限输出的光纤激光光谱合成系统完成,并交与美国陆军;该系统电光转换效率大于43%,这也是目前公开报道的光纤激光光谱合成系统实现的最高输出功率水平[107]。2018年8月,美国陆军授予洛克希德马丁公司及其合作伙伴一份1000万美元的合同,继续开发基于光纤激光光谱合成的高能激光战术车载演示系统(HEL-TVD),计划2022年实现100 kW级移动车载激光武器系统[108]

      图  15  洛克希德·马丁基于电介质光栅的光谱合成系统结构简图

      Figure 15.  Schematic setup of dielectric grating fiber laser SBC of Lockheed Martin

      除了多层电介质光栅,二色镜元件和体布拉格光栅在光纤激光光谱合成中也占据了重要的地位。2008年,美国密歇根大学K. Regelskis等利用带宽1 nm且光谱边沿陡峭的干涉滤光片对三路脉冲光纤激光进行光谱合成,合成后的平均输出功率52 W,脉宽2 ns,合成能量1.9 mJ,合成效率大于90%[32]。2009年,德国耶拿大学O. Schmidt等报道了利用电介质干涉滤光片实现四路脉冲光纤放大器的光谱合成,合成平均功率为208 W,最大脉冲能量达到6.3 mJ[76]。2011年,Derrek Drachenberg等报道了五路波长间隔0.25 nm,总输出功率750 W的体布拉格光栅光纤激光光谱合成实验,其输出光谱总带宽1 nm,合成效率大于90%,M2=2.1[30]。该输出激光的光谱带宽远小于其他类型光谱合成方式的结果。

      在国内,2015年,中国工程物理研究院利用透射型体布拉格光栅对两路光纤激光进行光谱合成[109],实现了856 W功率输出,合成效率73.7%。合成输出光束的光束质量M2因子在横向和纵向分别为7.9和2.7。2016年,该团队利用反射式体布拉格光栅对四路光纤激光进行光谱合成,输出功率720 W,合成效率94.7%,M2因子约1.54[110]。此外,中国工程物理研究院等单位利用多层电介质光栅搭建了一套双光栅光谱合成系统,对五路千瓦级MOPA结构光纤激光放大器进行光谱合成[111],激光中心波长覆盖范围为1 060~1 067 nm。最终实现了5.07 kW高功率激光输出,合成效率91.2%。此后,该研究团队对上述双光栅光谱合成系统进行扩展[33],系统由中心波长从1 055 nm~1 070 nm的十路千瓦级全光纤结构的窄谱子束光纤激光器和两组双电介质光栅光谱合成单元组成,最终获得了最大功率9.6 kW的合成激光输出,合成效率92%,光束质量M2因子为2.9。2016年,国防科技大学利用透射型电介质光栅实现了两路光谱间隔62 nm的超宽带掺镱光纤激光的光谱合成实验[112],该输出光谱范围是截至当时文献报道的光谱合成输出光谱范围的2.5倍。这一实验结果表明,通过充分利用掺镱光纤的增益带宽能够有效扩展合成路数,提升系统输出功率的同时减小单路光纤激光的功率增长压力。同年,中国科学院上海光学精密机械研究所基于多层电介质光栅对八路光纤激光放大器实现光谱合成[35],合成输出功率10.8 kW,合成效率94%,合成光束质量M2因子为1.9。之后,该团队利用同样的结构对七路千瓦级光纤激光进行光谱合成,最大输出功率11.27 kW,合成效率92.8%,万瓦功率量级时的合成输出光束衍射倍率因子小于2.5[13]。2017年,南京理工大学利用干涉滤光片实现了两束光纤激光的光谱合成,获得10.12 kW激光输出,光束质量M2=11.4×10.4[38]

    • 截至目前,激光光谱合成的研究绝大多数集中于9xx、10xx nm等近红外波段。高平均功率的中红外激光由于其在激光雷达、探测、遥感和材料加工等领域的广泛应用前景,已经成为激光技术领域的研究热点。在许多情况下,这些应用需要激光在大气中长距离传播。因此,要求激光器的工作波长处于人眼安全范围内。近年来,随着790 nm波段半导体激光技术和大模场掺铥光纤工艺的成熟,掺铥光纤激光器和放大器的性能水平得到飞速提升[113-115]。由于2 μm波段的人眼安全特性以及比传统掺镱光纤低近一个量级的非线性效应阈值的优势,并且具有宽谱发射特性(1.8~2.1 μm),掺铥光纤激光的光谱合成有可能成为2 μm波段高能激光的有效实现方式。

      2011年,美国中佛罗里达大学的研究人员报道了利用平面衍射光栅对三路掺铥光纤激光放大器进行光谱合成的实验[116]。实验结构如图16所示,输出激光波长在1 984~2 015 nm之间,合成功率49 W,合成效率67%。

      图  16  掺铥光纤激光光谱合成结构图

      Figure 16.  Schematic setup of Tm-doped fiber laser SBC

      2016年,土耳其比尔肯大学和德国汉诺威激光中心的研究人员利用WDM级联,实现四路输出波长分别为1 920、1 949、1 996、2 030 nm的掺铥光纤激光器全光纤结构光谱合成[117]。实验结构如图17所示,最终实现合成输出功率38 W,合成效率69%。

      图  17  基于WDM级联的掺铥光纤激光光谱合成结构简图

      Figure 17.  Configuration of Tm-doped fiber laser SBC experiment based on WDM

      此外,TeraDiode公司已经将其光谱合成技术扩展到量子级联激光器中,以实现红外波段的高亮度半导体激光光源;目前已研发出5 W、10 W和20 W的激光模块[76]。DirectPhotonics公司正在利用VBG稳波长技术和二向色性滤波片光谱合成技术,开发研制800~1 500 nm的高功率、高亮度半导体激光光源[93]

    • 在以往进行的基于面光栅的光纤激光光谱合成中,由于光栅的色散作用,单路激光的输出线宽将影响合成光束的输出光束质量。为保证合成系统光束质量的性能,单路激光线宽应小于10 GHz[118],这极大地增加了用于合成的高功率、窄线宽激光器的研制难度。如采用宽谱激光作为放大器种子光源,则有可能成量级地提升单路激光的最大输出功率,保证光谱合成系统输出总功率的同时减小系统的复杂度。对此,A. Liu等人提出了利用光栅对结构抑制光谱展宽所引起的光束质量退化[119]。之后,T. H. Lotus等人在此基础上对双光栅光谱合成结构进行了理论分析和实验验证,表明该方案在降低单路线宽要求和合成光束质量退化程度方面具有优势[120]。近年,中国工程物理研究院对双光栅光谱合成中的关键技术进行了理论研究和大功率实验验证。目前,高功率可合成窄线宽子束激光功率已达到3 kW量级[121-122],短波长窄线宽子束激光功率已突破2 kW[123],基于偏振相关多层电介质光栅的光谱合成输出功率达到10 kW量级[124]

      在基于体布拉格光栅的光谱合成研究方面,受系统合成效率的限制,用以合成的单路激光线宽和相邻激光光谱间隔分别在GHz和10 GHz量级,这对单路激光和体光栅的性能都提出了严苛的要求:一方面,受限于非线性效应,单路激光输出功率难以提升;另一方面,体光栅衍射光谱的边带表明透射光束的损耗具有波长敏感性,增大了系统热管理的难度。对此,中国工程物理研究院利用宽光谱间隔的体布拉格光栅光谱合成方式,获得了2.5 kW激光输出,放宽了对单路激光线宽和功率的限制[62]

    • 在以往的实验研究中,纵向级联型光谱合成系统的光路线性排布,只能在某一方向上进行光谱合成。这样不仅造成系统的光路较长,而且系统的路数和功率提升受到限制。为了实现路数、光谱和功率可拓展的实用型光谱合成系统,模块化的系统设计迫在眉睫。中佛罗里达大学研究人员提出将多个不同倾角的体布拉格光栅固定在同一个光热折变玻璃底板上作为一个模块,每个模块均合成一定数量的激光子束,多个模块组合在一起同时实现不同方向的激光光谱合成,系统结构如图18所示[125]。在相同功率水平条件下,这种模块化的设计方案能够将原有合成系统体积减小八倍,同时增加系统的机械稳定性。

      图  18  五组模块化的VBG光谱合成系统

      Figure 18.  Five-element stack of VBG SBC

      除了系统结构的模块化设计外,插件灵活的单路高功率激光模块也是实现多谱段、集成化光谱合成系统的有效方式。当前,国内外对于激光光谱合成技术的研究结果已经表明光谱合成实现高功率高光束质量激光不存在物理问题。然而,激光光束相对角度的高精度调节与控制,必须通过模块化的多路激光束精密封装技术才能解决,多路激光与光栅空间光路模块化设计与制造技术是实现100路量级、100 kW功率输出、高光束质量、紧凑化、高效率与便于维护的核心关键技术。图19所示为插件式光纤激光模块的封装模型[22]。两路千瓦级光纤激光器集成在一个模块上,共用一套供电设备和冷却装置。目前,该模块在输出光谱线宽小于11 GHz水平下的输出功率大于2 kW,斜率效率达到85%。这种面包板插件式封装模块作为光谱合成的光源,不仅能够提升单路激光输出功率,具备宽光谱输出能力,而且可以根据需要灵活增加或减少合成激光的波长与功率,同时实现单路激光在光栅色散面内紧密排布的结构,为未来实现集成化、轻量化、小型化的大功率、多谱段光谱合成系统提供了可能。

      图  19  两路1 kW光纤激光封装模块结构图

      Figure 19.  Schematic of packaged 2×1 kW fiber laser module

    • 无论是相干合成还是光谱合成,在系统功率提升方面都具有一定的限制。例如,光谱合成系统的功率提升受到可用于合成的增益谱宽的限制;相干合成系统由于填充因子和相位噪声等因素的限制,更多路数和更高效率的相干合成技术还没有得到完全突破。利用光谱合成与相干合成的混合合成技术有望打破单一合成方式的技术瓶颈,实现合成路数和功率的增长。N路激光经过相干合成后作为一个整体输出,M个这样的相干合成系统输出不同波长的激光再经过光谱合成,最终实现N×M路激光合成[126-127]

      例如,美国中佛罗里达大学的研究人员提出基于体布拉格光栅的被动相干合成与光谱合成混合合成系统,系统模型如图20所示[128]。多路激光先经过VBG进行相干合成,每一个相干合成单元作为一个模块,最终实现多个模块的光谱合成输出,并预计一个这样的系统能够达到100 kW量级功率的激光输出。

      图  20  基于VBG的光谱合成与相干合成混合合成系统模型

      Figure 20.  Hybrid spectral and coherent beam combining scheme using VBGs

      2015年,笔者所在课题组提出利用主动锁相和宽带二色镜,搭建光纤激光主动相干合成和光谱合成的混合合成系统[129]。系统结构如图21所示,四路输出功率20 W的线偏振光纤激光放大器经过偏振合成后作为一个模块输出,最后一级利用二色镜对两个模块输出的激光进行光谱合成。全系统输出功率达到142.1 W,合成效率大于90%,合成光束质量M2因子在xy方向上均为1.1。该实验证明了基于光谱合成技术与相干合成技术的结构紧凑的混合合成系统的可行性。

      图  21  基于光谱合成与偏振合成的混合合成系统结构简图

      Figure 21.  Hybrid spectral and polarized beam combining scheme

      2017年,中国工程物理研究院报道了利用双光栅光谱合成技术和偏振合成技术构成光纤激光混合合成系统,实现五束不同波长激光的合成输出,功率达到5.02 kW,合成效率91.2%,光束质量M2因子为2.96×1.52[130]

    • 以往进行的光谱合成实验大都围绕半导体激光器和光纤激光器展开。随着激光推进、激光传能等领域对高功率、高光束质量激光器的需求提升,不同种类、不同波段的高亮度固体激光器的研制速率也在显著提升。例如,2009年,美国诺斯罗普·格鲁曼公司实现了七路15 kW板条激光器相干合成,输出功率为105.5 kW,光束质量因子小于2.9倍衍射极限,电光转换效率达19.3% [131]。而在此前,2007年2月,实现3.9 kW单路激光模块;2007年12月,实现15.3 kW、1.58倍衍射极限的激光链路;2008年7月,实现30 kW两路合成激光输出。又如,太赫兹激光光源在遥感、成像、大容量保密通信、无损检测与诊断、生物与化学传感、安检、工业过程监测、扫描近场光学显微镜等领域具有很大应用潜力[132-137],成为近年的研究热点。为了制造出结构紧凑、功率高、成本低的高效率太赫兹源,太赫兹量子级联激光器[138-141]和锁相阵列太赫兹激光迅速发展起来[142-143]。未来,光谱合成或将成为实现高功率、高光束质量新型固体激光输出的研究方向之一。

    • 光谱合成技术几乎是伴随着半导体激光器的发展同步进行的,光纤激光的出现极大地促进了高功率光谱合成技术的发展。光谱合成的目的是提升系统的输出功率并保持良好的光束质量。因此,合成光束的光束质量与合成效率就成为了光谱合成方案实施的核心。无论是哪种光谱合成方案,关键点都是实现激光合成路数的拓展,提升输出功率并保持光束质量。近年来,研究人员将工作重点放在可光谱合成的单路激光设计与优化、光谱合成元件的性能提升以及光谱合成系统结构与功能的升级改造上。目前,基于千瓦级激光模块光谱合成的万瓦级光谱合成系统已经实现。通过光谱合成技术实现更高功率激光输出,极大推动了激光在材料加工、国家安全等领域的应用。除此之外,随着成像探测、生物医疗、信息通信、网络安全等领域的发展以及相关产业的应用需求,脉冲激光光谱合成以及特殊波段激光光谱合成也将成为科研人员越来越关注的焦点。近几年,国内在大功率光谱合成光源方面呈现出强劲的赶超趋势,在窄线宽激光光源、光栅制造关键技术、万瓦级光谱合成技术等方面不断涌现出优秀的科研成果,为下一步实现小型化、轻量化、集成化的更高功率、更宽谱段的多样化实用型激光光谱合成系统奠定了坚实基础。

参考文献 (143)

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