周泰斗 梁小寶 李超 黃志華 封建勝 趙磊 王建軍 景峰
(中國工程物理研究院,激光聚變研究中心,綿陽621900)
基于透射型體布拉格光柵的兩通道2.5 kW光譜組束輸出?
周泰斗 梁小寶 李超 黃志華 封建勝 趙磊 王建軍 景峰?
(中國工程物理研究院,激光聚變研究中心,綿陽621900)
(2016年8月1日收到;2017年1月22日收到修改稿)
體光柵光譜組束是獲得高功率激光輸出的一種有效途徑.在有限的可用帶寬內,光譜通道間隔影響著組束光束數目以及最終的高功率組束輸出.采用耦合波理論,建立了一個兩通道高功率光譜組束模型.通過優化體光柵光譜通道間隔,可放寬對組束子束線寬和功率的限制,組束功率可大幅提升而光譜密度并無顯著下降.基于此,實驗上獲得了2.5 kW組束輸出,絕對效率超過85%,通道間隔5 nm,光譜密度為0.51 kW/nm.組束功率<1 kW時,組束輸出能保持好的光束質量;組束功率>1.5 kW時光束質量惡化較明顯,通過分析發現,組束光束質量的惡化主要受限于體光柵的色散及高功率下體光柵復雜的熱畸變.
光譜組束,體布拉格光柵,光纖激光器,光束質量
高功率高光束質量的激光在高端工業制造、空間通訊、軍事國防等領域應用價值重大,單臺激光器受增益介質的熱效應、非線性效應和損傷等因素[1?4]的限制,最終輸出能力存在瓶頸.光譜組束技術[5?9]是進一步提高激光輸出能力的一種有效途徑之一.在光譜組束中,采用合成元件將多束中等功率且光束質量較好的子束組束成單束輸出,輸出光束質量無顯著劣化,輸出功率和亮度得以提高.記錄于光熱折變玻璃內的體布拉格光柵[10]具有偏振無關、衍射效率高、熱機械性穩定以及激光損傷閾值高等[11]優點,是光譜組束的理想合成元件之一.在光譜組束系統中,通道間隔越小,在有限的可用帶寬內的通道數就越多,可獲得的組束輸出就越高,對此國內外學者開展了大量工作[12?21].2008年,Andrusyak等[22]實現了總功率773W、光譜間隔為0.5 nm的5束光譜組束輸出,輸出總譜寬為2 nm,光譜密度為0.39 kW/nm,子束半高全寬(full w idth at halfmaximum,FWHM)線寬為0.06 nm.2011年,Drachenberg等[18]進一步壓窄通道間隔至0.25 nm,輸出總功率為750W,總譜寬為1 nm,光譜密度為0.75 kW/nm,子束功率和FWHM線寬分別僅為150W,0.02 nm.但是組束通道間隔越小,不僅對組束子束也對體光柵提出了更為嚴苛的要求.一方面,窄線寬子束受限于受激布里淵散射為主的非線性效應影響,輸出功率有限.另一方面,體光柵的波長選擇性要求窄,這使得組束過程對光譜的變化非常敏感.體光柵諧振波長在高功率負載下會向長波方向移動,其量級約為10 pm/K[15,23],在極窄的通道間隔下,環境溫度的漲落或某通道失敗均會引起光譜的變化,額外的溫度控制如熱調諧技術[23]增加了系統的復雜性.而且,窄的通道間隔通常對應較厚的體光柵,這對整個體光柵口徑內的均勻一致性提出了更高要求.因此,適當放寬通道間隔,既可放松對子束線寬的要求,相應地,子束的輸出功率可提高,又不需要額外的復雜控制,而光譜密度并無顯著下降.
在本文中,我們適當增大組束通道間隔,采用單塊透射型體布拉格光柵合成兩束較寬譜寬的光纖激光束,獲得了2.5 kW最大組束功率,據我們所知,此為文獻所報道的最高組束功率.最大組束輸出時絕對效率超過85%,通道間隔約5 nm,光譜密度為0.51 kW/nm.最大功率輸出時的組束光束質量=4.21,=2.83,通過分析發現,光束質量的惡化主要歸因于體光柵的色散和高功率下體光柵的熱畸變.此實驗中并未對體光柵采取主動冷卻措施,若對體光柵冷卻,使得體光柵的熱效應得到控制,此組束將輸出更高功率的組束結果.
2.1 實驗系統
圖1給出了單塊透射型體布拉格光柵(transMitting voluMe Bragg grating,TVBG)進行兩通道光譜組束實驗示意.整個系統包含三個部分:光源部分,組束部分和測量部分.光源部分為兩臺自主研發的高功率全光纖激光器,激光器均基于MOPA(master oscillator power-aMp lifier)結構,在1μm附近最大輸出功率可達1.8 kW,激光束由QBH(quartz block head)輸出并經過準直器準直,準直直徑為6mm,其中,中心波長為1062 nm的子束經過一反射鏡(refl ector)入射至TVBG上進行透射,而中心波長為1057 nm的子束經過反射鏡后將在TVBG上衍射,二者經過TVBG后重疊,實現組束.組束部分的透射型體布拉格光柵TVBG(購于OptiGrate,型號C52-17)為系統合成元件,關鍵參數均已進行優化.一個劈板(wedge prism)用于分出小部分功率進入測量系統,而絕大部分功率由萬瓦功率計(powermeter)接收并實現功率的測量,光譜分析儀(optical spectruManalyzer,OSA)和M2測量系統(Spiricon,M2-200 s)用于測量整個組束系統的光譜和光束質量,由于光譜分析儀和M2測量系統承受功率有限,測量部分還額外增加了兩個劈板和衰減片(neutral density fi lter),一量程較小的功率計用于間接測量組束功率.

圖1 (網刊彩色)基于透射型體布拉格光柵的光譜組束系統Fig.1.(color on line)Spectral beaMcoMbining systeMbased on a transMitting voluMe Bragg grating.
2.2 參數優化
對于體光柵光譜組束系統,高的組束效率不僅意味著衍射子束有高的衍射效率,還要求透射子束有高的透過效率,因而透射子束的串擾損耗要小.體布拉格光柵可以擁有大于99%的衍射效率,但體光柵還有一系列強度漸弱的旁瓣,中間主瓣最高,對應著諧振波長的峰值衍射效率.邊緣旁瓣低,且越偏離中心諧振波長,旁瓣越弱,透射子束串擾損耗越小,透過效率越高.一般地,選擇透射子束位于第三旁瓣[23]或更高階旁瓣時,串擾損耗將變得不顯著,透過率的下降將變得不明顯,如圖2(b)所示.
耦合波理論是研究體布光柵的基礎理論,具有表達形式簡單、物理概念明確等優點,在分析體光柵時最為常用.根據耦合波理論,體光柵的衍射效率(diff raction effi ciency)可以通過體光柵的參數如調制頻率(modulation frequency)、厚度(thickness)、折射率調制深度(refractive index modulation)等清楚地表示.下面以兩通道為例(更多通道只是級聯過程),給出體光柵通道間隔的優化過程,假設中心波長為λ0的子束發生衍射,波長為λ0+?λ的子束直接透射,?λ為組束通道間隔,記體光柵的主要參數分別為調制頻率f、厚度t和折射率調制深度δn,根據布拉格條件,為了使中心波長為λ0的子束獲得100%衍射,它們應滿足

其中,n0為體光柵的平均折射率.同時,為了使波長為λ0+?λ的子束獲得高效率透射(即0%衍射),該體光柵的參數還應滿足[24]

其中,i=1,2,···,i對應體光柵的第1,2,···,i個旁瓣,為了減少串擾損耗,通常選取透射子束位于第三旁瓣處.聯立(1)式和(2)式,兩者的交點即為優化了的體光柵的折射率調制深度和調制頻率,結果如圖2(a)所示,選取i=3,表示透射子束位于第三旁瓣處.
在本實驗中,參與組束的兩光源的中心波長分別為1057和1062 nm,間隔5 nm,其中波長為1057 nm的子束將發生衍射,波長為1062 nm的子束直接透射.為了減少串擾帶來的效率下降,選取透射子束位于衍射譜第三旁瓣處.按照上述優化過程,對體布拉格光柵的參數進行優化,購于美國OptiGrate公司的透射型體布拉格光柵(型號C52-17),有著不小于96%的衍射效率,由于實際制備過程的不完美,效率并不能達到100%.光柵厚度t=0.9 mm,調制頻率f=1250 mm?1(調制周期Λ=1/f=0.8μm),折射率調制深度δn約為475 ppm(1 ppm=10?6),半高全寬波長選擇性(wavelength selectivity,WS)約1.5 nm,如圖2(b)所示.

圖2 (網刊彩色)(a)體布拉格光柵的參數優化;(b)選取體布拉格光柵的衍射譜Fig.2.(color on line)(a)ParaMeters op tiMization of voluMe B ragg grating;(b)d iff raction spectruMof selected voluMe B ragg grating.

圖3 (網刊彩色)(a)組束功率和(b)系統效率隨總輸入功率的變化Fig.3.(color on line)(a)and(b)CoMbined power and effi ciency changes w ith overall inpu t.
將兩路子束和單塊透射型體布拉格光柵按照圖1所示的光路搭建光譜組束系統,系統中光束的準直在低功率下進行.增加子束的輸入功率,組束的輸出功率變化如圖3(a)所示.在最大輸入功率約3 kW時組束系統獲得最大輸出2563W,絕對效率達85%,最大輸出時的光束質量為=4.21,=2.83.在組束輸出逐漸增大的同時,組束系統絕對效率卻在下降,由最初的95%逐漸下降至最大輸出時的85%,如圖3(b)所示.
組束效率的下降應歸因于以下兩點:1)衍射光束的線寬隨功率的增大而展寬,導致衍射光束衍射效率下降,從而組束效率下降.衍射光束的3 dB線寬由最初的0.06 nm增加至最大輸出時的0.3 nm,而本實驗中的透射型體光柵的衍射譜呈“瘦高”型,頂部較尖,其半高全寬(FWHM)波長選擇性約1.5 nm,對透射型體光柵,光束線寬約為光柵波長選擇性的1/8時[10],其衍射效率基本不下降;2)雖然本實驗中的激光器穩頻效果好,中心波長隨輸出功率的增加基本不變化,但高功率負載會導致體光柵熱畸變(膨脹和面型畸變),引起光柵內部柵線和折射率變化,進而導致諧振波長向長波長漂移,其漂移量約為10 pm/K.低功率下衍射子束(1057 nm)的中心波長匹配布拉格條件,增大功率后TVBG的諧振波長發生漂移,原本匹配布拉格條件的子束,此時變得不再完全匹配了,子束衍射效率下降,繼而組束效率下降.從圖3(b)還可以看出,后半部分組束效率有些許上升,這是由于兩子束的功率加載方式不同,在低功率時,兩子束采用同等功率加載,衍射光束最大可輸出1.2 kW,而透射光束最大功率達1.8 kW.當衍射功率加至最大后,透射功率仍可繼續增大.在整個組束過程中,透射光束因“直透”,其透過率均保持95%以上.

圖4 最大功率輸入時(a)1057 nm光束、(b)1062 nm光束以及(d)最大組束功率輸出時組束光束的光譜形狀;(c)1057 nm光束的3 dB線寬隨輸出功率的變化Fig.4.Spectral p rofi les of(a)1057 nMbeam,(b)1062 nMbeaMat MaxiMuMinpu t and(d)coMbined output atMaximuMpower of 2563W;(c)3 dB spectralw id th of 1057 nMbeaMin diff erent power situation.
圖4 給出了組束系統所測得的光譜,其中圖4(a)和圖4(b)分別為入射1057 nm子束和1062 nm子束的光譜,可以看出除中心主峰信號光之外,旁邊還包括一些強度很弱的邊帶,圖4(a)中右邊的光譜邊帶為拉曼峰,本文所用的光纖激光器品質良好,拉曼抑制比可達30 dB,這意味著絕大部分能量集中于中心主峰信號光.圖4(c)表示1057 nm子束的3 dB線寬隨著輸出功率的提升而逐漸增大,由初始的0.06 nm增加至最大輸出時的0.3 nm.此外,體光柵獨特的波長和角譜選擇性使其可以被用于選擇濾波,當光束以布拉格條件入射至體光柵時,光束中滿足布拉格條件的信號光成分將被高效衍射,而不滿足布拉格條件的拉曼等邊帶成分因無法衍射而直接透射,衍射后的光譜為一個去除了邊帶的“干凈”光譜,正如圖4(d)所顯示的最大組束輸出時的光譜形狀那樣.其中,光譜中心部分的兩個峰分別為1057 nm子束和1062 nm子束,光譜左右兩側的小邊帶是由于透射光直透而引入的邊帶,其占有的成分極少,中心主峰對邊峰的抑制比達約35 dB.
隨著總輸入功率的增加,組束輸出的光束質量逐漸變差,見圖5(a).在最大組束功率2563 W時,組束輸出的光束質量已經惡化至=4.21,=2.83,其近場光斑見圖3(b)中插圖所示.從圖5(a)可以看出,低功率時(<1 kW)組束光束能保持好的光束質量,但當組束功率超過1 kW后,組束光束質量變差;超過1.6 kW時,組束光斑出現畸變,且光斑周圍出現有類似高階模式的“暈狀”分布,光束質量進一步惡化.圖5(b)為測得的不同功率水平下體光柵的溫度,在最大組束輸出時體光柵的溫度高達125?C.

圖5 (網刊彩色)(a)理論計算和實驗測得的不同組束功率下的輸出光束質量;(b)不同功率負載下的體光柵溫度變化Fig.5.(color on line)(a)Theoretical and experiMental coMbined beaMquality under d iff erent power situation;(b)teMperatu re of voluMe B ragg grating under diff erent power load.
對于光譜組束這種共口徑、空間組束方式,組束輸出的光束質量由子束間的空間光束特性的均勻一致性來定義.這些特性包括光束大小,指向穩定性(重合度)以及波前特性(如匯聚、發散).子束間這些特性的變動均會導致組束輸出的光束質量劣化.本實驗中光束質量的劣化,原因有以下幾點.1)透射型體光柵的色散[24],經計算約為1.3 Mrad/nm,對衍射光束會引入額外的發散,圖5(a)中藍線表示光束質量隨線寬(與功率對應,見圖4(c))的變化,可以看出其變化趨勢與線寬隨功率的變化趨勢大致相同.這對組束輸出光束質量的劣化有較大貢獻.此外,雖然兩光束有相同的初始尺寸,但由于色散對衍射光束引入額外的發散,而透射光束并沒有,經過光柵之后的傳輸,光束之間的尺寸會有差異,但差異小,基本可忽略.2)子束本身的光束質量惡化,由于非線性效應等因素影響,光纖激光器在高功率運行時易激發高階模式,光束質量會下降.本實驗中衍射光束(1057 nm)最大輸出1.2 kW,光束質量M2優于1.5;透射光束(1062 nm)最大輸出1.8 kW,光束質量M2優于1.8,因而這部分貢獻較小.3)高功率光束入射至體光柵時,體光柵會吸熱升溫,組束系統處于潔凈環境中,沒有采取主動冷卻手段,在最大組束功率時體光柵的溫度達125?C,見圖5(b),體光柵在如此高溫度下會出現熱畸變(膨脹和面型畸變).本文中的透射型體光柵的材料損耗<0.8%(1064 nm),表明在最大功率入射時仍約23.2W被吸收,體光柵發生變形膨脹.正如前面所說,體光柵內部柵線的畸變不僅會影響組束效率,還會導致光束間的重合度下降(布拉格條件改變導致出射角度變化),從圖5(a)中可以看出,除了色散外,熱畸變是導致光束質量劣化的另一主因.此外,衍射光束經過面型畸變的光柵之后,其波前特性會發生變化,子束間的波前差異也會引起組束輸出后的光束質量下降.這些因素共同作用,造成組束輸出光束質量劣化.
為了進一步分析組束光斑的劣化,我們還測量了衍射子束和透射子束單獨經過透射型體光柵的光斑,如圖6所示.可以看出,總體上衍射子束和透射子束隨著功率的增加光束質量經歷不同程度的惡化,主要歸因于體光柵在高功率下的熱畸變.衍射子束和透射子束在較低功率(500 W)時光束質量好,光斑為近高斯型輸出,組束后的光斑較均勻,光束質量較好.當組束功率超過1 kW后,光斑變差,此時透射子束光斑畸變.組束功率超過1.6 kW后,透射子束與衍射子束光斑均發生畸變,主要是體光柵熱畸變所致,兩畸變光斑共同作用,組束光束產生類似“暈狀”的光斑分布.

圖6 (網刊彩色)衍射、透射子束和組束后光束的近場光斑Fig.6.(color on line)BeaMp rofi les of d iff racted,transMitted and coMbined output.
總之,從組束輸出光束質量的劣化過程我們可以發現,體光柵自身的色散以及體光柵在高功率激光照射下的熱畸變是導致組束光束質量劣化的主因.用于光譜組束的體布拉格光柵是獲得高功率激光輸出的關鍵器件之一,其自身的性能影響著最終的組束結果.通過上述分析可以看出,為了在獲得高功率組束輸出的同時還能保持好的光束質量,體光柵自身的色散以及其在高功率輻射下的熱機械性能必須得到控制.對于體光柵的色散,一方面,可以設計體光柵的參數達到減小色散的目的;另一方面,減小衍射子束的譜寬,因為子束譜寬與體光柵色散共同作用才會對衍射后的子束引入額外的發散,進而衍射后的光束質量下降.而對于體光柵的熱畸變,一方面可以進一步降低體光柵基質材料的損耗;另一方面,可對體光柵采取主動冷卻措施,如TEC冷卻、風冷等本實驗中的體光柵放置于空氣中且未加以冷卻,吸收功率約23.2W,這些熱量導致了體光柵的膨脹和畸變,不但引起效率下降,還會導致光束重合度下降,引起組束輸出光束質量劣化.
在適當放寬組束通道間隔的條件下,可增加組束功率輸出而光譜密度仍保持較高水平.本文采用單塊透射型體布拉格光柵實現兩較寬光譜的組束,最大組束輸出達2.5 kW,為目前報道的基于體光柵組束獲得的最大功率,組束絕對效率超過80%,通道間隔約5 nm,光譜密度為0.51 kW/nm,達到國內外先進水平.受到透射型體光柵的色散和高功率下體光柵的熱效應影響,組束輸出光束質量劣化至=4.21,=2.83.要想獲得近衍射極限的組束輸出,光柵的色散和子束線寬要得到控制,且組束過程中對體光柵的冷卻,如TEC溫控、風冷等方式須加以利用.若采取冷卻措施使得體光柵的熱問題得到控制,體光柵有能力獲得更高功率水平、更優光束質量的組束結果.
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(Received 1 August 2016;revised Manuscrip t received 22 January 2017)
PACS:42.40.Pa,42.40.Eq,42.25.Fx,42.55.WdDOI:10.7498/aps.66.084204
*Pro ject supported by the National Natural Science Foundation of China(G rant Nos.61605183,11474257).
?Corresponding author.E-Mail:jingfeng09@sina.cn
2.5 kW average pow er,tw o-channel spectral-beam-coMb ined ou tpu t based on transMitting voluMe B ragg grating?
Zhou Tai-Dou Liang Xiao-Bao LiChao Huang Zhi-Hua Feng Jian-Sheng Zhao Lei Wang Jian-Jun Jing Feng?
(Research Center of Laser Fusion,China AcadeMy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)
Spectral beaMcombination based on voluMe Bragg gratings is an eff ective app roach to obtaining high power laser output.In spectral beaMcombining system,spectral channel spacing w ill aff ect the number of non-combined sub-beaMs and the overall combined output power due to the finite available gain bandw idth.Based on coup led wave theory,a two-channel high power spectral beaMcombiningModel is p roposed.By appropriately relaxing the requireMents for the spectral channel spacing and line-w id th of sub-beaMs,the higher combined output power can be obtained but the spectral density does not significantly decrease.In this work,a 2-channel spectral beaMcombining systeMis demonstrated to present a 2.5 kW combined power w ith combining effi ciency>85%by eMp loying a transMitting voluMe Bragg grating.The combining systeMhas a high spectral density of 0.51 kW/nMw ith 5 nMspectral spacing between channels.The output can keep a good beaMquality when the combined power is less than 1 kW,while the significant degradation of combined beaMquality occurs when output power is 1.5 kW and is restricted Mainly by the dispersion properties and thermal eff ects of volume Bragg gratings.During this 2-channel beaMcombining process,no special active cooling measure is used.Interactions between laser radiation and the grating are verified.Thermal absorption of high power laser radiation in the grating w ill cause the teMperature to reMarkably increase,resulting in the therMal expansion of the grating period,which leads to the degradations of diff raction effi ciency and the spectral selectivity.Research is also focused on the surface distortion,and the results indicate that the therMal-induced wave-front aberrations of the noncombined sub-beaMs lead to the deterioration of beaMquality.TransMitted and diff racted beaMs experience wave-front aberrations to diff erent degrees,leading to distinct beaMdeterioration.
spectral beaMcombining,volume Bragg gratings,fiber lasers,beaMquality
10.7498/aps.66.084204
?國家自然科學基金(批準號:61605183,11474257)資助的課題.
?通信作者.E-Mail:jingfeng09@sina.cn
?2017中國物理學會C h inese P hysica l Society
http://w u lixb.iphy.ac.cn