1 引言
高功率、高光束質(zhì)量一直是固態(tài)激光器追求的目標(biāo)，隨著高端工業(yè)應(yīng)用、特別是潛在的軍事應(yīng)用等需求的牽引，高功率、高光束質(zhì)量的全固態(tài)激光器技術(shù)發(fā)展方興未艾。光纖激光器具備轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、熱管理簡(jiǎn)單、使用靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為高功率全固態(tài)激光器技術(shù)研究的熱點(diǎn)。光纖激光器由于熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)、光纖損傷、泵浦耦合、模場(chǎng)直徑等因素的限制，單纖單模的激光輸出被限制在了萬(wàn)瓦量級(jí)，若要獲得更高功率水平，則需要采用多單元光束合束方式實(shí)現(xiàn)，目前發(fā)展較快的主要有相干合束( coherently combining) 和光譜合束( SBC spectral beam combining)。相干合束理論上可以無(wú)限合成功率，但由于單元光束空間分離( 填充因子) 的緣故，光束質(zhì)量無(wú)法達(dá)到衍射極限，且對(duì)單元光束的相位穩(wěn)定度和控制精度要求極高，工程上實(shí)現(xiàn)難度較大； 光譜合束一般只能在增益介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)有限合成功率，但設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)單元光束穩(wěn)定性和控制要求較低，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)衍射極限的光束質(zhì)量，目前是光纖激光器實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量激光輸出的較好選擇。
2 光譜合束技術(shù)的原理
目前，光譜合束技術(shù)主要基于兩類色散元件，一種是體布拉格光柵( volume Bragg grating，VBG) ，一種是多層介質(zhì)膜光柵( multilayer dielectric grating，MLDG) 。
體布拉格光柵合束的基本原理如圖1所示。
當(dāng)一束平面波入射至一塊非傾斜( 光柵向量平行于光柵表面的法線方向) 的反射式體布拉格光柵上時(shí)，衍射效率可以由下式計(jì)算出來：
其中，λ0為光柵的中心波長(zhǎng)，t 是光柵的厚度； nav是光柵介質(zhì)的折射率平均值，光柵介質(zhì)的折射率按正弦函數(shù)周期性變化； δn 是折射率調(diào)制的振幅； f 是光柵的空間頻率； Δλ 表示入射平面波與λ0的波長(zhǎng)差。當(dāng)平面波波長(zhǎng)和入射至光柵的角度滿足波長(zhǎng)λ0對(duì)應(yīng)的布拉格條件，即Δλ = 0 時(shí)，獲得了最大的衍射效率η0，表示為：
對(duì)于體布拉格光柵而言，當(dāng)入射光波長(zhǎng)和角度滿足布拉格條件時(shí)，衍射效率獲得最大值，近似于1； 而對(duì)于其他偏離布拉格條件的波長(zhǎng)而言，衍射效率近似為0。所以，如圖1 所示，當(dāng)兩束具有一定波長(zhǎng)差的光束以共軛的角度入射至光柵并在光柵上發(fā)生光斑重疊時(shí)，如果其中一束光λ1滿足布拉格條件而另一束光λ2在光柵上的衍射效率為0，那么波長(zhǎng)λ1的光束以最大衍射效率發(fā)生衍射，而波長(zhǎng)λ2的光束透射經(jīng)過光柵。這樣，波長(zhǎng)λ1和λ2的兩束光經(jīng)過光柵作用后同軸輸出，即實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)不同的兩束光的同光路合束。以此類推，當(dāng)存在N個(gè)中心波長(zhǎng)不同的體布拉格光柵時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)N + 1路不同波長(zhǎng)光束的光譜合束。
多層介質(zhì)膜光柵是一種平面光柵，其合束原理如圖2 所示。
式(3) 為平面衍射光柵的光柵方程：
其中，d 為光柵的縫距； θ1和θ2分別為光束的入射角度和衍射角度；m為衍射級(jí)次； λ為波長(zhǎng)。由此可算出不同波長(zhǎng)光束以同一衍射角度出射時(shí)對(duì)應(yīng)的不同入射角度。
由于多層介質(zhì)膜光柵的衍射主峰有一定的寬度，所以與衍射峰中心波長(zhǎng)相差不大的其他波長(zhǎng)，也可以在多層介質(zhì)膜光柵上獲得很高的衍射效率。這樣，有一定波長(zhǎng)差的多路光束，以不同的特定角度入射至多層介質(zhì)膜光柵上的同一點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)多路光束的同方向輸出，也就完成了多路光束的光譜合束。
3 光纖激光器光譜合束需要面對(duì)的主要技術(shù)問題
3.1 高功率窄線寬光纖激光器技術(shù)
為了獲得更高的合束功率，同時(shí)保持合束路數(shù)最少使系統(tǒng)盡可能簡(jiǎn)單，則要求單元光束有盡可能高的功率水平。光譜合束是利用光柵元件的衍射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，為了避免色散、影響合束效率和光束質(zhì)量，對(duì)單元光束的單色性要求較高。同時(shí)，為了充分利用光柵的帶寬和光譜分辨率，以實(shí)現(xiàn)更多路數(shù)的激光合束，需要產(chǎn)生不同中心波長(zhǎng)的多路光束匹配光柵的入射條件，因此需要考慮單元光束的中心波長(zhǎng)控制問題。
對(duì)單元光纖激光器來說，由于非線性效應(yīng)和模式不穩(wěn)定性等的影響，獲得高功率和保持窄線寬往往作為矛盾的對(duì)立面很難同時(shí)滿足，因此需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的折中。目前，常用的高功率窄線寬光纖激光器的實(shí)現(xiàn)方式主要有窄線寬光纖光柵技術(shù)和單頻的相位調(diào)制技術(shù)等。光纖光柵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高功率窄線寬光纖激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但邊頻成分難以較好的抑制，精確控制光譜難度大，一定程度上會(huì)影響合束效率； 單頻的相位調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高功率窄線寬光纖激光器光譜精確可控，但系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。二者都可通過控制種子波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)單元光束的中心波長(zhǎng)控制。
3.2 高效率高抗損傷的光柵合束元件
光柵合束元件發(fā)揮著將多路單元光束高質(zhì)量合束的關(guān)鍵性作用，承載著最終的總功率水平，因此合束效率和損傷閾值是衡量光柵合束元件的兩個(gè)核心性能指標(biāo)。
如前所述，目前廣泛采用的光柵合束元件主要有體布拉格光柵和多層介質(zhì)膜光柵兩種。圖3是典型的反射式體布拉格光柵的多路合束示意圖。滿足光柵G1布拉格條件的光束λ2和具有一定波長(zhǎng)差的光束λ1經(jīng)光柵G1合為一束，前者經(jīng)光柵衍射而后者透射經(jīng)過光柵。出射后的光束λ1 +λ2與光束λ3再經(jīng)光柵G2合為一束，其中，波長(zhǎng)λ3滿足光柵G2的布拉格條件。由此，便實(shí)現(xiàn)了三路不同波長(zhǎng)光束的合束。以此類推，通過增加光柵數(shù)量，采用此類結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)更多路光束的光譜合束。
圖4 是典型的多層介質(zhì)膜光柵的多路合束示意圖。在光柵方程式(3) 中，衍射級(jí)次m 一般取1，根據(jù)其計(jì)算結(jié)果，不同波長(zhǎng)的三路激光以特定的不同角度入射至多層介質(zhì)膜光柵G上，三路激光的衍射角度相同，即實(shí)現(xiàn)了三路不同波長(zhǎng)光束的合束。在此基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步增加合束的路數(shù)，只需保證各路光束的波長(zhǎng)均處于光柵衍射頂峰的光譜帶寬范圍內(nèi)。
4 光纖激光器光譜合束技術(shù)發(fā)展概況
光譜合束技術(shù)類似于光纖通信中的波分復(fù)用( wavelength division multiplexing，WDM) 技術(shù)，最早來源于多個(gè)激光二極管單元激光合束。美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室( MIT Lincoln Laboratory) 和美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室較早地研究了光纖激光器光譜合束的技術(shù)，以獲得更高的激光功率和亮度。
從2003 年開始，以中佛羅里達(dá)大學(xué)和OptiGrate公司為主報(bào)道了一系列采用在PTＲ( photo － thermo－ refractive) 玻璃中制作的體布拉格光柵作為合束元件開展光纖激光器的光譜合束的研究工作。2009年，中佛羅里達(dá)大學(xué)采用此種光柵將5 路光纖激光器進(jìn)行光譜合束，如圖5 所示，輸出功率達(dá)到了773 W，光束質(zhì)量為M 2 = 1.14 的近衍射極限。
2007 年，美國(guó)Aculight公司報(bào)道了將3 路光纖激光器經(jīng)過多層介質(zhì)膜光柵進(jìn)行光譜合束的研究成果，如圖6 所示，總功率達(dá)到了522 W，兩個(gè)方向的光束質(zhì)量分別為M 2 = 1.18 和1.22。以此為基礎(chǔ)，Aculight 公司持續(xù)開展光纖激光器光譜合束技術(shù)的研究，其并入Lockheed·Martin 公司后于2014年報(bào)道了30 kW 光譜合束的光纖激光器試驗(yàn)樣機(jī)，并預(yù)計(jì)于2016 年將功率提升到60 kW。
德國(guó)以Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering和Friedrich Schiller University為主聯(lián)合開展了光纖激光器光譜合束技術(shù)的研究，于2006 ～ 2007 年報(bào)道了總功率超過100 W 的光纖激光器光譜合束的研究成果。2011年，該研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了將4 路2.1 kW 的光纖激光器利用介質(zhì)膜光柵進(jìn)行光譜合束，如圖7 所示，最大功率達(dá)到了8.2 kW，光束質(zhì)量在2.3 kW 時(shí)M 2 ＜ 1.5、在7.3 kW 時(shí)M 2約為4.3，這是當(dāng)時(shí)報(bào)道的光纖激光器光譜合束的最高功率水平。
國(guó)內(nèi)開展光纖激光器光譜合束相關(guān)技術(shù)研究的主要有中物院、國(guó)防科大、上海光機(jī)所和中國(guó)電科11所等單位，有關(guān)的進(jìn)展信息報(bào)道較少。公開報(bào)道的信息中，中物院于2014 年采用5路千瓦級(jí)的光纖激光器通過多層介質(zhì)膜光柵光譜合束，實(shí)驗(yàn)裝置如圖8 所示，獲得了5.07 kW 的合束功率，光束質(zhì)量M2 小于3，合束效率達(dá)到91.2%，這也是目前國(guó)內(nèi)的最高水平。
5 結(jié)論
光譜合束技術(shù)屬于一種非相干合束技術(shù)，通過降低譜亮度換取總功率的有效提升。光纖激光器的光譜合束可以充分利用光纖激光器較寬增益帶寬，彌補(bǔ)單纖輸出功率受限的問題，獲得高功率高光束質(zhì)量的激光輸出，是未來高功率光纖激光器重要的技術(shù)路徑，極具發(fā)展前景。
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