超快光纤激光技术：用于相干合成的合束-分束集成器件

2020-09-20 09:41

通过将多个超快光纤激光进行相干合成，可以克服单根光纤的功率限制。在这种相干合成装置中，一般采用偏振分束器（PBS）用于合束（如图1（a）所示），不过这种装置复杂度较高，而且随着合成通道数的增多，占用体积也会越来越大。德国耶拿课题组提出了分段反射率分束器（SMS）的合成办法，如图1（b）（c）所示。

图1 （a）级联合束系统示意图（b） SMS装置示意图，数值为分束面的反射系数，在输入波束阵列功率均匀的情况下，可以实现振幅完全匹配。（c）整体SMS，即所有镀膜都沉积在单个元件上（d）将组合扩展为二维阵列，每个SMS镀膜分布一致

SMS可以仅用一个或两个光学元件制造。对于多个超快激光光束的合成，采用双单元空气间隔设计可使非线性效应和色散效应最小化，同时该装置还可以拓展到二维合束，如图1（d）所示。为了实现合束过程中完美的振幅匹配，必须在每个分束或合束节点使用特殊的镀膜部分。但是对于每一束光，需要一个特定镀膜的反射区，装置还是较为复杂。由于相干合成中振幅误差的影响相对于相位误差的影响较小，耶拿课题组提出了一种可以共用镀膜的简化设计。

图2 三种简化SMS设计

如图2所示，本文介绍了SMS的三种简化设计策略。在每一种简化设计中，第一束输入光束通过全透镀膜部分，而其余的N－1束入射光将入射到反射系数由优化算法确定的1个、2个或者3个镀膜截面上。在假定完美相位匹配的情况下，以整体合成效率为目标优化函数，采用数值方法求解简化的SMS设计参数。

图3展示了三种设计在单个SMS中组合多达40个波束的理论合成效率。这些模拟假设了理想的HR和AR表面（实际情况可以通过调整参数来进行模拟）。随着镀膜数增多，优化的镀膜截面可以更接近理想的振幅匹配情况，因此可以实现更高的合成效率，但是镀膜数的边际收益会迅速减少。使用两个相同的简化的SMS可以实现二维光束的合束。

图3 优化后三种模拟SMS设计的组合效率（上）理想条件下的理论合成效率；（下） 99．8％反射率表面时合成效率

在对各镀膜反射率进行优化的同时，也可以对入射到各个图层的光束数量进行优化，但是这对总体合成效率影响并不大。作者还研究了反射系数的误差对合成效率的影响。如图4所示，当反射率的误差在2％以内时，与理想情况相比，25束光束的合成效率仅低2％左右，完全可以接受。以上模拟中均没有考虑其他效应对合成效率的影响。

图4 单镀膜SMS设计中镀膜反射率误差的影响示意图

文章还讨论了简化的SMS在分束器方面的潜力。SMS用作分束器时优化的镀膜设计与合束器时的设计思路是相同的，但是也要考虑一些额外效应。SMS光学分束的均匀性在光纤CPA放大器系统中非常重要，一些光学过程将受到每个纤芯中绝对能量的影响，进而反过来影响放大光束的均匀性和合成效率。因而SMS作为分束器输出的最小和最大光束功率的比值是其作为分束器使用的一个重要参考。

对于5－25束分光的情况，三镀膜SMS的分光情况如图5所示。在超快光纤CPA放大系统中，由于种子光分布的不均匀，在放大过程中会导致积累的非线性相位（B积分）不同，且在光纤中，这种变化由于光纤纤芯的高峰值功率和较长的路径长度而增强。因此，用简化的SMS来分束产生非均匀光束分裂的影响，在很大程度上依赖于光纤系统的参数。

图5三镀膜简化设计用作分束器的性能示意图：（a） 5－25束分束时，三镀膜SMS的最小输出功率与最大输出功率之比；（b）用作分束器的10束三镀膜SMS输出光束功率的直方图

总之，本文提出了用于相干合成分束与合束的简化设计的SMS数值分析。由于相干合成过程中振幅失配的影响相对较弱，因此可以通过减少镀膜的数量来实现有效的光束合成，从而大大简化了这些光学器件的制造过程。

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参考文献：

［1］ Aleshire， Christopher， et al．＂Simplified design of optical elements for filled－aperture coherent beam combination．＂ Optics Express 28．14 （2020）： 21035－21045．