德国耶拿大学研究人员提出10kW相干组合超快光纤激光系统
发布时间：2021-12-15 来源：许敏兴 乔荧霖 阅读次数：965 分享到：
工业规模的精密材料加工需要高功率超快激光器，例如，太阳能电池和锂电池生产。光纤激光器由于其可重复性和简单的设置而非常适合相干光束组合。迄今，研究人员提出了光纤放大器相干光束组合的许多技术。在此，Michael Müller等人提出了一种基于12阶折射率光纤放大器相干组合的平均输出功率为10.4 kW的超快激光器。该系统以80 MHz的重复频率发射接近变换极限的254 fs脉冲，在1 Hz-1 MHz的频率范围内具有高光束质量（M2≤1.2）和0.56%的低相对强度噪声。进而，研究人员给出了系统输出参数的分析并讨论了技术限制及进一步的功率升级潜力。该工作发表在Optics Letters上。
工业规模的精密材料加工需要高功率超快激光器，例如太阳能电池和锂电池生产。最先进的激光器是掺镱的薄盘、板条和光纤啁啾脉冲放大器，在基模运转中提供1 kW级的平均功率。尽管如此，热负载还是通过薄盘和板条激光器中的热透镜或光纤激光器中的横模不稳定性限制了可实现的平均功率。同样，非线性折射和拉曼散射对可达到的峰值功率设定了限制。
干涉测量装置中几个放大器的相干光束组合能够超越这些限制。在典型的方案中，N个放大器由一个公共源提供种子且它们的输出光束被相长干涉，理想情况下会产生单个输出光束，其亮度高达单个放大器通道的N倍。在实践中，放大器的空间和时间输出特性的偏差将导致损耗，它由组合效率量化，定义为组合功率与所有单个放大器输出功率之和的比率。与单个放大器相比，相干组束允许按数量级提升功率，因为无源组合元件支持比激光有源介质更高的峰值和平均功率，付出的代价是需要相位稳定以维持相长干涉。
光纤激光器由于其可重复性和简单的设置而非常适合相干光束组合。迄今，研究人员提出了光纤放大器相干光束组合的许多技术，例如基于衍射的平铺孔径组合和使用衍射光学元件的填充孔径组合、介质偏振和强度分束器。对于高斯光束，填充孔径组合更有效，因此，在理论最大效率为100%和68%时优于平铺孔径组合。在填充孔径方案中，强度分束器具有一些实际优势，例如与偏振分束器相比涂层吸收更低、成本比衍射光学元件更低、损坏时易于更换，导致实现了3.5 kW平均功率超快激光器。
实验装置示意图，如图1所示。种子源是一个超快光纤振荡器，以80 MHz的重复频率发射脉冲。种子脉冲在一组啁啾光纤布拉格光栅中被拉伸至5 ns全宽，用于以1046 nm为中心的14 nm光谱硬切割。该部分嵌入了双芯泵浦前置放大器，以补偿光栅传输损耗。插入光谱幅度和相位整形器以补偿后面放大阶段的增益整形和非线性相位累积，从而提高输出脉冲质量。另外两个纤芯泵浦前置放大器在这个保偏全光纤前端的末端将种子功率从几毫瓦提高到1瓦。
干涉叠加容易受到气流和机械振动的影响，因此，需要主动稳定。这里使用了通过单检测器电子频率标记锁定光学相干性。在该技术中，通过压电驱动反射镜施加不同频率的小正弦相位抖动。这会导致小输出强度抖动，使用光电二极管 (PD1）。使用初始正弦波对光电二极管信号进行解调会产生不对称的误差信号，在各个通道的干涉极值处具有零交叉。误差信号用于通过压电驱动镜在相长干涉下实现系统的闭环稳定。选择抖动频率从6.5 kHz开始，间隔1.5 kHz-21.5 kHz，以在抖动频率高于典型相位的要求之间取得平衡扰动频率，低于控制电子设备的限制并尽可能分开以获得最大的稳定带宽和最小的串扰。种子自由空间耦合到5 m长的非保偏掺镱阶跃折射率光纤中，该光纤具有20 ?m纤芯和400 ?m包层直径（数值孔径为0.45）。光纤盘绕至12 cm直径以抑制高阶模式，配备平面平行的抗反射涂层端盖并安装在水冷外壳中以实现强大的高功率操作。通过四分之一波片和半波片进行静态偏振控制可实现稳定的线性输出偏振。放大器在976 nm处以250 W反向泵浦，为主放大器级产生150 W种子功率。到目前为止，所有放大器都是光隔离的。再次在自由空间中，种子光束被分成12个功率相等的通道，树型配置的强度分束器具有50%和66%的反射率。在所有通道中，一组四分之一波片和半波片用于偏振控制，除了一个参考通道外，压电驱动镜 (PA) 用于相位稳定。光束耦合到12个主放大器，技术上与之前的前置放大器相同，除了有源光纤11.00±0.02 m，泵浦功率高达每通道1.6 kW，由光纤耦合非波长传输-稳定二极管。在放大器之后的自由空间中，两个电动反射镜（MM）和一个电动平移台（MTS）用于将光束引导到第二个分束器树中。电动组件是远程控制的，用于安全调整输出光束的时空重叠。组合光束从最后一个分束器的预定义端口发出。所有干涉损耗都来自组合级中剩余的11个开放分束器端口并终止于水冷转储。从光束组合阶段开始的所有光机械组件均采用水冷方式，以最大限度地减少由于包层和杂散光吸收而导致的对准热漂移。在光束组合阶段结束时，光束直径从3.3 mm直径增加到6.5 mm使用镜面望远镜。最后，光束通过基于最大长度为276毫米和每毫米1740条线的介电光栅传输效率为80%的双通Treacy型压缩器（八倍衍射）。从光栅射出的衍射损失和去偏振光在水冷转储上终止。在压缩器之后，分析转向镜的泄漏并将高功率光束发送到热功率计上。
此外，基于未对准时发生的第零光谱和空间干涉条纹的相位检测，研究人员实现了群延迟和指向误差的自动最小化。这里在组合光束的偏心光谱和空间切片中的通过单检测器电子频率标记检测产生误差信号，告诉闭环锁相期间的相应对准误差。将一半光谱传输到光电二极管的短通滤波器形成群延迟检测器。象限光电二极管的水平和垂直连接扇区构成指向失配检测器。误差信号解调是在微控制器上实现的。它使用原始通过单检测器电子频率标记相位抖动和光电二极管信号计算11个抖动通道相对于整体的延迟、水平和垂直指向误差。校准误差信号被发送到计算机，该计算机控制电动镜安装座和线性平移台。在误差信号读取和力学调整的迭代过程中，所有通道的空间和时间对齐都会收敛到参考通道，在几分钟内达到最大的合并效率。
在组合实验之前，所有主放大器都在相等的驱动电流下进行了测试，泵浦功率高达1.6 kW，在压缩器后平均产生896±50 W 的输出功率。功率的6%标准偏差是由于泵浦二极管效率和放大器偏振纯度的变化造成的。由于幅度和非线性相位失配导致的组合损耗将小于1%。
对于初始光束组合，研究人员依次打开每个放大器，从参考通道开始并依次添加相邻通道。这是必需的，因为光纤从无源运行到全功率运行的热化会产生数百微米的相对光路长度漂移，由出现的光谱干涉条纹测量。这种漂移超出了压电执行器 (40 ?m) 和实现的群延迟检测 (200 ?m) 的动态范围。因此，11 个稳定通道需要在大约5分钟预热时间后进行一次手动延迟调整。然后，使用自动对准机制来优化相对于已经激活的通道的干涉重叠。对所有通道重复此过程，测量输出功率，如图2所示。最终，压缩后输出功率达到10.4 kW，组合效率为96%。在此运转点，激光系统的效率为20%。一旦在热化系统中设置了路径长度，就可以通过同时打开所有通道来重新启动。然后，在一个5分钟的热化时间后，光路长度稳定到足够接近它们的最后位置，这样自动群延迟检测可以恢复最佳。热化系统在超过30分钟没有相位重新锁定的情况下工作，因为路径长度漂移保持在大约每分钟3 ?m的峰谷值，这小于压电范围。
在图4中，显示了全功率运转的光谱。单个放大器几乎不显示1080 nm处受激拉曼散射的开始，表明非线性度较低。根据模拟确定，主放大器的B积分约为5弧度。低于1057 nm的放大自发辐射源自最后一个前置放大器，因为与较长波长的分量不同，它在组合时不会衰减。1057 nm本身的边缘是由于放大器单元中的二向色性。压缩后，脉冲的光谱形状发生变化，因为可用的介电光栅针对1035 nm进行了优化，导致整体衍射效率降低，光谱长波部分的损耗更高。
脉冲持续时间使用非共线强度自相关来表征，如图5所示。对于组合束，测量的半最大全宽脉冲持续时间为254 fs，根据光谱形状确定的解卷积因子为 1.33。测得的脉冲持续时间非常接近248 fs的变换极限（根据图 计算）。为了实现这一结果，研究人员在全功率单个放大器通道的组合实验之前优化了压缩。首先，对矩形展宽脉冲进行整形以最小化非线性。为此，5-dB的峰值频谱幅度抑制就足够了，因为全光纤前端的短波增益和功率放大器的长波增益在很大程度上相互补偿。然后，研究人员使用多光子干涉相位扫描优化光谱相位。
接下来，研究人员测量功率稳定性，如图6所示。使用放大光电二极管、1 MHz低通滤波器和示波器在DC 50Ω终端中获取输出强度的时间序列。傅立叶分析返回功率谱密度（PSD，上图），积分后产生相对强度噪声（RIN，下图）。单通道和全功率组合束的相对强度噪声非常低，在1 Hz-1 MHz的频率跨度中分别为0.08% 和0.56%。组合光束噪声有两个几乎相等的贡献。首先，通过单检测器电子频率标记抖动峰值及其谐波在6.5-50 kHz之间，其次，低于1 kHz的低频贡献。通过单检测器电子频率标记抖动是不可避免的，但它的贡献可以通过转移到更高的抖动频率来减少，从而允许更小的抖动幅度。低频贡献是系统相位噪声的剩余部分。它与冷却水流和放大器输出功率有关，因为它在低功率运行和没有水冷却的情况下会降低，但其起源于系统的组件有待确定。
进一步的功率提升最终将受到光学组件中的热透镜效应的限制。图7中显示的热成像显示最终分束器仅加热了3 K。考虑到在当前光束直径下分束器仍然可以容忍30 K的温度梯度，平均功率可以是如果有更多的放大器通道，则扩展到100 kW级别。同时，研究人员观察到转向镜加热了8 K，尽管这仍然不重要，但这是由于实验室环境中的表面污染造成的。因此，未来将需要密封外壳中的洁净室组件。在压缩器中，没有观察到与功率相关的光束质量下降，这表明进一步的可扩展性。然后，与当前系统相比，整个绕射损失将不得不转移到压缩机室外，以避免内部对流。
总之，研究人员提出了一种基于相干光束组合的掺镱阶跃折射率光纤放大器的超快激光系统。该系统以96%的高组合效率提供10.4 kW的平均功率，具有出色的光束质量（M2≤1.2）和持续时间为254 fs的超短脉冲。在1 Hz-1 MHz的频率范围内，电源噪声低至0.56%相对强度噪声。该系统具有自动对齐功能，从而方便地实现并保持较高的组合效率。在最终分束器上发现的微弱温度梯度允许将该技术的平均功率扩展到100 kW水平。该系统可以作为超快材料加工的研究系统。它证明了高功率光束组合系统在未来应用中的可行性，例如在粒子加速中。
研究人员简介
Jens Limpert，德国耶拿大学应用物理研究所教授，研究方向为：近红外、可见光谱范围内的脉冲和连续波高功率光纤激光器、高强度激光器（光纤和波导激光器）以及非线性光学。
Michael Müller，德国耶拿大学应用物理研究所博士，研究方向为：高功率光纤激光器。
E-mail: michael.mm.mueller@uni-jena.de
工业规模的精密材料加工需要高功率超快激光器，例如太阳能电池和锂电池生产。最先进的激光器是掺镱的薄盘、板条和光纤啁啾脉冲放大器，在基模运转中提供1 kW级的平均功率。尽管如此，热负载还是通过薄盘和板条激光器中的热透镜或光纤激光器中的横模不稳定性限制了可实现的平均功率。同样，非线性折射和拉曼散射对可达到的峰值功率设定了限制。
干涉测量装置中几个放大器的相干光束组合能够超越这些限制。在典型的方案中，N个放大器由一个公共源提供种子且它们的输出光束被相长干涉，理想情况下会产生单个输出光束，其亮度高达单个放大器通道的N倍。在实践中，放大器的空间和时间输出特性的偏差将导致损耗，它由组合效率量化，定义为组合功率与所有单个放大器输出功率之和的比率。与单个放大器相比，相干组束允许按数量级提升功率，因为无源组合元件支持比激光有源介质更高的峰值和平均功率，付出的代价是需要相位稳定以维持相长干涉。
光纤激光器由于其可重复性和简单的设置而非常适合相干光束组合。迄今，研究人员提出了光纤放大器相干光束组合的许多技术，例如基于衍射的平铺孔径组合和使用衍射光学元件的填充孔径组合、介质偏振和强度分束器。对于高斯光束，填充孔径组合更有效，因此，在理论最大效率为100%和68%时优于平铺孔径组合。在填充孔径方案中，强度分束器具有一些实际优势，例如与偏振分束器相比涂层吸收更低、成本比衍射光学元件更低、损坏时易于更换，导致实现了3.5 kW平均功率超快激光器。
实验装置示意图，如图1所示。种子源是一个超快光纤振荡器，以80 MHz的重复频率发射脉冲。种子脉冲在一组啁啾光纤布拉格光栅中被拉伸至5 ns全宽，用于以1046 nm为中心的14 nm光谱硬切割。该部分嵌入了双芯泵浦前置放大器，以补偿光栅传输损耗。插入光谱幅度和相位整形器以补偿后面放大阶段的增益整形和非线性相位累积，从而提高输出脉冲质量。另外两个纤芯泵浦前置放大器在这个保偏全光纤前端的末端将种子功率从几毫瓦提高到1瓦。
干涉叠加容易受到气流和机械振动的影响，因此，需要主动稳定。这里使用了通过单检测器电子频率标记锁定光学相干性。在该技术中，通过压电驱动反射镜施加不同频率的小正弦相位抖动。这会导致小输出强度抖动，使用光电二极管 (PD1）。使用初始正弦波对光电二极管信号进行解调会产生不对称的误差信号，在各个通道的干涉极值处具有零交叉。误差信号用于通过压电驱动镜在相长干涉下实现系统的闭环稳定。选择抖动频率从6.5 kHz开始，间隔1.5 kHz-21.5 kHz，以在抖动频率高于典型相位的要求之间取得平衡扰动频率，低于控制电子设备的限制并尽可能分开以获得最大的稳定带宽和最小的串扰。种子自由空间耦合到5 m长的非保偏掺镱阶跃折射率光纤中，该光纤具有20 ?m纤芯和400 ?m包层直径（数值孔径为0.45）。光纤盘绕至12 cm直径以抑制高阶模式，配备平面平行的抗反射涂层端盖并安装在水冷外壳中以实现强大的高功率操作。通过四分之一波片和半波片进行静态偏振控制可实现稳定的线性输出偏振。放大器在976 nm处以250 W反向泵浦，为主放大器级产生150 W种子功率。到目前为止，所有放大器都是光隔离的。再次在自由空间中，种子光束被分成12个功率相等的通道，树型配置的强度分束器具有50%和66%的反射率。在所有通道中，一组四分之一波片和半波片用于偏振控制，除了一个参考通道外，压电驱动镜 (PA) 用于相位稳定。光束耦合到12个主放大器，技术上与之前的前置放大器相同，除了有源光纤11.00±0.02 m，泵浦功率高达每通道1.6 kW，由光纤耦合非波长传输-稳定二极管。在放大器之后的自由空间中，两个电动反射镜（MM）和一个电动平移台（MTS）用于将光束引导到第二个分束器树中。电动组件是远程控制的，用于安全调整输出光束的时空重叠。组合光束从最后一个分束器的预定义端口发出。所有干涉损耗都来自组合级中剩余的11个开放分束器端口并终止于水冷转储。从光束组合阶段开始的所有光机械组件均采用水冷方式，以最大限度地减少由于包层和杂散光吸收而导致的对准热漂移。在光束组合阶段结束时，光束直径从3.3 mm直径增加到6.5 mm使用镜面望远镜。最后，光束通过基于最大长度为276毫米和每毫米1740条线的介电光栅传输效率为80%的双通Treacy型压缩器（八倍衍射）。从光栅射出的衍射损失和去偏振光在水冷转储上终止。在压缩器之后，分析转向镜的泄漏并将高功率光束发送到热功率计上。
此外，基于未对准时发生的第零光谱和空间干涉条纹的相位检测，研究人员实现了群延迟和指向误差的自动最小化。这里在组合光束的偏心光谱和空间切片中的通过单检测器电子频率标记检测产生误差信号，告诉闭环锁相期间的相应对准误差。将一半光谱传输到光电二极管的短通滤波器形成群延迟检测器。象限光电二极管的水平和垂直连接扇区构成指向失配检测器。误差信号解调是在微控制器上实现的。它使用原始通过单检测器电子频率标记相位抖动和光电二极管信号计算11个抖动通道相对于整体的延迟、水平和垂直指向误差。校准误差信号被发送到计算机，该计算机控制电动镜安装座和线性平移台。在误差信号读取和力学调整的迭代过程中，所有通道的空间和时间对齐都会收敛到参考通道，在几分钟内达到最大的合并效率。
在组合实验之前，所有主放大器都在相等的驱动电流下进行了测试，泵浦功率高达1.6 kW，在压缩器后平均产生896±50 W 的输出功率。功率的6%标准偏差是由于泵浦二极管效率和放大器偏振纯度的变化造成的。由于幅度和非线性相位失配导致的组合损耗将小于1%。
对于初始光束组合，研究人员依次打开每个放大器，从参考通道开始并依次添加相邻通道。这是必需的，因为光纤从无源运行到全功率运行的热化会产生数百微米的相对光路长度漂移，由出现的光谱干涉条纹测量。这种漂移超出了压电执行器 (40 ?m) 和实现的群延迟检测 (200 ?m) 的动态范围。因此，11 个稳定通道需要在大约5分钟预热时间后进行一次手动延迟调整。然后，使用自动对准机制来优化相对于已经激活的通道的干涉重叠。对所有通道重复此过程，测量输出功率，如图2所示。最终，压缩后输出功率达到10.4 kW，组合效率为96%。在此运转点，激光系统的效率为20%。一旦在热化系统中设置了路径长度，就可以通过同时打开所有通道来重新启动。然后，在一个5分钟的热化时间后，光路长度稳定到足够接近它们的最后位置，这样自动群延迟检测可以恢复最佳。热化系统在超过30分钟没有相位重新锁定的情况下工作，因为路径长度漂移保持在大约每分钟3 ?m的峰谷值，这小于压电范围。
在图4中，显示了全功率运转的光谱。单个放大器几乎不显示1080 nm处受激拉曼散射的开始，表明非线性度较低。根据模拟确定，主放大器的B积分约为5弧度。低于1057 nm的放大自发辐射源自最后一个前置放大器，因为与较长波长的分量不同，它在组合时不会衰减。1057 nm本身的边缘是由于放大器单元中的二向色性。压缩后，脉冲的光谱形状发生变化，因为可用的介电光栅针对1035 nm进行了优化，导致整体衍射效率降低，光谱长波部分的损耗更高。
脉冲持续时间使用非共线强度自相关来表征，如图5所示。对于组合束，测量的半最大全宽脉冲持续时间为254 fs，根据光谱形状确定的解卷积因子为 1.33。测得的脉冲持续时间非常接近248 fs的变换极限（根据图 计算）。为了实现这一结果，研究人员在全功率单个放大器通道的组合实验之前优化了压缩。首先，对矩形展宽脉冲进行整形以最小化非线性。为此，5-dB的峰值频谱幅度抑制就足够了，因为全光纤前端的短波增益和功率放大器的长波增益在很大程度上相互补偿。然后，研究人员使用多光子干涉相位扫描优化光谱相位。
接下来，研究人员测量功率稳定性，如图6所示。使用放大光电二极管、1 MHz低通滤波器和示波器在DC 50Ω终端中获取输出强度的时间序列。傅立叶分析返回功率谱密度（PSD，上图），积分后产生相对强度噪声（RIN，下图）。单通道和全功率组合束的相对强度噪声非常低，在1 Hz-1 MHz的频率跨度中分别为0.08% 和0.56%。组合光束噪声有两个几乎相等的贡献。首先，通过单检测器电子频率标记抖动峰值及其谐波在6.5-50 kHz之间，其次，低于1 kHz的低频贡献。通过单检测器电子频率标记抖动是不可避免的，但它的贡献可以通过转移到更高的抖动频率来减少，从而允许更小的抖动幅度。低频贡献是系统相位噪声的剩余部分。它与冷却水流和放大器输出功率有关，因为它在低功率运行和没有水冷却的情况下会降低，但其起源于系统的组件有待确定。
进一步的功率提升最终将受到光学组件中的热透镜效应的限制。图7中显示的热成像显示最终分束器仅加热了3 K。考虑到在当前光束直径下分束器仍然可以容忍30 K的温度梯度，平均功率可以是如果有更多的放大器通道，则扩展到100 kW级别。同时，研究人员观察到转向镜加热了8 K，尽管这仍然不重要，但这是由于实验室环境中的表面污染造成的。因此，未来将需要密封外壳中的洁净室组件。在压缩器中，没有观察到与功率相关的光束质量下降，这表明进一步的可扩展性。然后，与当前系统相比，整个绕射损失将不得不转移到压缩机室外，以避免内部对流。
总之，研究人员提出了一种基于相干光束组合的掺镱阶跃折射率光纤放大器的超快激光系统。该系统以96%的高组合效率提供10.4 kW的平均功率，具有出色的光束质量（M2≤1.2）和持续时间为254 fs的超短脉冲。在1 Hz-1 MHz的频率范围内，电源噪声低至0.56%相对强度噪声。该系统具有自动对齐功能，从而方便地实现并保持较高的组合效率。在最终分束器上发现的微弱温度梯度允许将该技术的平均功率扩展到100 kW水平。该系统可以作为超快材料加工的研究系统。它证明了高功率光束组合系统在未来应用中的可行性，例如在粒子加速中。
研究人员简介
Jens Limpert，德国耶拿大学应用物理研究所教授，研究方向为：近红外、可见光谱范围内的脉冲和连续波高功率光纤激光器、高强度激光器（光纤和波导激光器）以及非线性光学。
Michael Müller，德国耶拿大学应用物理研究所博士，研究方向为：高功率光纤激光器。
E-mail: michael.mm.mueller@uni-jena.de
免责声明：来源标记为网络的文章其原创性及文中陈述文字和内容未经协会证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺请读者仅作参考并请自行核实相关内容。
行业分析
光电新闻
010-84321456/1457
coema@coema.org.cn
北京市朝阳区酒仙桥路四号中国电科十一所园区
