搭建了一个全光纤窄线宽超荧光源,经过多级功率放大后,输出功率提升至1.08 kW,最高功率时光谱的半峰全宽为0.23 nm。通过色散调控的方法,对窄线宽超荧光源进行优化。改进后的超荧光源在最高功率时,光谱的半峰全宽被压缩至0.20 nm,并且在功率放大过程中,光谱的半峰全宽不随功率展宽。所提光源应用于光谱合成系统中时,可以有效地提升合成光的光束质量。

激光相干偏振合成(CPBC)是获得高亮度线偏振激光输出的有效方法。基于此,提出一种光相位调制技术,将两路光相位差转变为幅度调制,进行光外差偏振相位探测和线性锁相控制,实现了两路同频率激光光束的相干偏振合成。理论上详细分析了光外差偏振相位探测的理论模型和线性锁相控制环路的数学模型,用于优化系统参数。锁相控制后,合成光束的输出功率为352.4 mW,偏振消光比高达17.67 dB,系统的控制带宽约为66.1 kHz,剩余相位噪声为1×10 -4 rad·Hz -1/2(1 Hz)和3×10 -6 rad·Hz -1/2(>100 Hz)。相比于其他CPBC的锁相方法,该方法对偏振消光比以及控制带宽都有明显的提升,有效地抑制了相位噪声。

保持良好光束质量的输出对实际光谱合成系统的构建至关重要。从理论上研究光纤激光阵列指向偏差对合成系统光束特性的影响, 修正了带有指向偏转角激光队列的入射光场, 结合光谱合成的光传输模型和统计学分析, 讨论了合成激光光束质量随均匀分布随机扰动的变化规律。仿真结果表明, 指向偏差对合成系统的输出特性影响显著, 当激光队列的最大偏转角仅为0.05°时, 合成系统的光束质量就会退化到(6.49±1.73)。为实现合成光束亮度的定标放大, 逐步扩展激光队列的阵列规模, 合成系统光束质量的变化会逐渐趋于稳定, 以变化稳定时的阵列规模(30路子光束)作为参考, 拟合M2因子随最大指向偏转角的变化趋势。

光谱合成技术是一种有效的突破单根光纤激光器输出极限, 得到更高亮度的激光输出的方法。介绍了一种外腔振荡式单路光源的光纤激光光谱合成方案, 相比于现行的主振荡功率放大(Master Oscillator Power-Amplifier, MOPA)式单路光源的单光栅合成方案, 具有结构紧凑、阵列规模扩展能力强的优点。对该方案进行建模, 分析了合成系统中不同波长的单路激光光源的位置关系, 并对系统中的光纤排布、转换透镜像差等因素对合成效果的影响进行了仿真计算。搭建实验系统进行了初步的实验验证, 与理论结果能够吻合。对下一代光谱合成系统的构建以及光学元件的选择具有重要的指导意义。

受热损伤和非线性效应等因素的制约，单个光纤激光器的单模输出功率受到限制。将多个光纤激光器的输出通过一定的方式进行光束合成，是实现更高功率激光输出的必然选择。介绍了光谱合成技术的发展历程和研究现状，给出了几类常见光谱合成系统的基本原理、关键要素和优缺点。介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所在窄线宽光纤激光及其光谱合成方面的最新进展， 并对高功率光纤激光光谱合成技术的发展前景进行了展望。