高功率脉冲激光器在精密焊接和激光清洗等领域具有重要应用，脉冲合束能够实现对多路脉冲峰值功率的叠加，而脉冲同步精度很大程度上决定了合束脉冲的性能。为此，提出了一种基于程控时间调制电路的脉冲同步方法，最大时间延迟为256 ns，同步精度小于1 ns。采用该同步方法实现了3台独立激光子模块的非相干合束，合束效率达97%。当同步误差≤4 ns时，脉冲重复频率和半高全宽在40~1000 kHz、19~660 ns范围内灵活可调。
激光器 光纤激光器 非相干合束 脉冲时间同步 同步误差 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1136001
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 激光与物质相互作用国家重点实验室，吉林 长春 130033
本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析，以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变，提高主镜面形精度。首先，对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点，从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式；然后，利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析，并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计；最后，对主镜进行重力、环境适应性和基频分析，验证设计的合理性。分析结果表明：6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下，随着辐照时间的增加，镜面温升值和P-V值逐渐增大；辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃，P-V值为155 nm，受镜体结构影响，辐照区内热畸变值不一致，差值约占镜面P-V值的1/6；为改善热畸变的不一致性，提高镜体强度，对主镜进行拓扑优化设计，优化后主镜轻量化达54.5%，辐照区热畸变一致性好，镜面热畸变量减小了近1/3；不同俯仰姿态下，主镜重力变形值基本相同，不足10 nm；环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移，稳态温差值越大，主镜面形P-V值和镜面平移量越大；模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。
大功率激光 空间合束 主镜 激光热畸变 轻量化设计 high power laser incoherent combining primary mirror laser thermal deformation light weight
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院紫金山天文台 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室, 江苏 南京 210008
高能光纤激光器光束合成技术是近年来高能激光器尤其是定向能源应用中的研究热点, 可突破单根单模光纤激光的输出功率限制, 为高功率高光束质量的激光**应用奠定了理论基础。介绍了光纤激光非相干合成和相干合成的国内外研究现状, 给出了非相干合成技术中光束重叠和光谱合成的基本合成原理, 重点介绍了国内外多家研究机构光谱合成近年来所达到的技术水平; 介绍了国内外相干合成技术的最新研究进展, 对相干合成等效大口径激光阵列输出中几种不同的透射式相干合成阵列输出和反射式相干合成阵列输出的关键合成装置, 以及相干合成单一孔径输出中的核心光学元件进行详细分析。最后简要对比了高能光纤激光器光束相干合成技术和非相干合成技术的优缺点和应用范围。
光纤激光器 相干合成 非相干合成 激光合束 fibre laser coherent combining incoherent combining laser beam combining 红外与激光工程
2018, 47(1): 0103011
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
建立了高功率光纤非相干合成光束在湍流大气中的传输模型。综合考虑了准直系统、对准误差、光束抖动和大气湍流的影响，分析了单模、多模光纤光束非相干合成系统的传输特性。理论计算表明，在准直系统设计为最佳值时，功率为10 kW的单模激光由准直系统导致的光束质量退化率约为10%，而光束质量M2因子为13、功率为30 kW的多模激光，其光束质量退化率约为1%。对于数目都为六束，总功率分别为60 kW、180 kW的单模、多模光纤光束组成的非相干合成系统，在倾斜误差没有校正时，单模光束阵列较多模光束的传输特性优势随湍流强度的增大而降低。在传输距离为5~15 km时，单模光束阵列倾斜误差完全校正时的到靶光强是无校正时的1.32倍左右，而多模光束阵列的到靶光强变化不明显。
光纤激光 非相干合成 大气湍流 准直系统 传输特性 光学学报
2013, 33(s1): s114008
国防科学技术大学 光电科学与工程学院， 长沙 410073
进行了六路100 W量级光纤非相干合成光束在实际大气湍流中的传输实验,将六路光斑直径为9 mm的单模光纤光束分别扩束，扩束后的光斑直径为90 mm。基于倾斜镜的合束系统来控制各路光束的指向，在不同强度的湍流条件中，通过主镜口径为440 mm的发射系统水平聚焦传输至470 m处。倾斜控制系统闭环工作时，一倍衍射极限内的桶中功率占目标处总功率的比值是开环工作时的1.7倍左右，随着大气湍流的强度变弱，此比值变大。
光纤激光 非相干合成 大气湍流 倾斜控制 fiber laser incoherent combining atmospheric turbulence tip-tilt correction
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
建立了高能固态激光阵列合成的模型，对相干合成型和非相干合成型的高能固态激光系统进行了分析和比较。引入光束传输因子(BPF)作为评价合成光束的光束质量，对湍流大气对板条激光器和光纤激光器相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行了定量分析。计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考。
光纤激光器 板条激光器 大气湍流 相干合成 非相干合成
1 高能束流加工技术重点实验室 北京航空制造工程研究所 北京 100024
2 英国焊接研究所,英国
为增大激光器输出功率,实现中厚度板的激光焊接,研制了一套YAG激光耦合装置。利用非相干合成技术将三束激光合成为一束大功率激光,再通过耦合技术经由一根光纤输出。对耦合装置的焊接性能进行测试表明,与单束激光源相比,该装置可使焊接材料厚度大幅度增加,提高了加工效率。
大功率激光 耦合装置 激光焊接 非相干合成 high-power laser coupling equipment laser welding incoherent combining
国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南 长沙 410073
根据广义惠根斯-菲涅耳原理,分析了单模光束相干合成、单模光束非相干合成、多模光束相干合成和多模光束非相干合成等4种类型的合成光束阵列在实际湍流大气中的传输特性,计算了传输效率与有效作用距离。结果表明,多模光束阵列相干合成与非相干合成的传输效率与有效作用范围区别不大,单模激光阵列的传输效率优于多模激光阵列。相干合成单模激光阵列的传输效率较非相干合成情形的优势随湍流强度的增大而降低,在湍流强度较强时,相干合成已经没有优势。在相干合成的基础上具备倾斜像差校正能力的自适应锁相单模光纤激光阵列是构建100 kW战术激光单元的最佳方式。
大气光学 相干合成 非相干合成 广义惠根斯-菲涅耳原理 大气湍流 光束质量
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
根据广义惠更斯-菲涅耳原理, 对相干合成和非相干合成光束在湍流大气中的传输进行数值计算, 并引入光束传输因子(BPF)用于评价合成光束的光束质量, 对湍流大气对相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行定量分析。研究结果表明,在自由空间及强度较弱的湍流大气中传输时, 相干合成光束在远场呈现多旁瓣的非高斯分布特征, 与非相干合成光束相比具有峰值强度高的优势。但是随着湍流强度的增大, 相干合成光束之间的相干性被破坏, 相干合成光束的远场光强分布逐渐演化成与非相干合成的情形一致。定量计算结果表明,对于不同波长、不同数目的激光阵列, 在较强的湍流大气中传输时, 相干合成的光束质量与非相干合成光束质量相比均不占优势。计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考。
大气光学 大气湍流 相干合成 非相干合成 广义惠更斯-菲涅耳原理 光束质量
国防科学技术大学光电科学与工程学院， 湖南 长沙 410073
对多路光纤激光输出光束进行合成是获得高功率、高光束质量的输出的有效方法。为了比较不同合成方案的远场效果，对聚焦发射的相干合成和非相干合成光束远场分布进行数值计算，从控制相位误差、光束抖动和阵列占空比等三方面对这两种方案的远场特性进行比较研究。计算结果表明，与非相干合成相比，相干合成能够在远场获得更高的能量集中度，但会受到光束抖动和阵列占空比的严重影响。和通常考虑的平行发射相比，聚焦发射体制对相干合成时相位误差的要求宽松了很多，相位误差均方根(RMS)为π/3时，半径为5.6 cm的圆桶内汇聚的能量仍大于完全相干合成情形下的90%。
光纤光学 相干合成 非相干合成 相位误差 光束抖动
