相干激光束同轴组合
基于偏振状态转换，激光束的同轴相干组合的技术被引入。激光束可同轴地连接成一个光束具有高效率相结合，完美的光束质量。基于主振荡器功率放大器的偏振激光束的组合系统（MOPA）构发达，既单元组合和整个系统的效率进行了研究。在结合四束与单纵模的实验中，85.3％的组合效率得以实现。它可以通过改进的实验环境的稳定性和光学和机械组件的质量进一步提高。
OCIS代码：140.3298，260.5430，260.3160。
DOI：10.3788 / COL20090711.1012。
对于高功率固态激光器，其输出功率是由热效应，非线性效应，和增益介质的损坏限制。因此，很难同时获得高输出强度和良好的光束质量。组合多个低功率相干光束到单一一个被认为是对上述问题的一种有前途的技术。根据该光束组合技术，可以得到同时具有高功率和良好的光束质量的光束。通常，光束组合分为非相干[1？3]和相干组合[4？13]。它也可分为腔内组合[4-6]，外腔组合[3,8？13]，和耦合腔[14]。具有减少激光的性能，改善光束的一致性的优点，外腔相干组合基于主振荡器功率放大器（MOPA）的组态被广泛研究。 19千瓦，最近的成果是通过注入主振荡器进入多千瓦钕的序列获得：YAG锯齿片状放大器[10]。在这种方式中，系统复杂度降低，因为所有的光束仅由一个元件，这可以承受所有的激光输出功率，而不会在该系统的远端损伤组合。然而，通过最MOPA组合输出光束是在阵列[9？11]的形式。将合并的光束在近场在远场中分开，但重叠通过干扰。因此，该组合光束的一部分功率被分配到的旁瓣在远场中，这导致在中心峰仅与总功率和差光束质量的一小部分。另外，在相控制为建设性干涉的实现是一个主要问题。
在这封信中，我们提出了一种基于偏振光转换同轴相干合成方法。以这种方式，可以得到更高的组合效率和更好的光束质量。此外，为相同的相位的所有子束不是必需的，所以复杂的相位检测是没有必要的。
当两个正交线性偏振光束（临教在职培训）具有相同的频率和固定的相位差δ0在空间重叠时，产生的椭圆偏振光束（EPB）。环保局的主轴线（长轴和短轴）之间电场的相位差为±π2，其中正号或负号取决于环保局的旋转方向。如果四分之一波片（QWP）插入环保局和其光轴（快轴和慢轴）平行于主轴线，可以生成一个新的LPB。该LPB的电矢量可以旋转通过一个半波片（HWP）的任何角度。因此，两个临教在职培训成为一个新的LPB，这可能与另一LPB结合。可以重复上述过程，直到所有的子束已经被组合成一个。很明显，组合光束的归一化强度分布是一样的，该子束。并且当功率被放大所得光束的光束质量不会恶化。
假设两个正交临教在职培训是p偏振光（P轻）和s偏振光（S光）与振幅鸭和As，分别环保局可以由一个偏振光束分离器（PBS）形成。在QWP的光轴的取向由δ0，鸭，以及作为决定。下鸭=作为条件和δ06 =（2M + 1）π2，环保局的主轴线的方位角在S和P光之间的角平分线是固定的，不管δ0的什么值。这种特殊情况在这封信中采用，因为它不仅简化了理论，而且便于实验的QWP的方向。此外，对于所有波束相同强度是更适合于实际情况。
根据上述讨论，一种系统组态用于组合Ñ光束在图示意性示出。 1.它包括一个MOPA部分和偏振光束组合（PBC）的一部分。在MOPA部分是用来产生线性偏振激光束，它们在被锁定在相同的频率和相位。在MOPA部，从主振荡器具有良好的光束质量输出的种子光束首先被准直透镜准直。随后，它是由一个偏振器和分割成N个子束具有相等功率极化到P的光。所有子束被放大，其中只有一半的偏振旋转90°？ 。所有放大器都在为减少由热效应的子束之间的波前差的冷却条件相同和工作。准直透镜用于改变球面波前进入平面中的一个，以消除对组合效率高斯光束的径向相因素的影响。在中国人民银行的部分，所有光束同轴叠加到输出光束最终。偏振调整模块包括QWP和HWP。该系统还可以通过控制P和S的光在每个单元组合之间的光学差被利用的多纵模偏振光束组合。
分析中所示的系统的放大能力。 1，一个单元组合被定义为以下的处理。结合在P轻和S的光到由PBS中的EPB然后将其转换成P光或S的光（虚线帧在图1中）。单元组合的合成效率ηu被定义为组合P的强度比或S光以P和S的光的照射到PBS中的总和。在PBC部分由N + 2单元的组合时，最后的输出是一个EPB。为方便起见，将N假定为偶数和写成的Pn I = 1 2英里，其中n和MI是正整数和MI> MI + 1（例如，N = 22 = 24 + 22 + 21，所以n = 3的且m1 = 4，2 = 2，M3 = 1）。当每束光的强度为I0和ηu是相同的所有单元的组合中，相对输出强度（I0的倍数）的系统是
从式。 （1），对于给定N，铱与ηu增加时ηu大于0.5。对于不同的ηuIr和N之间的关系示于图2.可以看出，铱在N = 2MI大于在N = 2MI + N，其中2 N是一个小的值。这是因为3 N束使2MI光束做另一单元组合，但在3 N束的功率比用于所有波束的附加单元组合产生的损失小。图的结果。 2说明ηu对铱重要影响。因此，ηu是PBC.ηu的核心问题是两个参数T和ηpc产物，透射T表示在一个单元组合的所有光学元件的反射和透射损失，且偏振转换效率ηpc装置转换的能力一个EPB成P光或S光。在理论上，ηpc是在单一偏振状态的条件等于1。然而，这是更现实的那ηpc小于1由于以下两个因素。首先，由于光学元件的不同的表面形状和S和P光，相位差和偏振态之间的平行度误差是在对组合光束的横截面的各点不同。这种情况下，被称为非均匀极化。的平行度误差是在这种情况下，主要的影响因素。其次，由于环境因素如环境振动，温度变化，气流，和机械稳定性，无论是S和P光也不组合光束的偏振态之间的相位差可以被锁定。当环境因素使P和S光变化ΔZ的光程差，对于鸭=作为的情况下，ηpc可以表示为
其中，ΔZ是一个实时随机变量，c是真空中的光速，ω是角频率，k是由光学元件和实验操作确定的系数。在一个单位组合，如果光束通过QWP传播的偏振度为p，则K =（1 + P）/ 2。 （1→k）是引起非均匀偏振的相对损失，同时cos2的（ωδz/ 2C）表示的环境因素的影响。
由两个单元组合结合四个波束的进行实验。实验装置示于图。 3.图相比。 1，无放大器在设置中使用。然而，对验证PBC方法的可行性没有影响。氦氖激光用两个正交纵模被用作一主振荡器。由此通过偏振器中选择的单纵模。偏振片后面的HWP被用来使由PBS0等于分裂光束的强度。
在每个单元组合，使用以下的方法来判断是否两个光束分别同轴由PBS适当组合。偏振器，其偏振轴不平行的P和S的光被插入到组合光束;如果偏振器后面没有观察到干涉条纹它被认为是同轴电缆的组合。
用5％的不确定性的功率计来测量强度。在第一单元的组合，其中包括PBS1，T，P B点的值，并ηpc分别为95.3％，85.2％，和89.9％。从上面的参数，我们可以得到ηu为85.7％。在含有PBS2，T的值，对在C点，ηpc和ηu第二单元组合分别为95.1％，83.3％，88.3％，和84.0％。该系统（D点到A点的强度比）的平均组合效率在5分钟为85.3％。引起的透射率和部件，非均匀极化，和环境因素的反射的相对损失分别为4.7％，7.4％，在第一单元组合2.9％和4.9％，8.4％，在第二个3.7％。
初始光束，并通过一光束质量分析仪（Coherent公司的BeamView）测定的组合波束的三维（3D）强度图被示于图图4（a）和（b），分别为。这两个强度分布是彼此相似的，因此，将合并的光束的光束质量不恶化的初始光相比是明显的。
应当注意的是，单元组合和系统的组合效率可通过提高的光学和机械组件的质量和改善的实验环境的稳定性得到进一步改善。例如，当透过率T升高到98％，在第一单元组合，大约2.4个百分点是为ηu改善。另外，一个三维调节以高精度贴装提出改善波阵面和组合效率的一致性。如果3D调整底座的精度提高了2倍，可以得到超过95％的整体组合的组合效率。
总之，我们提出了基于MOPA结构的同轴组合系统。进行实验，以四个波束合二为一。单元组合和系统的组合效率分别约84％？86％和85％，分别为。该组合光束的光束质量不会降低与初始光进行比较。该组合效率可通过使一些进展，例如改善的光学和机械组件的质量和试验环境的稳定性得到进一步改善。该方法可以在多纵模光束组合被应用。