分段反射率分束器合成方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 分段反射率分束器合成方案 通過將多個(gè)超快光纖激光開展相干合成，可以克服單根光纖的功率限制。在這種相干合成裝置中，一般采用偏振分束器（PBS）用于合束（如圖 1（a）所示），不過這種裝置復(fù)雜度較高，而且隨著合成通道數(shù)的增多，占用體積也會越來越大。德國耶拿課題組提出了分段反射率分束器（SMS）的合成方法，如圖 1（b）（c）所示。 圖 1 （a）級聯(lián)合束系統(tǒng)示意圖 （b） SMS 裝置示意圖，數(shù)值為分束面的反射系數(shù)，在輸入波束陣列功率均勻的情況下，可以實(shí)現(xiàn)振幅完全匹配。（c）整體 SMS，即所有鍍膜都沉積在單個(gè)元件上 （d）將組合擴(kuò)展為二維陣列，每個(gè) SMS 鍍膜分

2、布一致 SMS 可以僅用一個(gè)或兩個(gè)光學(xué)元件制造。對于多個(gè)超快激光光束的合成，采用雙單元空氣間隔設(shè)計(jì)可使非線性效應(yīng)和色散效應(yīng) 化，同時(shí)該裝置還可以拓展到二維合束，如圖 1（d）所示。為了實(shí)現(xiàn)合束過程中完美的振幅匹配，必須在每個(gè)分束或合束節(jié)點(diǎn)使用特殊的鍍膜部分。但是對于每一束光，需要一個(gè)特定鍍膜的反射區(qū)，裝置還是較為復(fù)雜。由于相干合成中振幅誤差的影響相對于相位誤差的影響較小，耶拿課題組提出了一種可以共用鍍膜的簡化設(shè)計(jì)。 圖 2 三種簡化 SMS 設(shè)計(jì) 如圖 2 所示，本文介紹了 SMS 的三種簡化設(shè)妙策略。在每一種簡化設(shè)計(jì)中， 束輸入光束通過全透鍍膜部分，而其余的 N1 束入射光將入射到反射系數(shù)由

3、優(yōu)化算法確定的 1 個(gè)、2 個(gè)或者 3 個(gè)鍍膜截面上。在假定完美相位匹配的情況下，以整體合成效率為目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，采用數(shù)值方法求解簡化的 SMS 設(shè)計(jì)參數(shù)。 圖 3 展示了三種設(shè)計(jì)在單個(gè) SMS 中組合多達(dá) 40 個(gè)波束的理論合成效率。這些模擬假設(shè)了理想的 HR 和 AR 表面（實(shí)際情況可以通過調(diào)整參數(shù)來開展模擬）。隨著鍍膜數(shù)增多，優(yōu)化的鍍膜截面可以更接近理想的振幅匹配情況，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的合成效率，但是鍍膜數(shù)的邊際收益會迅速減少。使用兩個(gè)相同的簡化的 SMS 可以實(shí)現(xiàn)二維光束的合束。 圖 3 優(yōu)化后三種模擬 SMS 設(shè)計(jì)的組合效率（上）理想條件下的理論合成效率；（下） 99.8反射率表面時(shí)合

4、成效率 在對各鍍膜反射率開展優(yōu)化的同時(shí)，也可以對入射到各個(gè)圖層的光束數(shù)量開展優(yōu)化，但是這對總體合成效率影響并不大。作者還研究了反射系數(shù)的誤差對合成效率的影響。如圖 4 所示，當(dāng)反射率的誤差在 2以內(nèi)時(shí)，與理想情況相比，25 束光束的合成效率僅低 2左右，完全可以承受。以上模擬中均沒有考慮其他效應(yīng)對合成效率的影響。 圖 4 單鍍膜 SMS 設(shè)計(jì)中鍍膜反射率誤差的影響示意圖 文章還討論了簡化的 SMS 在分束器方面的潛力。SMS 用作分束器時(shí)優(yōu)化的鍍膜設(shè)計(jì)與合束器時(shí)的設(shè)計(jì)思路是相同的，但是也要考慮一些額外效應(yīng)。SMS 光學(xué)分束的均勻性在光纖 CPA 放大器系統(tǒng)中非常重要，一些光學(xué)過程將受到每個(gè)纖芯

5、中 能量的影響，進(jìn)而反過來影響放大光束的均勻性和合成效率。因而 SMS 作為分束器輸出的 和 光束功率的比值是其作為分束器使用的一個(gè)重要參考。 對于 525 束分光的情況，三鍍膜 SMS 的分光情況如圖 5 所示。在超快光纖 CPA 放大系統(tǒng)中，由于種子光分布的不均勻，在放大過程中會導(dǎo)致積累的非線性相位（B 積分）不同，且在光纖中，這種變化由于光纖纖芯的高峰值功率和較長的路徑長度而增強(qiáng)。因此，用簡化的 SMS 來分束產(chǎn)生非均勻光束分裂的影響，在很大程度上依賴于光纖系統(tǒng)的參數(shù)。 圖 5 三鍍膜簡化設(shè)計(jì)用作分束器的性能示意圖：（a） 525 束分束時(shí)，三鍍膜 SMS 的 輸出功率與 輸出功率之比；（b）用作分束器的 10 束三鍍膜 SMS 輸出光束功率的直方圖 總之，本文提出了用于相干合成分束與合