摘 要

首先，本文概述了高功率激光器组束的研究进展及研究意义，并对当前主流的几种光纤激光器组束方法进行了简单的介绍。接着，本文根据Kogelnik的耦合波理论推导出了透射型体布拉格光栅的衍射效率方程，并据此建立了组束理论模型，利用MATLAB进行数值模拟分析了光栅厚度、折射率调制量、空间频率以及光束的发散角、光谱宽度对组束效率的影响。

研究结果表明：当光栅厚度一定时，随着空间频率逐渐增大，实现100%衍射效率的折射率调制量逐渐减小。折射率调制量一定时，当光栅厚度减小，光栅的谱选择性和角选择性增大。根据这一模型，本文设计了双光束非相干组束和三光束非相干组束的优化方案。根据仿真结果可知，组束效率随光束的发散角和光谱宽度的增大逐渐减小。最后，本文将设计方案与已有的实验结果进行了对比，并分析了差异所在。

关键词：频谱组束；透射型体布拉格光栅；耦合波理论

Abstract

First of all, this paper summarizes the progress and significance of research on high-power laser beam combination and introduces some mainstream combination methods. Then, the diffraction efficiency equation of transmission volume Bragg grating is derived according to Kogelnik’s coupled-wave theory. Based on this equation, a model for spectral beam combination is built, which is used to analyze the effect of thickness, refractive index modulation of the grating, beam divergence and spectral width on the diffraction efficiency in the method of MATLAB.

As the results show, when the thickness of grating is constant, as spacial frequency decreases, the refractive index modulation needed for 100% diffraction efficiency gradually decreases. And with the refractive index modulation constant, the spectral and angle selectivity widens as the thickness of grating decreases. In light of the model, the optimization designs of both dual-beam and three-beam combination are presented. And the simulation results indicate that the combination efficiency decreases as the divergence angle and spectral width increase. In the end, this paper compares the presented theory with existed experiment results and analyzes this difference.

Key Words：spectral beam combining; transmission volume Bragg grating; coupled-wave theory

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 光纤激光器组束方法 1

1.1.1 光栅外腔频谱组束 1

1.1.2 MOPA结构频谱组束 2

1.1.3 PTR布拉格光栅频谱组束 3

1.2 国内外研究现状 3

1.3 本文的研究内容 4

第2章 组束的理论基础 5

2.1 衍射效率公式的的推导 5

2.2 本章小结 11

第3章 组束参数优化模型 12

3.1 衍射效率与参数ν和ξ的关系 12

3.2 衍射效率与波长偏移量和角度偏移量之间的关系 13

3.3 衍射效率与光束光谱宽度和发散角之间的关系 16

3.4 本章小结 17

第4章 优化设计方案 19

4.1 双光束组束优化设计方案 19

4.2 双光束组束仿真 19

4.3 三光束组束优化设计方案 20

4.4 三光束组束仿真 22

4.5 与已有实验结果的对比 23

4.6 本章小结 24

第5章 总结 25

5.1 研究结果 25

5.2 研究的不足以及后续研究的方向 26

参考文献 27

致 谢 29

第1章 绪论

光纤激光器优点众多，如体积小、效率高、结构紧凑、散热性能好等。近年来，它广泛应用在军事、工业等各个领域，并成为研发高功率激光系统的一个主要方案。目前单根光纤的输出功率已经达到千瓦量级^[1]。然而，这一方向已经受到了许多限制，如费用高，高温损伤以及一些技术难题。鉴于此，利用多束激光组束获得高能激光的方法成为了一大解决方案^[2]。

激光组束大致可分成两种类型：相干组束和非相干组束。相干组束需要对各组束阵元的波长、相位、偏振、振幅进行精确控制，实际操作上存在难题，而且整个系统很复杂^[3]。而非相干组束是不同波长光束的叠加^[4]，非相干组束因此也被称为频谱组束。这种方法具有简单的结构和稳定的系统，且易于控制，近年来成为了获取高功率激光的重点研究方向。

1.1 光纤激光器组束方法

在激光频谱组束领域中，前人已经做了大量研究。目前主要有光栅外腔频谱组束、MOPA结构频谱组束、PTR布拉格光栅频谱组束、二维阵列的相干和谱组束等方案^[3]。

1.1.1 光栅外腔频谱组束

这一方案是相干组束中比较早期的方案之一。它于1999年由美国MIT林肯实验室的Cook等人提出。他们利用这种方案对两个掺Yb光纤激光器进行组束，获得了223mW的输出功率^[5]。这一方案的原理如图1.1所示。

图1.1 光栅外腔频谱组束结构示意图