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- 发布日期：2024-09-30 07:38 点击次数：185
通过将多个超快光纤激光进行相干合成，可以克服单根光纤的功率限制。在这种相干合成装置中，一般采用偏振分束器（PBS）用于合束（如图 1（a）所示），不过这种装置复杂度较高，而且随着合成通道数的增多，占用体积也会越来越大。德国耶拿课题组提出了分段反射率分束器（SMS）的合成办法，如图 1（b）（c）所示。
图 1 （a）级联合束系统示意图 （b） SMS 装置示意图，数值为分束面的反射系数，在输入波束阵列功率均匀的情况下，可以实现振幅完全匹配。（c）整体 SMS，即所有镀膜都沉积在单个元件上 （d）将组合扩展为二维阵列，每个 SMS 镀膜分布一致
SMS 可以仅用一个或两个光学元件制造。对于多个超快激光光束的合成，采用双单元空气间隔设计可使非线性效应和色散效应 化，同时该装置还可以拓展到二维合束，如图 1（d）所示。为了实现合束过程中完美的振幅匹配，必须在每个分束或合束节点使用特殊的镀膜部分。但是对于每一束光，需要一个特定镀膜的反射区，装置还是较为复杂。由于相干合成中振幅误差的影响相对于相位误差的影响较小，耶拿课题组提出了一种可以共用镀膜的简化设计。
图 2 三种简化 SMS 设计
如图 2 所示，本文介绍了 SMS 的三种简化设计策略。在每一种简化设计中， 束输入光束通过全透镀膜部分，而其余的 N－1 束入射光将入射到反射系数由优化算法确定的 1 个、2 个或者 3 个镀膜截面上。在假定完美相位匹配的情况下，以整体合成效率为目标优化函数，采用数值方法求解简化的 SMS 设计参数。
图 3 展示了三种设计在单个 SMS 中组合多达 40 个波束的理论合成效率。这些模拟假设了理想的 HR 和 AR 表面（实际情况可以通过调整参数来进行模拟）。随着镀膜数增多， 芯片采购平台优化的镀膜截面可以更接近理想的振幅匹配情况，因此可以实现更高的合成效率，但是镀膜数的边际收益会迅速减少。使用两个相同的简化的 SMS 可以实现二维光束的合束。
图 3 优化后三种模拟 SMS 设计的组合效率（上）理想条件下的理论合成效率；（下） 99．8％反射率表面时合成效率
在对各镀膜反射率进行优化的同时，也可以对入射到各个图层的光束数量进行优化，但是这对总体合成效率影响并不大。作者还研究了反射系数的误差对合成效率的影响。如图 4 所示，当反射率的误差在 2％以内时，与理想情况相比，25 束光束的合成效率仅低 2％左右，完全可以接受。以上模拟中均没有考虑其他效应对合成效率的影响。
图 4 单镀膜 SMS 设计中镀膜反射率误差的影响示意图
文章还讨论了简化的 SMS 在分束器方面的潜力。SMS 用作分束器时优化的镀膜设计与合束器时的设计思路是相同的，但是也要考虑一些额外效应。SMS 光学分束的均匀性在光纤 CPA 放大器系统中非常重要，一些光学过程将受到每个纤芯中 能量的影响，进而反过来影响放大光束的均匀性和合成效率。因而 SMS 作为分束器输出的 和 光束功率的比值是其作为分束器使用的一个重要参考。
对于 5－25 束分光的情况，三镀膜 SMS 的分光情况如图 5 所示。在超快光纤 CPA 放大系统中，由于种子光分布的不均匀，在放大过程中会导致积累的非线性相位（B 积分）不同，且在光纤中，这种变化由于光纤纤芯的高峰值功率和较长的路径长度而增强。因此，用简化的 SMS 来分束产生非均匀光束分裂的影响，在很大程度上依赖于光纤系统的参数。
图 5 三镀膜简化设计用作分束器的性能示意图：（a） 5－25 束分束时，三镀膜 SMS 的 输出功率与 输出功率之比；（b）用作分束器的 10 束三镀膜 SMS 输出光束功率的直方图
总之，本文提出了用于相干合成分束与合束的简化设计的 SMS 数值分析。由于相干合成过程中振幅失配的影响相对较弱，因此可以通过减少镀膜的数量来实现有效的光束合成，从而大大简化了这些光学器件的制造过程。