Связное сложение

Метод масштабирования мощности лазера

Когерентное сложение (или когерентное комбинирование ) лазеров — метод масштабирования мощности . Он позволяет увеличить выходную мощность и яркость одномодового поперечно-модового лазера.

Обычно термин когерентное сложение применяется к волоконным лазерам . Поскольку способность накачки и/или охлаждения одного лазера насыщается, несколько подобных лазеров могут быть вынуждены колебаться в фазе с общим соединителем. Первая нелинейная теория когерентного сложения лазерных наборов была разработана Николаем Басовым с соавторами в 1965 году. ^[1] Для набора лазеров Nd:YAG объединение пучков было реализовано с помощью SBS-фазового сопряжения зеркала. ^[2] Когерентное сложение было продемонстрировано при масштабировании мощности рамановских лазеров . ^[3]

Рис.1. Пример когерентного сложения 4-х волоконных лазеров с общим ответвителем.

Пределы когерентного сложения

Добавление лазеров уменьшает количество продольных мод в выходном пучке; чем больше лазеров объединено, тем меньше количество продольных мод в выходе. Простые оценки показывают, что количество выходных мод уменьшается экспоненциально с количеством объединенных лазеров. Таким образом можно объединить порядка восьми лазеров. ^[4] Будущее увеличение количества объединенных лазеров требует экспоненциального роста спектральной полосы усиления и/или длины частичных лазеров. Такой же вывод можно сделать и на основе более детального моделирования. ^[5] На практике объединение более десяти лазеров с пассивным объединением представляется затруднительным. Однако активное когерентное объединение лазеров имеет потенциал для масштабирования до очень большого количества каналов. ^[6]

Нелинейное когерентное сложение лазеров

Нелинейные взаимодействия световых волн широко используются для синхронизации лазерных лучей в многоканальных оптических системах. Самонастройка фаз может быть надежно достижима в двоичной древовидной решетке светоделителей и вырожденном четырехволновом смешивании Керр Фазовое сопряжение ^[7] в установках усиления чирпированных импульсов экстремального света. ^[8] Этот фазово-сопряженный интерферометр Майкельсона увеличивает яркость как , ^[9] где - число фазово-синхронизированных каналов. ${\displaystyle N^{2}}$ ${\displaystyle N}$

когерентное сложение Тальбота

Конструктивная интерференция из-за самоизображения Тальбота заставляет лазеры в массиве синхронизировать поперечные моды . Число Френеля одномерного элемента лазерной решетки, синхронизированного по фазе резонатором Тальбота , определяется по формуле ^[10] Для двумерного элемента лазерной решетки, синхронизированного по фазе резонатором Тальбота, число Френеля также масштабируется . Методы синхронизации по фазе Тальбота применимы к тонким дисковым твердотельным лазерным решеткам с диодной накачкой. ^[11] ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle N-}$ ${\displaystyle F=N^{2}.}$ ${\displaystyle N^{2}-}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle F=N^{2}}$

Применение комбинированных пучков в полевых условиях

Комбинация лазерных лучей десятков волоконных лазеров с использованием мультиспектральной технологии при уровне выходной мощности 50 кВт была реализована в лазерной системе Dragonfire (оружие) с перспективой ее развертывания на борту будущих боевых кораблей Королевского флота , бронетехники британской армии и истребителей Королевских ВВС , включая BAE Systems Tempest .

• Список статей о лазерах

Ссылки

1. Басов, Н.Г.; Беленов, Э.М.; Летохов, В.С. (1965). "Дифракционная синхронизация лазеров". Sov. Phys.-Tech. Phys . 10 (2): 845. doi :10.1117/12.160374. S2CID  110333595.
2. Боуэрс, М. В.; Бойд, Р. В.; Ханкла, АК (1997). «Бриллюэновское векторное фазово-сопряженное зеркало с возможностью объединения пучков». Optics Letters . 22 (6): 360–362. Bibcode :1997OptL...22..360B. doi :10.1364/OL.22.000360. PMID  18183201. S2CID  25530526.
3. А. Сиракава, Т. Сайто, Т. Секигучи и К. Уэда: «Когерентное сложение волоконных лазеров с использованием волоконного соединителя» Optics Express 10 (2002) 1167–1172
4. Д. Кузнецов, Дж. Ф. Биссон. А. Сиракава, К. Уэда «Пределы когерентного сложения лазеров: простая оценка». Архивировано 27 сентября 2007 г. в Wayback Machine . Optical Review , том 12 , № 6, стр. 445–447 (2005). (Также [1].)
5. AESiegman. Резонансные моды линейно связанных многоволоконных лазерных структур. Препринт Стэнфордского университета, 2005, 25 страниц; http://www.stanford.edu/~siegman/coupled_fiber_modes.pdf
6. Лео А. Сийман, Вэй-цзун Чанг, Тонг Чжоу и Альмантас Галванаускас, «Когерентное фемтосекундное комбинирование импульсов нескольких параллельных волоконных усилителей с чирпированными импульсами» Optics Express 20 (2012) 18097-18116
7. Окулов, А Ю (2014). «Когерентная чирпированная импульсная лазерная сеть с фазовым сопряжением Микельсона». Прикладная оптика . 53 (11): 2302–2311. arXiv : 1311.6703 . Bibcode : 2014ApOpt..53.2302O. doi : 10.1364/AO.53.002302. PMID  24787398. S2CID  118343729.
8. "Нобелевская премия по физике 2018 года". Nobel Foundation . Получено 2 октября 2018 года .
9. Басов, Н.Г.; Зубарев И.Г.; Миронов А.Б.; Михайлов С.И.; Окулов, А Ю (1980). «Лазерный интерферометр с зеркалами, обращающими волновой фронт». Сов. Физ. ЖЭТФ . 52 (5):847. Бибкод :1980ЖЭТФ..79.1678Б.
10. Окулов, А Ю (1990). «Двумерные периодические структуры в нелинейном резонаторе». JOSA B. 7 ( 6): 1045–1050. Bibcode :1990JOSAB...7.1045O. doi :10.1364/JOSAB.7.001045.
11. Окулов, А Ю (1993). «Масштабирование твердотельных лазеров с диодной матрицей-накачкой с помощью самоизображения». Opt. Commun . 99 (5–6): 350–354. Bibcode : 1993OptCo..99..350O. doi : 10.1016/0030-4018(93)90342-3.