自组织型光纤激光器阵列动态特性分析

 研制大功率、光束质量好、高效、紧凑的高能激光器系统，是世界各国长期探索研究的目标。而光纤激光器作为近年来高功率激光光源研究领域中的热点，与气体或常规固体激光器相比，具有结构简单、散热效果好、转换效率高、阈值低、使用寿命长、系统维护简单等优点。特别是近年来，随着双包层光纤的出现，使多模抽运成为可能，从而为提高光纤激光器的输出功率提供了解决途径，实现了掺稀土元素光纤激光器的大功率输出。然而由于单个光纤激光器在高功率条件下会产生非线性效应，以及光纤本身能承受的阈值功率的限制，单个光纤激光器不可能得到超高功率。因此光纤激光器的相干合成成为研究的重要方向。

实现光纤激光器的相干合成主要有主震荡功率放大和自组织型光纤激光器阵列两种方式。相对于主震荡功率放大的方式，自组织型光纤激光器阵列具有结构紧凑、相位控制简单及合成效率高等特点，因此成为近期理论界研究的热点。目前对自组织型光纤激光器阵列的理论研究主要集中在两个方面。一方面是对光纤激光器阵列光谱响应参数的研究。因为光谱响应参数是自组织型光纤相干合成技术的关键参数之一，它决定着阵列输出信号的频段。另一方面是对光纤激光器阵列动态特性的研究。光纤激光器阵列作为一个复杂的系统，对其动态特性的研究有利于搞清整个系统的运作机制，有利于改善整个系统，从而提高输出信号的光束质量。

　　动态特性研究

增益区+耦合区模型

目前大多数已发表的关于光纤激光器阵列相干合成技术的理论文章都着重于分析在不同类型的耦合结构下光谱响应的变化，而对各路激光之间如何同步的机制并没有进行深入的研究。研究光纤激光器阵列的动态特性，有利于对其同步机制的理解。

对光纤激光器阵列进行抽象，对其功能进行模块化分解。得到增益区+耦合区模型如图1。

图为 N臂干涉谐振腔简化示意图

　　这是一个N路光纤激光器阵列耦合的示意图。在z=O处为一个反射率接近100％的全反射镜。而在腔体的另一端，即z=L处为一个反射率较小的反射镜，光纤激光器阵列的输出光就是从此处输出。在g-<z<g+之间为增益区间，我们认为所有的增益介质只存在于这个区域内。在c-<z<L之间为耦合区间，各路激光的耦合就是在这个区间完成的。那么我们认为激光在整个腔体的其他部分，即O<z<g-和g+<z<c-区间都是自由传输的。