非线性光学作业2(6)

器只是一种小功率光子器件的历史。利用该技术,光纤激光器的转换效率可达50 %以上,输出功率可提高几个数量级,且有着接近衍射极限的光束质量和小巧、全固化、低阈值等显著优点。因而,双包层掺镱( Yb) 光纤激光器成为近年人们研究的热点,引起广泛关注,并已在光通信、材料加工与处理、医学、印刷等领域展现出诱人的应用前景,呈现出逐步替代现有传统高功率激光器的趋势。

常规光纤和双包层光纤(矩形内包层)的结构激光产生示意图

同其他高功率激光系统相比,双包层光纤激光器无论在效率、体积、冷却和光束质量等方面,均有明显的优势,已被广泛应用于汽车,医疗,半导体,通信等工业上,全球销售额已高达几十亿美元。在国防军事领域也有广阔地应用前景。美、德等国也正进行积极研究,以期替代现有体积庞大的气体或固体激光系统。开展高功率光纤激光系统的研究,对推动我国激光在军用领域的发展,具有重要战略意义。

从应用目标出发,连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低,而脉冲工作的光纤激光或许更为有用。双包层激光虽然具有散热好、体积小、效率高、光束质量好等优点,但目前常规脉冲双包层光纤的激光单脉冲输出能量,仍低于高能的气体或固体激光器,还不到1 mJ。因此,双包层光纤激光在保持其体积小巧、效率高、冷却散热方便、光束质量好等优点的同时,实现更高能量的激光输出,是今后发展的一个重要方向。高能相干光纤激光的实现,有以下几种新技术方案可供选择。

（1）研发低数值孔径纤芯的双包层光纤

双包层光纤激光器能否实现单模激光输出,取决于纤芯的直径d和数值孔径NA0。对于波长1um的激光,常规双包层光纤纤芯的数值孔径NA0为0.1~0.15,

光纤芯径不到10um,其模体积有限,单脉冲能量不能太大(能得到高平均功率的器件);若降低纤芯的数值孔径NA0,就可保证在较粗纤芯的情况下,依然为单模模式。

（2）采用光纤激光模式控制技术

较粗的多模纤芯(如90Lm)的双包层光纤,可高功率激光输出,但模式非常差,不是单模输出。若通过合适的光纤激光模式选择技术,希望可利用多模纤芯实现单模高功率激光输出。利于光纤本身实现模式控制有2种方案可供选择 （1）在多模纤芯双包层光纤激光的输出端一定距离处,放置一合适的小腔片作输出镜,如图所示,

使得受激光中与纤芯轴线成小角度的光线(即低数值孔径的光线)Q值大,形成激光振荡;而大角度光线(高数值孔径的光线)Q值小,不能形成激光振荡,从而实现对光纤激光输出模式的选择,达到高功率高光束质量的目的。

（2）将具有多模纤芯的双包层光纤弯曲,利用其宏弯损耗和模式的关系,使得掺杂纤芯的基模LP01损耗最小,而LP11和其它高阶模的损耗增大,只输出基模LP01激光。

研究光纤激光相干组束技术：

（1）研发多芯双包层光纤在较大的内包层中有多个掺杂纤芯,每个纤芯的直径、掺杂浓度等均相同,且均为单模,纤芯间的距离很近。由于振荡激光瞬逝波的耦合,使得各纤芯受激发射的激光相互作用,达到同相位激光输出。该技术可在保持高光束质量的同时,达到高能的激光输出。

（2）光纤激光相干组束技术。将很多个相同的光纤互相靠近,排成致密的列阵,在其输出端共用一个腔片作为激光输出镜。由于各个光纤激光衍射的耦合作用,获得高能相干激光输出。

（二）跟瞄发射系统

跟瞄发射系统也是激光武器系统的重要组成部分。激光武器对目标的攻击首先需要对目标进行捕获、跟踪和瞄准, 为提高激光聚焦到目标上的光斑能量密度, 需要把激光器输出光束扩展到较大口径发射。这些功能都需要通过光束控制分系统即跟瞄发射系统来实现。

跟瞄发射系统主要由以下几部分组成:

(1) 伺服跟踪瞄准发射转台( 跟踪架、光束控制、伺服控制等);

(2)光电成像传感器(粗跟踪长波红外成像系统,连续变倍粗跟踪电视成像系统, 精跟踪中波红外成像系统, 共孔径精跟踪电视成像系统);

(3) 光电成像跟踪处理器( 粗跟踪红外成像跟踪处理器; 粗跟踪电视成像跟踪处理器; 精跟踪红外成像跟踪处理器; 精跟踪电视成像跟踪处理器);

(4) 激光发射与光电传感器调焦 /调光控制。

随着光纤激光器及光纤激光组束技术的不断成熟, 组束激光的输出功率不断提高, 开拓了合成光束应用的新领域。初步的分析和研究表明, 组束激光可以达到千瓦甚至更高量级的输出功率, 不仅可以满足一般的工业、加工和科研领域的需求, 而且在战术激光武器方面也表现出了一定的应用前景。然而, 战术激光武器面临的另一个严峻的问题是大气传输效应, 组束激光必须通过大气传输才能到达目标靶面, 在此过程中研究大气媒质对强激光造成的影响就显得尤为重要。

1 光功率衰减

一般来讲, 强激光在大气中传输产生的效应可分为两大类: 第一类是线性光学效应, 包括大气折射、吸收、散射和湍流; 第二类是非线性光学效应, 包括热晕、受激拉曼散射和大气击穿等。分子、气溶胶吸收和散射是造成强激光功率衰减的重要原因, 大气造成的光功率衰减可由布尔定律描述

式中: I0 是初始光强; R 是大气传输距离; μ是大气消光系数, 由α和β的线性和表示, 其中α和β分别代表大气和气溶胶的消光系数。

2 光束扩展

影响激光武器作用效果的重要指标是靶面功率密度, 而该功率密度的大小既取决于到达目标靶面的功率, 又取决于光束对目标的作用面积。理想条件下光束光斑的大小由衍射极限决定, 此面积可表示为

式中D 为发射系统光学口径直径。

实际大气传输过程中, 大气折射率随时间和空间作无规则的变化。这种湍流状态常常用折射率结构常数强湍流

来表示。。一般近地面湍流强度可分为强中弱三种: ，中等湍流

，弱湍流

。在弱湍流条件下, 辐照面积很小并且几乎不随传输距离的

增加发生变化; 而在中等湍流条件下, 辐照面积随传输距离和湍流强度的增加出现迅速增大的情况,A 的值也迅速增大。由此可见, 湍流强度将是影响激光武器系统靶面功率密度的重要因素。

实际上, 除了大气湍流影响光束辐照面积外, 强激光系统还需要考虑以下因素: 光束质量因子β; 大气抖动幅度以及由热晕引入的畸变参数N。这些参数都有可能导致光束辐照面积的增大。

大气中的分子吸收和散射造成靶面功率的衰减,湍流和热晕造成光束辐照面积的增大, 二者的共同作用将使得靶面功率密度降低, 从而影响到激光武器系统的作用距离。激光武器系统的适用条件仅仅是中、低强度湍流和热晕, 除此之外激光武器系统的作用距离将大大减小。提高激光武器性能的有效途径: 一是对发射系统和光束质量进行进一步的控制（比如在激光器内加上位相共轭镜消除激光出腔时由于热效应和微扰造成的波面畸变、减小激光束光斑直径集中光束能量等

等方法）; 二是采用先进的自适应补偿、非线性相位共轭系统, 这些都是进一步研究的重点。

综上所述，激光在大气传输过程中,大气扰动使激光波前发生畸变,激光束发生发散漂移和闪烁等现象,影响激光传输效果。

利用光学相位共扼技术实现激光大气传输补偿的主要有两种方法:校正式自适应光学技术和非线性光学相位共扼技术。

自适应光学技术的思想是由微波自适应技术发展而来的，它在上述几种实现光学相位共扼过程的技术中提出最早，也得到了最充分的研究。一个典型的自适应光学系统包括一个波前传感器，一个变形镜及其控制系统和主激光器。它的原理是先由波前传感器探测出来自目标的信标光的波前分布，再由控制系统将变形镜的反射面调整到与信标光波前相位共扼的样子，这样由变形镜反射出去的主激光就成为与信标光相位共扼的光，当相位共扼光沿信标光传输来的路途原路返回到达目标上时，大气湍流给激光传输带来的相位畸变得到了补偿。在美国的SDI(Strategic Defense Initiative)计划中，利用自适应光学技术实现激光大气补偿传输的一个典型示意图如图

在这一方案中，首先利用自适应光学技术将激光由地面传输到大气层外的一个中继镜和一个战斗镜上，通过快速调节战斗镜，将激光束反射到目标上。目前自适应光学技术已经基本成熟，达到工程应用的水平。然而，自适应光学技术又存在着一些缺点:首先自适应光学系统复杂，响应速度较慢，目前的响应时间为

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