Durch die kohärente Kombination mehrerer ultraschneller Faser Laser, die Leistungsbegrenzung von a einzelne Faser kann überwunden werden. Bei dieser Art von kohärenter Kombinationsvorrichtung wird im Allgemeinen ein Polarisationsstrahlteiler (PBS) für die Strahlkombination verwendet (wie in 1(a) gezeigt), aber diese Art von Vorrichtung ist komplexer, und wenn die Anzahl der kombinierten Kanäle zunimmt, Das belegte Volumen wird immer größer. Die Jenaer Forschungsgruppe in Deutschland schlug eine Methode zur Kombination des segmentierten Reflexionsstrahlteilers (SMS) vor, wie in Abbildung 1(b)(c) gezeigt.
Schematische Darstellung des kombinierten Trägersystems
Abbildung 1 (a) Schematische Darstellung des kombinierten Strahlsystems (b) Schematische Darstellung des SMS-Geräts. Der Wert ist der Reflexionskoeffizient der Strahlteilerfläche. Wenn die Leistung des Eingangsstrahlarrays gleichförmig ist, kann die Amplitude vollständig angepasst werden. (C) Gesamt-SMS, d. h. alle Beschichtungen werden auf einem einzigen Element abgeschieden (d) Erweitern Sie die Kombination in ein zweidimensionales Array, und jede SMS hat die gleiche Beschichtungsverteilung
SMS können mit nur einem oder zwei optischen Elementen hergestellt werden. Für die Synthese mehrerer ultraschneller Laserstrahlen kann das Dual-Unit-Luftabstandsdesign den nichtlinearen Effekt und den Dispersionseffekt minimieren, und die Vorrichtung kann auch auf eine zweidimensionale Strahlkombination erweitert werden, wie in Abbildung 1(d) gezeigt. Um eine perfekte Amplitudenanpassung im Strahlvereinigungsprozess zu erreichen, muss an jedem Strahlteilungs- oder Vereinigungsknoten ein spezielles Beschichtungsteil verwendet werden. Für jeden Lichtstrahl ist jedoch ein Reflexionsbereich mit einer speziellen Beschichtung erforderlich, und die Vorrichtung ist noch komplizierter. Da der Einfluss des Amplitudenfehlers bei der kohärenten Synthese geringer ist als der des Phasenfehlers, schlug die Jenaer Arbeitsgruppe ein vereinfachtes Design vor, das sich die Beschichtung teilen kann.
Drei vereinfachte SMS-Designs
Abbildung 2 Drei vereinfachte SMS-Designs
Wie in Abbildung 2 gezeigt, stellt dieser Artikel drei vereinfachte Entwurfsstrategien für SMS vor. In jedem vereinfachten Design geht der erste Eingangsstrahl durch den vollständig transparenten Beschichtungsteil, während die verbleibenden N-1 einfallenden Lichtstrahlen auf 1, 2 oder 3 Beschichtungsabschnitte einfallen, deren Reflexionskoeffizienten durch den Optimierungsalgorithmus bestimmt werden. Unter der Annahme einer perfekten Phasenanpassung wird die Gesamtsyntheseeffizienz als objektive Optimierungsfunktion verwendet und numerische Verfahren werden verwendet, um die vereinfachten SMS-Designparameter zu lösen.
Abbildung 3 zeigt die theoretische Syntheseeffizienz von drei Designs, die bis zu 40 Strahlen in einem einzigen SMS kombinieren. Diese Simulationen gehen von idealen HR- und AR-Oberflächen aus (die tatsächliche Situation kann durch Anpassung der Parameter simuliert werden). Mit zunehmender Anzahl von Beschichtungen kann der optimierte Beschichtungsquerschnitt näher an der idealen Amplitudenanpassungssituation liegen, sodass eine höhere Syntheseeffizienz erreicht werden kann, aber der Grenznutzen der Anzahl von Beschichtungen wird schnell abnehmen. Eine zweidimensionale Strahlkombination kann durch die Verwendung von zwei identischen vereinfachten SMS erreicht werden.
zeigt die theoretische Syntheseeffizienz von drei Designs, die bis zu 40 Strahlen in einem einzigen SMS kombinieren
Abbildung 3 Kombinationseffizienz der drei simulierten SMS-Designs nach Optimierung (oben) theoretische Syntheseeffizienz unter idealen Bedingungen; (unten) Syntheseeffizienz bei 99.8% Reflexionsfläche
Während das Reflexionsvermögen jeder Beschichtung optimiert wird, kann auch die Anzahl der auf jede Schicht einfallenden Strahlen optimiert werden, aber dies hat wenig Einfluss auf die Gesamtsyntheseeffizienz. Der Autor untersuchte auch den Einfluss des Fehlers des Reflexionskoeffizienten auf die Syntheseeffizienz. Wie in Abbildung 4 gezeigt, ist die kombinierte Effizienz von 2 Strahlen nur etwa 25% niedriger, wenn der Reflektivitätsfehler innerhalb von 2% liegt, verglichen mit der idealen Situation, was völlig akzeptabel ist. Bei den obigen Simulationen wurde der Einfluss anderer Effekte auf die Syntheseeffizienz nicht berücksichtigt.
Schematische Darstellung des Einflusses des Beschichtungsreflexionsfehlers im Einzelbeschichtungs-SMS-Design
Abbildung 4 Schematische Darstellung des Einflusses des Reflexionsfehlers der Beschichtung im Einzelschicht-SMS-Design
Der Artikel diskutiert auch das Potenzial vereinfachter SMS in Strahlteilern. Beim Einsatz von SMS als Strahlteiler entspricht das optimierte Beschichtungsdesign der Designidee eines Strahlvereinigers, jedoch müssen einige zusätzliche Effekte berücksichtigt werden. Die Gleichmäßigkeit der optischen Aufteilung von SMS ist im Faser-CPA-Verstärkersystem sehr wichtig. Einige optische Prozesse werden durch die absolute Energie in jedem Kern beeinflusst, was wiederum die Gleichmäßigkeit und Syntheseeffizienz des verstärkten Strahls beeinflusst. Daher ist das Verhältnis der minimalen und maximalen Strahlleistung von SMS als Strahlteiler eine wichtige Referenz für den Einsatz als Strahlteiler.
Für den Fall einer 5-25-Strahlaufspaltung ist die Aufspaltungssituation des dreifach beschichteten SMS in Abbildung 5 dargestellt. Im ultraschnellen Faser-CPA-Verstärkungssystem wird aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung des Seedlichts die akkumulierte nichtlineare Phase (B-Integral ) ist während des Verstärkungsprozesses unterschiedlich, und in der Faser ist diese Änderung auf die hohe Spitzenleistung des Faserkerns und längere Weglängen zurückzuführen. Daher hängt der Einfluss der ungleichmäßigen Strahlteilung bei der vereinfachten SMS-Strahlteilung stark von den Parametern des Lichtwellenleitersystems ab.
Schematische Darstellung der Leistung des dreischichtigen vereinfachten Designs als Strahlteiler
Abbildung 5 Schematische Darstellung der Leistung des dreischichtigen vereinfachten Designs, das als Strahlteiler verwendet wird: (a) Wenn 5-25 Strahlen aufgeteilt werden, das Verhältnis der minimalen Ausgangsleistung zur maximalen Ausgangsleistung des dreischichtigen SMS; (b) 10 als Strahlteiler verwendet Histogramm der Ausgangsstrahlleistung einer Dreistrahlbeschichtung SMS
Zusammenfassend präsentiert dieses Papier eine numerische SMS-Analyse für das vereinfachte Design der kohärenten Strahlteilung und Strahlkombination. Da der Einfluss der Amplitudenfehlanpassung im kohärenten Kombinationsprozess relativ schwach ist, kann eine effektive Strahlkombination durch Reduzieren der Anzahl der Beschichtungen erreicht werden, was den Herstellungsprozess dieser Beschichtungen stark vereinfacht Optische Geräte.
