En combinant de manière cohérente plusieurs ultrarapides fibre lasers, la limitation de puissance d'un fibre simple peut être surmonté. Dans ce type de dispositif de combinaison cohérente, un séparateur de faisceau de polarisation (PBS) est généralement utilisé pour la combinaison de faisceaux (comme le montre la figure 1 (a)), mais ce type de dispositif est plus complexe et, à mesure que le nombre de canaux combinés augmente, Le volume occupé deviendra de plus en plus grand. Le groupe de recherche Jena en Allemagne a proposé une méthode de combinaison du séparateur de faisceau à réflectance segmentée (SMS), comme le montre la figure 1(b)(c).
Schéma de principe du système de poutres combinées
Figure 1 (a) Schéma de principe du système de faisceaux combinés (b) Schéma de principe du dispositif SMS. La valeur est le coefficient de réflexion de la surface de séparation du faisceau. Lorsque la puissance du réseau de faisceaux d'entrée est uniforme, l'amplitude peut être complètement adaptée. (C) SMS global, c'est-à-dire que tous les revêtements sont déposés sur un seul élément (d) Développez la combinaison en un réseau bidimensionnel, et chaque SMS a la même distribution de revêtement
SMS peut être fabriqué avec seulement un ou deux éléments optiques. Pour la synthèse de plusieurs faisceaux laser ultrarapides, la conception d'espacement d'air à deux unités peut minimiser l'effet non linéaire et l'effet de dispersion, et le dispositif peut également être étendu à une combinaison de faisceaux bidimensionnels, comme le montre la figure 1 (d). Afin d'obtenir une correspondance d'amplitude parfaite dans le processus de combinaison de faisceaux, une pièce de revêtement spéciale doit être utilisée à chaque nœud de division ou de combinaison de faisceau. Cependant, pour chaque faisceau lumineux, une zone de réflexion avec un revêtement spécifique est nécessaire, et le dispositif est encore plus compliqué. Étant donné que l'influence de l'erreur d'amplitude dans la synthèse cohérente est inférieure à celle de l'erreur de phase, le groupe de recherche Jena a proposé une conception simplifiée qui peut partager le revêtement.
Trois conceptions SMS simplifiées
Figure 2 Trois conceptions SMS simplifiées
Comme le montre la figure 2, cet article présente trois stratégies de conception simplifiées pour SMS. Dans chaque conception simplifiée, le premier faisceau d'entrée traverse la partie de revêtement entièrement transparente, tandis que les N-1 faisceaux de lumière incidente restants seront incidents sur 1, 2 ou 3 sections de revêtement dont les coefficients de réflexion sont déterminés par l'algorithme d'optimisation. Sous l'hypothèse d'un accord de phase parfait, l'efficacité globale de la synthèse est considérée comme la fonction d'optimisation objective, et des méthodes numériques sont utilisées pour résoudre les paramètres de conception SMS simplifiés.
La figure 3 montre l'efficacité de synthèse théorique de trois conceptions combinant jusqu'à 40 faisceaux dans un seul SMS. Ces simulations supposent des surfaces HR et AR idéales (la situation réelle peut être simulée en ajustant les paramètres). Au fur et à mesure que le nombre de revêtements augmente, la section transversale de revêtement optimisée peut être plus proche de la situation d'adaptation d'amplitude idéale, ce qui permet d'obtenir une efficacité de synthèse plus élevée, mais le bénéfice marginal du nombre de revêtements diminuera rapidement. La combinaison de faisceaux bidimensionnels peut être obtenue en utilisant deux SMS simplifiés identiques.
montre l'efficacité de synthèse théorique de trois conceptions combinant jusqu'à 40 faisceaux dans un seul SMS
Figure 3 Efficacité de la combinaison des trois conceptions SMS simulées après optimisation (en haut) efficacité de la synthèse théorique dans des conditions idéales ; (en bas) efficacité de synthèse à une surface de réflectivité de 99.8 %
Tout en optimisant la réflectivité de chaque revêtement, le nombre de faisceaux incidents sur chaque couche peut également être optimisé, mais cela a peu d'effet sur l'efficacité globale de la synthèse. L'auteur a également étudié l'influence de l'erreur du coefficient de réflexion sur l'efficacité de la synthèse. Comme le montre la figure 4, lorsque l'erreur de réflectivité est inférieure à 2 %, par rapport à la situation idéale, l'efficacité combinée de 25 faisceaux n'est inférieure que d'environ 2 %, ce qui est tout à fait acceptable. Les simulations ci-dessus n'ont pas pris en compte l'influence d'autres effets sur l'efficacité de la synthèse.
Diagramme schématique de l'influence de l'erreur de réflectivité du revêtement dans la conception SMS à revêtement unique
Figure 4 Diagramme schématique de l'influence de l'erreur de réflectivité du revêtement dans la conception SMS à revêtement unique
L'article traite également du potentiel du SMS simplifié dans les séparateurs de faisceau. Lorsque SMS est utilisé comme séparateur de faisceau, la conception de revêtement optimisée est la même que l'idée de conception d'un combineur de faisceau, mais certains effets supplémentaires doivent être pris en compte. L'uniformité de la division optique SMS est très importante dans le système d'amplificateur à fibre CPA. Certains processus optiques seront affectés par l'énergie absolue dans chaque noyau, qui à son tour affecte l'uniformité et l'efficacité de synthèse du faisceau amplifié. Par conséquent, le rapport entre la puissance de faisceau minimale et maximale produite par SMS en tant que séparateur de faisceau est une référence importante pour son utilisation en tant que séparateur de faisceau.
Pour le cas de la division du faisceau 5-25, la situation de division du SMS à trois couches est illustrée à la figure 5. Dans le système d'amplification CPA à fibre ultrarapide, en raison de la distribution inégale de la lumière d'ensemencement, la phase non linéaire accumulée (intégrale B ) est différent pendant le processus d'amplification, et dans la fibre, ce changement est dû à la puissance de crête élevée du cœur de la fibre et à des longueurs de trajet plus longues. Par conséquent, l'influence d'une séparation de faisceau non uniforme avec une séparation de faisceau SMS simplifiée dépend dans une large mesure des paramètres du système de fibre optique.
Diagramme schématique des performances de la conception simplifiée à trois couches utilisée comme séparateur de faisceau
Figure 5 Diagramme schématique des performances de la conception simplifiée à trois couches utilisée comme diviseur de faisceau : (a) Lorsque 5 à 25 faisceaux sont divisés, le rapport entre la puissance de sortie minimale et la puissance de sortie maximale du SMS à trois couches ; (b) 10 utilisé comme séparateur de faisceau Histogramme de la puissance du faisceau de sortie du SMS de revêtement à trois faisceaux
En résumé, cet article présente une analyse numérique SMS pour la conception simplifiée de la séparation et de la combinaison de faisceaux cohérents. Étant donné que l'impact de la non-concordance d'amplitude dans le processus de combinaison cohérente est relativement faible, une combinaison de faisceau efficace peut être obtenue en réduisant le nombre de revêtements, ce qui simplifie grandement le processus de fabrication de ces appareils optiques.
