用于相干合成的合束分束集成器件

通過將多個超快光纖激光進行相干合成，可以克服單根光纖的功率限制。在這種相干合成裝置中，一般采用偏振分束器（PBS）用于合束（如圖1（a）所示），不過這種裝置復雜度較高，而且隨著合成通道數的增多，占用體積也會越來越大。德國耶拿課題組提出了分段反射率分束器（SMS）的合成辦法，如圖1（b）（c）所示。

圖1 （a）級聯合束系統示意圖 （b） SMS裝置示意圖，數值為分束面的反射系數，在輸入波束陣列功率均勻的情況下，可以實現振幅完全匹配。（c）整體SMS，即所有鍍膜都沉積在單個元件上 （d）將組合擴展為二維陣列，每個SMS鍍膜分布一致

SMS可以僅用一個或兩個光學元件制造。對于多個超快激光光束的合成，采用雙單元空氣間隔設計可使非線性效應和色散效應最小化，同時該裝置還可以拓展到二維合束，如圖1（d）所示。為了實現合束過程中完美的振幅匹配，必須在每個分束或合束節點使用特殊的鍍膜部分。但是對于每一束光，需要一個特定鍍膜的反射區，裝置還是較為復雜。由于相干合成中振幅誤差的影響相對于相位誤差的影響較小，耶拿課題組提出了一種可以共用鍍膜的簡化設計。

圖2 三種簡化SMS設計

如圖2所示，本文介紹了SMS的三種簡化設計策略。在每一種簡化設計中，第一束輸入光束通過全透鍍膜部分，而其余的N－1束入射光將入射到反射系數由優化算法確定的1個、2個或者3個鍍膜截面上。在假定完美相位匹配的情況下，以整體合成效率為目標優化函數，采用數值方法求解簡化的SMS設計參數。

圖3展示了三種設計在單個SMS中組合多達40個波束的理論合成效率。這些模擬假設了理想的HR和AR表面（實際情況可以通過調整參數來進行模擬）。隨著鍍膜數增多，優化的鍍膜截面可以更接近理想的振幅匹配情況，因此可以實現更高的合成效率，但是鍍膜數的邊際收益會迅速減少。使用兩個相同的簡化的SMS可以實現二維光束的合束。

圖3 優化后三種模擬SMS設計的組合效率（上）理想條件下的理論合成效率；（下） 99．8％反射率表面時合成效率

在對各鍍膜反射率進行優化的同時，也可以對入射到各個圖層的光束數量進行優化，但是這對總體合成效率影響并不大。作者還研究了反射系數的誤差對合成效率的影響。如圖4所示，當反射率的誤差在2％以內時，與理想情況相比，25束光束的合成效率僅低2％左右，完全可以接受。以上模擬中均沒有考慮其他效應對合成效率的影響。

圖4 單鍍膜SMS設計中鍍膜反射率誤差的影響示意圖

文章還討論了簡化的SMS在分束器方面的潛力。SMS用作分束器時優化的鍍膜設計與合束器時的設計思路是相同的，但是也要考慮一些額外效應。SMS光學分束的均勻性在光纖CPA放大器系統中非常重要，一些光學過程將受到每個纖芯中絕對能量的影響，進而反過來影響放大光束的均勻性和合成效率。因而SMS作為分束器輸出的最小和最大光束功率的比值是其作為分束器使用的一個重要參考。

對于5－25束分光的情況，三鍍膜SMS的分光情況如圖5所示。在超快光纖CPA放大系統中，由于種子光分布的不均勻，在放大過程中會導致積累的非線性相位（B積分）不同，且在光纖中，這種變化由于光纖纖芯的高峰值功率和較長的路徑長度而增強。因此，用簡化的SMS來分束產生非均勻光束分裂的影響，在很大程度上依賴于光纖系統的參數。

圖5三鍍膜簡化設計用作分束器的性能示意圖：（a） 5－25束分束時，三鍍膜SMS的最小輸出功率與最大輸出功率之比；（b）用作分束器的10束三鍍膜SMS輸出光束功率的直方圖

總之，本文提出了用于相干合成分束與合束的簡化設計的SMS數值分析。由于相干合成過程中振幅失配的影響相對較弱，因此可以通過減少鍍膜的數量來實現有效的光束合成，從而大大簡化了這些光學器件的制造過程。

往期精彩：

超快光纖激光技術之八：限制分脈沖放大（DPA）技術的多種因素

參考文獻：

［1］ Aleshire， Christopher， et al． ＂Simplified design of optical elements for filled－aperture coherent beam combination．＂ Optics Express 28．14 （2020）： 21035－21045．