第１期 ２０１０年ｏ３月 电光系统 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２０１０
光纤激光器相干合成技术及应用
李志国 ，尚卫东 ，张 兵 ，李晓芹。
１．中国人民解放军９１４０４部队
２．中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州４５００４７
摘要：光纤激光的相干合成技术是实现高功率高亮度固体激光系统的重要技术途径，它可以在提升光 纤激光系统总功率的词时，保持良好的光束质量，从而使输出激光的亮度大幅提高。本文阐述了基于 ＭＯＰＡ结构的光纤激光相干合成技术、相位检测控制技术，在此基础上，分析了光纤激光技术在军事中的
应用前景，重点研究了在机动平台光电防护系统以及空间攻防系统中的应用。 关键词：光电对抗；双包层光纤激光器；相干合成
中图分类号：ＴＮ２４８ 文献标识码：Ａ
Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ＬＩ Ｚｈｉ－ｇｕｏ ，ＳＨＡＮＧ Ｗｅｉ＜ｌｏｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｂｉｎｇ ，ＬＩ Ｘｉａｏ－ｑｉｎ
（１．ＵｎｉｔＳ ９１４０４ ｏｆ ＰＬＡ：
２．Ｔｈｅ ２７ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｅｋｃｔｒｏｎｉｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００４７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｏｌｉｄ ｌａｓｅｒ ｉｓ ｔｏ ｕｓｅ ｔｈｅ ｃｏ— ｈｅｒｅｎｔ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｐｒｅｓｅｒｖｅ ｇｏｏｄ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｈｉｌｅ ａｄｖａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｏｕｔ— ｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ－Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｓｔａｔｅ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｆｉｅｌｄ ｗｅｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｗｉｔｈ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｎ ｍｏｂｉｌｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｐ— ｔｉｃ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｕｎｔｅｒ－ｍｅａｓｕｒｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ａｔｔａｃｋ－ｄｅｆｅｎｓｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｏｐｔｉｃ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｕｎｔｅｒ；Ｄｏｕｂｌｅ－ｃｌａｄ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ；Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ
１ 引言
高功率激光器在激光火控系统、强激光杀伤、
激光反导、激光反卫等众多军事领域具有重要的应
用前景。虽然目前高能化学激光器、固体热容激光
器已实现武器量级的激光输出，但在成本、体积、转
换效率、热管理、光束质量等方面仍然达不到理想
的效果。小型化、高效率、高功率、高光束质量的固
体激光器，是当今军事激光领域的发展趋势。
光纤激光器作为一种新型激光器件，具有转
换效率高、激光阈值低、光束质量好等优点，且散
热面积大、体积小、寿命长，同常规体积庞大的化
学激光器和气体激光器相比，具有显著优势，已成
为高能激光武器的重要替代产品¨ 。近年来，以
双包层光纤为基础的包层泵浦技术的成熟，极大 地提高了光纤激光器的输出功率。目前，单根光
纤的输出功率可达到千瓦量级。然而由于受到掺
杂光纤的非线性效应、光学损伤及热损伤等物理
机制的限制，更大幅度地提高单个激光器的功率
相当困难。为达到更高的激光输出功率和近衍射
极限的光束质量，可采用的技术途径是利用光纤
激光器阵列，对输出激光束进行相干合成 ］。
采用相干合成体制，使用Ｎ台激光器，即可在远场
得到Ｎ 倍的激光功率密度，实现战术武器级的功
率输出。
２相干合成技术
光纤激光相干合成的基本原理是对多个中等
功率激光器施行一定的相干控制，从而得到高功
率的、光束质量接近衍射极限的单模激光输出。
作者简介：李志国（１９７７一），男，工程师，研究方向：光电对抗装备技术。
６ 电光系统 第１期
相干合成的基木条件需满足：①频率相同；②相位
差恒定；③振动方向一致或有方向一致的振动分
量。通过相干合成，Ｎ个光纤激光器的相干合成
可使总的激光功率提高Ｎ倍，但光强即峰值功率
可提高Ｎ 倍，光纤激光器相干合成的关键技术是
使各子光纤激光器同相位输出，目前己经发展了
多种可实现同相位输出的方法和技术 Ｊ。
２．１ 基于ＭＯＰＡ结构的相干合成技术
主振荡一功率放大（ＭＯＰＡ）结构是相干合成
最简单且最常用的一种方法，即使用一个主振荡
器作为源，把它分为多路光束，然后分别对各路
光束进行功率放大，每一束光路中加上一个调制
相移器，以分别控制各光束的相位，保证在光束
阵面口径上各光束相位一致，从而实现激光束相
控阵，即相干合成。目前已发展了较多的相位控
制或锁相技术，大致上可以归结为线性和非线性
相位控制技术两类。在线性技术中，主要有电光
调制、声光调制、液晶调制、空间光调制等相位控
制技术。而非线性光技术主要有相位共轭和受激
拉曼散射。如果对ＭＯＰＡ结构使用相位共轭技
术，由于是利用ＳＢＳ机制，有效的相位共轭要求在
ＳＢＳ介质中有足够的功率和较长的作用长度，这
种要求可能对阵元数量产生限制。ＭＯＰＡ加电光
调制实现相干合成，技术成熟可行。其构成如图１
所示。
图１相干合成结构图 ２．２相位检测与控制
由以上分析可知，相干合成的必要条件是对
Ｎ元激光器相位进行精确检测，获得各路与基准
光的相位差，通过相位控制器对相位差进行精确
的反馈控制，从而实现相干合成。常用的检测方 法为外差相位检测技术。外差探测是将待测信号
光和相干的单频本地参考光同时入射到探测器
上，信号光和参考光的频率不相等，从而在光电探
测器的光敏面发生光学差拍，转换出适合于检测
的中频信号。光学外差探测原理如图２所示。
图２外差探测原理图 设两束相干信号光的与参考光分别为：
Ｅｓ（ｔ）＝Ａｓ・ｓｉｎ（ ｓｔ＋ ｓ）
Ｅｏ（ｔ）＝Ａｓ・ｓｉｎ（ ０ｔ＋ ｏ）
则在光电混频器上输出的光电流为：
气＝Ｋ・（Ｅｓ＋Ｅｏ） ＝Ｋ・（ ＋ ＋２Ｅｓ Ｘ
Ｅｏ）： ．（Ａ；． ＋Ａｏ２×
二 垒 ± ＋Ａ。Ａ 。。 ［（∞ 一∞。） ＋（ 一
０）］一ＡｏＡｓＣＯＳ［（（￡，ｓ一∞ｏ）ｔ＋（∞ｓ＋（ｃ，ｏ）］
在上式中， 为探测器光电灵敏度，检测时直流项
可以通过滤波的方式滤除；在光电转换时，由于光
电探测器的响应时间有限，所以倍频项２ｔｏ ，２∞。
及和频项 ＋∞。是不能被探测器响应的，所以只
有当信号光和参考光的频率很接近，并且 一∞。
与探测器的响应带宽相匹配时，探测器可以接收
到差频项，即：
，＾ ＝Ｋ・Ａ０ＡｓＣＯＳ［２，ｒｒ（ｔＪ 一 ０）＋（ 。一 ０）］
所以，当参考光的振幅（Ａ０），频率（ ），相位
（ 。）不变的情况下，外差信号的相位（ 一 。）可
以表征信号光的相位（ ），即外差信号能够以时
序电信号的方式反映相干光的位相特性。
ＭＯＰＡ结构的光纤激光相干合成的相位检测
也是基于外差法，其实验光路图如图３所示。将
双包层掺镱光纤激光器的输出光分束为三束，其
中一路作为参考光，另外两束信号光通过ＰＺＴ相
位调制单元。通过控制电路对干涉光信号采样，
由光电二极管接收，转换成控制信号，由驱动电路
在ＰＺＴ相位控制单元与偏振控制器上施加相应控
制电压，使各信号光相对于参考光之间相位及偏
振态一致，实现三束相干激光束的锁相输出。
总第１３１期 李志国，等：光纤激光器相干合成技术及应用 ７
图３ 相干合成相位控制试验光路图
３光纤激光技术在军事中的应用
光纤激光技术以其高的转换效率、优良的光
束质量，紧凑可靠的结构等独特的优势，在国防军
事领域中具有广阔的应用前景。如在激光测距、
激光目标指示器、激光制导、光电对抗、激光有源
干扰、激光雷达等方面都有重要应用；在海军装备
中，高能光纤激光器可应用在对潜通信探测、探
雷、测深、水下传感装置以及对抗反舰导弹的高能 激光武器等。下面重点分析光纤激光技术在机动
平台光电防护系统以及空间攻防中的应用。
３．Ｉ 光纤激光技术在机动平台光电防护系统中
的应用分析
采用光纤激光体制构成的机动平台光电防护
系统相对于其他种类的大功率激光对抗系统来
说，具有很多突出的优点。光纤激光器结构简单、
体积小、重量轻、性能稳定、可靠性好，对灰尘、震
荡、冲击、湿度、温度等恶劣的工作环境具有很高
的容忍度。以掺杂稀土离子的光纤作为增益介
质，可通过高浓度掺杂和增加增益光纤长度降低
激光阈值，提高系统转换效率。此外，由于掺杂光
纤的表面积体积比很大，其散热性能好，不需要特
殊制冷，可有效避免传统固体激光器中存在的热
透镜效应等因素的影响。
光纤激光器的这些独特的优势可有效实现光
电防护系统的小型化，从而实现光纤激光对抗系
统的高精度、快速反应，同时跟踪动态性加强，有
利于打击快速运动目标。此外，系统可采用模块
化设计，可根据打击目标和应用平台的需要，合理
选择组成系统的单元激光器的元数，整个系统的
机动性和生存能力可显著增强。基于光纤激光技 术的机动平台光电防护系统主要由大功率光纤激
光器、激光光束控制及发射单元、系统指挥控制单
元、精密跟踪控制单元等部分组成，并可辅之以激
光主动探测和打击效果评估单元等，其组成如图４
所示。由光纤激光体制构成的机动随队光电防护
系统将完成如下的作战任务和使命：（１）低空突防
或弹道导弹、飞机等快速目标的光电传感器的致
盲压制；（２）快速多目标攻击；（３）快速移动转场
作战能力。
图４基于光纤激光器的光电防护系统组成框图
３．２光纤激光技术在空间攻防中的应用
随着空间技术的迅猛发展，空间在现代战争
中的作用越来越明显，对战局的发展甚至战争的
结果都发挥着越来越重要的作用。而卫星以其独
特的优势在侦察、监视、导航、通信等领域发挥重
要作用。若能研制一种快速高效对抗武器，则将
极大提高我军的空间攻防能力。
目前，对卫星及其他航天器的攻击主要体现
在破坏太阳能电池、保温材料、星体结构材料、光
学玻璃以及探测器等。太阳能电池供电是卫星的
主要供电方式，当太阳能电池供电能力下降或者
损毁，将会严重影响卫星正常运行；破坏星体保温
材料，或改变星体内部温度，可使卫星内部电路部
分或永久丧失功能；卫星表面大量采用铝合金等
金属材料或非金属材料，这些材料起到卫星本体
支撑或信号传输作用，这些材料失效或断裂，同样
使卫星本体造成损伤，导致卫星功能失效。
资料表明 ，激光对太阳能电池的损伤阈值
为２５．５ ｋＷ／ｃｍ ，激光对太阳能电池供电能力造成
影响的阈值为２ Ｗ／ｃｍ ，激光对保温层材料的破坏
阈值为２．６４ ｋＷ／ｃｍ ，对星体材料造成破坏的阈值
为２～２０ ｋＪ／ｃｍ 对功率为几十ｋＷ的激光器，若造
成太阳能电池损伤，连续工作时间上需要１００ ｓ左
右的时间，要扩大损伤效果，把激光束的聚光点在
太阳能电池的表面和电池电极的连线方向缓慢移
（下转第３８页）