光纤激光相控阵相干合成技术研究进展

主要介绍了近年来光纤激光相控阵相干合成技术的发展现状,总结了中国科学院光电技术研究所在这方面的最新研究成果,包括基于振幅调制的光纤激光相控阵相干合成能力优化、光纤激光相控阵实现收发一体相干合成、光纤激光相控阵的目标在回路相干合成、光纤激光相控阵在大气湍流下实现耦合接收光束的共相合束、基于多孔径波前探测的相干合成方法、基于自适应光纤准直器和微透镜阵列的光束大角度高精度连续寻址扫描等。以上研究工作将促进光纤激光相控阵技术朝向更多单元、更高功率、更远距离等方向演进,并推动其与激光大气传输、空间激光通信、自适应光学等理论和应用的结合与发展。     

高能固体激光系统设计及性能评估

近年来高能固体激光器研究及小型电源技术取得了很大的进展,使得利用电源提供能量的高能激光器在近期的应用成为可望实现的目标.但由于高能激光系统设计复杂,且造价高,需要在激光系统设计制造之前对系统性价比进行优化,并对系统性能进行评估.其中选择激光器主要考虑激光波长位于大气窗口,使得经大气传输后激光能量衰减尽可能小;光学系统设计主要考虑物理光学效应的限制及增加自适应光学系统对大气效应引起的光束畸变进行校正.大气传输与补偿模拟程序可对包括高能激光系统、激光大气传输效应等进行全程数值模拟,从而可在高能激光系统设计制造之前对系统性能进行评估,或对现有高能激光系统性能及其对靶目标的损伤效果进行评估.     

大功率光纤激光大气传输特性的研究

影响激光传输效果的主要因素包括大气分子和气溶胶粒子吸收以及由散射造成的衰减效应、大气湍流引起的湍流效应和强激光加热空气造成的热晕效应。针对光纤激光的大气传输进行了研究,研究了在1080nm特定波长的光纤激光大气传输过程中的大气湍流、热晕效应、湍流热晕相互作用对光纤激光远场功率密度的影响。     

人造信标自适应光学系统中的非等晕性

推导了人造信标自适应光学系统对激光大气传输湍流效应进行位相补偿时信标光与主激光间的剩余位相结构函数，讨论了人造信标自适应光学系统中的非等晕性—聚焦非等晕性。     

高能激光准直传输远场斯特雷尔比与数值验证

利用扩展惠更斯-菲涅耳原理对高能激光在大气中的传输进行了分析,获得了高能激光准直传输轴上及峰值斯特雷尔比的积分表达式,并使用激光大气传输四维仿真程序对该表达式的适用范围进行了分析及数值模拟验证。结果表明,积分表达式可以很好地适用于无自适应光学系统补偿时的高能激光湍流热晕传输问题,可以用于自适应光学系统补偿时弱热晕条件下的湍流热晕角非等晕问题和弱热晕及中等热晕条件下的湍流热晕聚焦非等晕问题。     

自适应光学闭环系统实时多路自适应控制算法EI北大核心CSCD

分析和介绍了自适应光学闭环系统中一种实用的实时多路自适应控制算法。该多路自适应控制算法综合考虑了大气湍流扰动以及自适应光学系统时间延迟对系统控制效果的影响,其各个控制回路的控制参数能根据外界扰动的变化进行实时的迭代调整,从而使系统始终工作在最优控制状态。利用61单元自适应光学系统上模拟的大气湍流扰动信号,实现了对变形镜各路控制电压进行闭环优化控制的多路自适应控制算法,并对该算法的收敛性、控制效果、控制带宽进行了仿真研究和分析。仿真结果表明,同经典比例积分控制算法相比,多路自适应控制算法具有更强的自适应性,可以更有效地减少外界扰动对自适应光学系统校正效果的影响,提高自适应光学系统的闭环控制带宽,改善控制特性。     

自适应光学系统的数值模型

本文讨论了有限单元变形镜自适应光学系统的数值模型及其算法，建立了一个反映自适应光学系统各组成部分的数值模拟程序，并利用这个程序对激光大气传输湍流效应的位相补偿进行了数值模拟，其中包括大气相干长度，非等晕性及自适应光学系统的有限响应带宽对补偿效率的影响。     

激光实际大气水平传输湍流畸变波前的功率谱分析Ⅱ: 波前相位与格林伍德频率

分析了整体倾斜像差去除前后大气湍流畸变波前相位的功率谱。 在激光实际大气水平传输实验中, 利用61单元自适应光学系统的哈特曼波前传感器, 测量和分析了大气湍流畸变波前相位的功率谱。 还建立了一种根据实际测量的波前相位功率谱数据估测自适应光学系统变形镜需要控制带宽大小和大气湍流格林伍德(Greenwood)频率的方法。     

激光实际大气水平传输湍流畸变波前的功率谱分析II:波前相位与格林伍德频率

分析了整体倾斜像差去除前后大气湍流畸变波前相位的功率谱。在激光实际大气水平传输实验中 ,利用 6 1单元自适应光学系统的哈特曼波前传感器 ,测量和分析了大气湍流畸变波前相位的功率谱。还建立了一种根据实际测量的波前相位功率谱数据估测自适应光学系统变形镜需要控制带宽大小和大气湍流格林伍德 (Greenwood)频率的方法。     

自适应光学系统倾斜校正回路的最优闭环带宽

基于实际自适应光学系统倾斜校正回路最常使用的比例积分控制器,分析了最优闭环带宽与大气湍流、测量噪声之间的关系.利用满足Kolmogorov湍流整体倾斜功率谱密度的时间序列进行了相关的数值仿真.结果表明,根据不同湍流强度及测量噪声选择合适的闭环带宽,可以充分发挥自适应光学系统倾斜校正回路的闭环校正能力,减小闭环残差.     

Target-in-the-loop high-power adaptive phase-locked fiber laser array using single-frequency dithering technique

We present a theoretical and experimental study of a target-in-the-loop (TIL) high-power adaptive phase-locked fiber laser array. The system configuration of the TIL adaptive phase-locked fiber laser array is introduced, and the fundamental theory for TIL based on the single-dithering technique is deduced for the first time. Two 10-W-level high-power fiber amplifiers are set up and adaptive phase locking of the two fiber amplifiers is accomplished successfully by implementing a single-dithering algorithm on a signal processor. The experimental results demonstrate that the optical phase noise for each beam channel can be effectively compensated by the TIL adaptive optics system under high-power applications and the fringe contrast on a remotely located extended target is advanced from 12% to 74% for the two 10-W-level fiber amplifiers.     

基于目标在回路的三路光纤传输激光相干合成实验

实验验证了一种利用目标回光在远场实现相干合成的技术——目标在回路技术.建立了目标在回路相干合成的物理模型,利用可同时调整光程和光束倾斜的自适应光纤光源准直器,同时补偿合成光束间的平移和倾斜相差,实现了基于目标在回路的三路光纤传输激光间相干合成,获得了接近理想情况的合成效果.文章为在实际大气环境中实现多路相干组束的长距离传输提供了参考.     

多单元光纤激光阵列的倾斜控制实验研究

本文结合光纤激光阵列技术的发展趋势,介绍一种基于大模场面积光纤的自适应光纤光源准直器的研制进展,搭建七单元光纤激光阵列,进行平行发射体系下阵列间的倾斜控制实验,并初步探索了基于目标在回路的共形发射体系下阵列间的倾斜控制.最后,在三级全光纤放大链路的主振荡-功率放大系统中,完成了两路10W量级光纤激光阵列的倾斜控制及锁相.为在实际大气环境下应用光纤激光阵列技术提供了参考.     

Modal correction for fiber-coupling efficiency in free-space optical communication systems through atmospheric turbulence

High-speed free-space optical communication systems have recently used fiber-optical components. The coupling efficiency with which the received laser beam can be coupled into a single-mode fiber is noticeably limited by atmospheric turbulence due to the degradation of its spatial coherence. Fortunately, adaptive optics (AO) can alleviate this limitation by partially correcting the turbulence-distorted wavefront. The coupling efficiency improvement provided by Zernike modal AO correction is numerically evaluated. It is found that the first 3-20 corrected polynomials can considerably improve the fiber-coupling efficiency. The improvement brought by AO is compared with that brought by a coherent fiber array. Finally, a hybrid technique that integrates AO and a coherent fiber array is proposed. Results show that the hybrid technique outperforms each of the two above-mentioned techniques.     

自由空间宽谱部分相干光通信系统

大气湍流对自由空间光通信系统所造成的影响是不可忽略的，为了减弱湍流对空间光通信系统带来的影响，实验搭建了一套通信距离为900 m的真实大气信道宽谱部分相干光通信系统。系统采用皮秒脉冲泵浦高非线性光纤产生超连续谱并滤波得到部分相干宽谱脉冲，对其调制后完成通信。在测试过程中，实验专门设置了一条参考链路，保证了测试环境的一致性。实验结果表明，在中等湍流条件下，系统光强闪烁指数为0.035 8，相比窄线宽通信系统提升了23%，最低探测灵敏度达到了-23.35 dBm，相比窄线宽通信系统提升了42%。与窄线宽激光通信系统相比，宽谱部分相干光通信系统可以明显降低湍流引起的光功率抖动，并提升自由空间光通信系统通信性能。     

高能固态激光阵列光束合成技术浅析

建立了高能固态激光阵列合成的模型,对相干合成型和非相干合成型的高能固态激光系统进行了分析和比较.引入光束传输因子(BPF)作为评价合成光束的光束质量,对湍流大气对板条激光器和光纤激光器相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行了定量分析.计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考.     

光纤非相干合成光束在湍流大气中的传输实验研究

进行了六路100 W量级光纤非相干合成光束在实际大气湍流中的传输实验,将六路光斑直径为9 mm的单模光纤光束分别扩束,扩束后的光斑直径为90 mm。基于倾斜镜的合束系统来控制各路光束的指向,在不同强度的湍流条件中,通过主镜口径为440 mm的发射系统水平聚焦传输至470 m处。倾斜控制系统闭环工作时,一倍衍射极限内的桶中功率占目标处总功率的比值是开环工作时的1.7倍左右,随着大气湍流的强度变弱,此比值变大。     

基于自适应桶中功率评价函数的光纤放大器相干合成实验研究

光纤激光光束合成技术被公认为是实现高亮度、高光束质量激光束的优秀方法, 而激光阵列间的倾斜像差是影响合成效果的重要因素. 针对当前光束合成中存在的倾斜校正量受限问题, 提出了基于自适应桶中功率(PIB)评价函数的倾斜控制策略. 搭建了两路2 W光纤放大器的相干合成实验平台, 利用自制的压电环光纤相位调制器和自适应光纤准直器分别实现锁相和倾斜像差校正, 验证了基于自适应PIB的倾斜控制策略的可行性, 并实现了相干合成. 关键词： 光纤激光阵列 倾斜控制 自适应桶中功率 相干合成     

Experimental demonstration of coherent beam combining over a 7 km propagation path

We demonstrate coherent combining (phase locking) of seven laser beams emerging from an adaptive fiber-collimator array over a 7 km atmospheric propagation path using a target-in-the-loop (TIL) setting. Adaptive control of the piston and the tip and tilt wavefront phase at each fiber-collimator subaperture resulted in automatic focusing of the combined beam onto an unresolved retroreflector target (corner cube) with precompensation of quasi-static and atmospheric turbulence-induced phase aberrations. Both phase locking (piston) and tip-tilt control were performed by maximizing the target-return optical power using iterative stochastic parallel gradient descent (SPGD) techniques. The performance of TIL coherent beam combining and atmospheric mitigation was significantly increased by using an SPGD control variation that accounts for the round-trip propagation delay (delayed SPGD).