SPGD算法在光纤激光相干阵列光束控制中的应用

主动相位控制的光纤激光阵列相干合成在提高输出功率的同时能够保证良好的光束质量,其关键技术在于光纤激光相干阵列的锁相控制。基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的锁相控制方案不仅具有控制策略简单、系统结构紧凑的优点,而且通过算法性能评价函数和迭代参数的选取,能够对光纤激光相干阵列进行多种锁相控制,从而得到各种形式的阵列合成光束输出,实现与自适应光子锁相元件整列(APPLE)系统阵列的有效契合。理论研究并实验实现了基于SPGD算法的相位控制方案的同相相干合成锁相控制、合成光束主极大偏转控制和空心光束产生等功能,验证了基于SPGD算法的全电光束控制在各种形态光束控制中的可行性。     

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     

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。     

线阵光纤激光相干合成控制器的设计

针对线阵光纤激光相干合成系统中对合成光束的质量、控制速度、控制精度的需求，完成了线阵光纤激光相干合成控制器的设计。该控制器以DSP2812和CPLD为核心处理器，通过AD976A模/数转换器接收光电探测器的电压信号，AD8544数/模转换器输出模拟电压控制压电陶瓷相位控制器，进而控制激光的相位变化。为了实现控制器与目标图像检测板和上位机的通信，设计了两路串口通信接口，并编写了相关测试程序，最终在线阵光纤激光相干合成系统中完成了四路1 064 nm激光的相干合成、扫描、跟踪实验。实验结果表明，该控制器搭载随机并行梯度下降（SPGD）算法，在光电探测器的配合下能够实现光纤激光锁相，控制主瓣能量变化优于±5%，锁相后主瓣能够完成±λ的扫描，扫描频率约为25 Hz，同时结合目标图像检测板完成了目标跟踪实验，实现激光相干合成条纹的目标跟踪。     

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.     

全光纤激光阵列主动相位控制技术研究进展

全光纤激光阵列主动相位控制利用全光纤网络实现阵列激光的活塞相位内部探测与控制,具有结构紧凑、无需外部反馈光学器件和易于扩展等优点,是大阵元规模光纤激光相干合成重要发展方向之一。采用全光纤相位探测结构,介绍了全光纤激光阵列主动相位控制技术的系统原理和利用光纤耦合器实现相位锁定的过程,总结了全光纤激光阵列主动相位控制关键技术,通过优化算法实现全光纤激光阵列主动相位控制验证实验。探讨了在全光纤结构主动相位控制中π相位模糊问题及解决方法,给出了利用双波长探测实现消除π相位模糊问题的仿真结果。最后梳理了全光纤激光阵列主动相位控制研究现状,并从路数扩展、功率提升和应用等方面进行了展望。     

相干激光阵列的逆达曼光栅合束孔径装填实验研究

提出一种相干激光阵列合束孔径装填的新方法,采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合束装填为远场单一主瓣的光束,给出了相应设计方案,并进行了模拟相干激光阵列合束孔径装填的原理性演示实验。实验结果表明,这是一种实现高功率和高亮度激光的有效技术方案。逆达曼光栅用于相干阵列激光合束是基于远场衍射原理,阵列面和光栅面为严格的傅里叶变换关系,具有原理简单、性能稳定可靠的特点,能够控制输出光束尺寸及其远场光束宽度,对于发展紧凑型、轻量化和高光束质量的高功率激光器系统具有重要意义。     

环形腔被动锁相一维三路光纤激光相干组束研究

对基于环形腔光反馈的光纤激光被动锁相技术进行了理论和实验研究。建立了一维三路光纤激光阵列的相干组束实验装置,实现了三束光纤激光的相位锁定,观测到稳定的干涉图样。研究了光束占空比对远场光斑的影响,分析了影响腔内损耗的主要因素。观测到相干耦合输出光谱中所存在的多波长峰值随机出现的现象,通过采用窄带宽滤光片,可以限制相干耦合输出的光谱范围,但上述现象仍然存在。从理论上对被动锁相技术中所存在的这种波长随机现象进行了分析和解释。     

二维激光阵列逆达曼光栅相干合束理论研究

采用逆达曼光栅及相位补偿原理将多束锁相相干的阵列激光合成为远场单一主瓣光束是一种实现高功率和高亮度相干合束的技术方案.以5×5和32×32二维相干激光阵列为例进行了理论模拟分析,同时分析了逆达曼光栅相干合束实验中相位板相位误差、逆达曼光栅对准误差和放置角度误差对合束效率的影响.理论分析及数值模拟计算结果表明,逆达曼光栅...     

多孔径激光阵列光束排布模式及误差对相干合成效率影响的研究

多孔径激光阵列相干合束是获得高功率、高亮度激光束的有效方法。为了设计更有效的多孔径激光阵列相干合成系统,主要分析了三光束"品"字形、七光束六角形、十九光束大六角等工程应用中的典型激光阵列排布模式对合成功率的影响,并基于MATLAB模拟了不同阵列排布情况下的激光相干合成情况,讨论光束排列的位置误差、发射光束光轴角度偏移误差以及各个相干合成阵列激光器之间的活塞相位误差对合成效率的影响。结果表明,不同的激光阵排布在观察位置处的光强分布差别很大;各光束之间的角度偏差越小,初始相位差越小,相干合成的效率越高。这些结果将对于指导设计多孔径激光阵列相干合成系统有重要意义。     

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.     

32路光纤激光相干阵列的相位锁定

报道了32路光纤激光相干阵列的相位锁定实验研究。搭建了32路光纤激光相干阵列实验系统,基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)设计制作了高速高精度相位控制器。当相位控制器执行随机并行梯度下降(SPGD)算法对各路激光的相位进行锁定时,相干阵列输出的激光功率与不进行相位锁定时相比提高了约26倍。     

光纤激光相干合成高速高精度相位控制器

基于随机并行梯度下降算法（SPGD）和现场可编程逻辑阵列（FPGA）设计制作了相干合成（CBC）相位控制器。理论分析表明,该控制器单次迭代速率大于1.125 MHz,对于2路和16路相干合成,其平均控制带宽的理论值分别大于70 kHz和9 kHz,与现有的SPGD算法相位控制器相比有了量级上的提高。利用该控制器进行了验证性实验,表明该控制器能够实现高速高精度相位控制。当利用相位控制器对两路激光的相位进行锁定时,目标圆孔内能量提高了1.51倍,远场光斑对比度提高了5.29倍。     

Experimental study of cophasing dynamics in passive coherent combining of fiber lasers

We have used a two-channel fiber laser array for the study of cophasing dynamics in a passively locked laser array for coherent combining. Starting from an in-phase laser emission, the array was unbalanced by a short phase perturbation introduced on one arm. The dynamics for recovery of phase locking and recovery of initial power of the laser array have been characterized. Cophasing was found to be quickly restored, in a few cavity rounds, before the gain dynamics brought back the steady-state power.     

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.     

Phase locking of short-pulse Q-switched lasers

The effects of frequency mismatch on phase locking of two passively Q-switched lasers have been studied. Stable phase locking with a high degree of spatial coherence can be obtained for frequency mismatches that are less than the spectral linewidth of the laser pulses. As the frequency mismatch increases, the transition from the phase locked to the unlocked states is characterized by a gradual loss of coincidence of the pulses from the individual elements and a reduction in the fringe contrast in the combined laser beam. An explanation for observed phenomena based on the dynamics of the transverse modes of the laser array is provided.     

基于空间滤波的光纤激光被动相位锁定技术研究

基于空间滤波的被动相位锁定,对掺Yb光纤激光阵列的相干组束进行了理论和实验研究.分析了基于空间滤波光反馈相位锁定的原理,研究了远场相干光斑Strehl比与激光波长及光谱带宽的关系.建立了二维四路掺Yb光纤放大器阵列的被动相位锁定实验系统,实现了稳定的相干耦合激光输出,远场光斑Strehl比为0.77.测得输出激光光谱中单个纵模的带宽约为9.1 GHz,与理论计算符合较好. 关键词： 光纤激光 相干合成 环形腔     

Determine locking range of coherently combined fiber lasers joined by fiber couplers

When the wavelength difference of two fiber lasers, sharing a common reflection mirror with the aid of an optical coupler, is tuned to fall into a certain range, the array lasers can be locked to generate coherent radiation with a wavelength somewhere between the two constituent field wavelengths. Based on the fact that the laser should oscillate at the wavelength with the lowest losses and the band widths of the reflection curves of the laser tuning elements are finite, the locking range of the laser array has been quantified. For the tuning element (i.e., fiber gratings) selected in this work, the calculations show that the locking range is mainly dependent on the coupling coefficients of the gratings which ever is smaller.     

注入锁定改善大口径稳定腔CuBr激光器的输出特性

报道了在稳定腔中采用注入锁定技术，钭自锁模ＣｕＢｒ激光脉冲成功地进行了注入锁定放大，得到了高平均功率的锁模铜激光脉冲，并且通过这种注入锁定，首次在稳定腔中得到了在２０ｍｍ光斑内空间高度相干的高功率铜激光辐射。