倾斜相差对光纤激光相干合成的影响与模拟校正

选取不同路数和不同填充因子的合成光束模型,模拟并分析了倾斜相差对相干合成的影响.介绍了倾斜校正的关键器件--自适应光纤光源准直器.在主振荡功率放大器结构的光纤激光相干合成系统中,模拟了随机并行梯度下降(SPGD)算法校正七路激光阵列间时变倾斜相差的动态过程,分析了不同倾斜相差幅值和频率对校正能力的影响.实验表明,要提高相干合成的效果,必须校正倾斜相差;而SPGD算法校正倾斜相差的能力随着倾斜相差幅值和频率的增加而降低.文章为在实际大气环境中实现多路高功率光纤激光的相干合成提供了参考. 关键词： 光纤激光 相干合成 倾斜相位差 动态分析     

随机并行梯度下降算法用于光纤激光相干合成的理论与实验研究

介绍了随机并行梯度下降(SPGD)算法用于相干合成的基本理论,利用数值模拟的方法对实际相干合成实验中涉及到的算法评价函数、扰动电压分布等参数进行优化选取,确定了实验中应选择的最佳评价函数、扰动电压分布和扰动方式.利用数字信号处理器(DSP)执行SPGD算法,实时控制各路光束的相位,实现了三路瓦量级保偏光纤放大器输出光束的相干合成.实验结果表明,SPGD算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将合成光束目标圆孔内的能量提高了2.62倍,合成效率达到了理想情形的87%,远场光斑对比度为85%.     

基于随机并行梯度下降算法光纤激光相干合成的高精度相位控制系统

随机并行梯度下降(SPGD)算法是实现大功率主振荡功率放大器相干合成的有效手段之一.分析了SPGD算法用于相干合成的基本原理,设计了基于SPGD算法的相位控制系统,给出了基于该SPGD控制器的相干合成实验结果.理论分析表明,SPGD算法控制器的迭代速率为200kHz,对于两路相干合成的平均控制带宽大于12.5kHz,最优控制精度可达1/179个波长.实验表明,SPGD控制器能够实现高速的相位控制.在相位噪声幅度大于1/10个波长、频率为3kHz的情况下,有效地实现了两路激光的相位锁定,相位残差控制在1/25个波长内.     

相干合成中多抖动相位锁定算法

分析了多抖动算法的工作原理,通过波动光学原理以2-11路相干合成系统作为数学模型进行仿真模拟,引入了动态噪声模型,以总合成光束的均方根相位误差作为评价函数,分析了不同阵列规模下的相干合成系统中噪声频率以及噪声振幅对系统相位锁定效果的影响,当噪声频率或噪声振幅过大,超出算法补偿相位噪声的能力时,便会锁相失败。证明了增益系数与调制振幅存在一个最优区间且只有处于该区间内时,才能快速完成锁相。引入有效控制带宽概念,用以直观评价多抖动算法的锁相性能,研究表明,有效控制带宽与采样频率、第一路调制频率成正比例,与噪声振幅成反比例,且随着阵列规模增大,有效控制带宽降低。     

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。     

基于光斑二阶矩的阵列光束倾斜相差自适应控制方法

针对阵列光束相干合成中存在的倾斜相差大的问题,提出了基于合成光束远场光斑二阶矩的阵列光束倾斜相差自适应控制方法。以合成光束远场光斑二阶矩作为评价函数,理论上模拟了采用随机并行梯度下降算法实现7路光束的倾斜闭环控制过程。实验上搭建了7路光纤激光相干合成系统,利用自适应光纤准直器对倾斜相差进行校正。以合成光束远场光斑的二阶矩作为评价函数,采用随机并行梯度下降算法,实现了7路光束的倾斜的闭环控制,合成光束模拟远场光斑的桶中功率由0.05 V提升至1.95 V。实验中将倾斜扰动的增益系数变为与二阶矩相关的函数,实现了自适应变增益系数的倾斜闭环,在一定程度上提升了倾斜控制的带宽。从理论上和实验上验证了基于光斑二阶矩的倾斜相差自适应控制方法在光束合成及合成孔径探测领域应用的可行性。     

激光相干合成系统中SPGD算法的自适应优化

激光相干合成技术是目前最常用的实现高功率激光输出的方式,各路光束间的相位不一致是影响相干合成效果的重要因素。研究了用于控制相位的SPGD算法,探讨了SPGD算法的参数优化方法,提出了一种自适应增益策略,并通过仿真分析了固定增益和自适应增益算法的收敛速度、收敛精度。仿真结果表明,通过算法参数的优化选取和自适应增益方法,能够将算法的收敛速度提高12.7%,收敛精度提高0.23%,得到了较好的收敛效果。     

随机并行梯度下降算法模拟两路光纤放大器相干合成与实验研究

对利用随机并行梯度下降(SPGD)算法对多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,并进行了两路瓦级光纤放大器相干合成的实验.实验结果表明,SPGD算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.57倍;并使得目标圆孔内能量大于理想值80%的概率从27.7%提升到了70.3%.取得了较为明显的相干合成效果.对算法用于多路高功率光纤放大器相干合成的可行性进行了探讨.     

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。     

基于空间结构内部锁相的光纤激光相干合成技术

介绍了本课题组近年来在基于空间结构内部锁相的光纤激光相干合成方面的研究工作,给出了空间结构内部锁相相干合成的基本原理,搭建了七路低功率光纤激光阵列实验系统,结果表明在内部相位噪声校正基础之上,可以稳定补偿外部相位差进而实现激光阵列同相位输出,验证了内部锁相方法的可行性。进一步介绍了空间结构内部锁相技术在目标在回路相干合成、阵列光束光场调控等方面的拓展应用,通过实验论证了空间结构内部锁相技术能够有效提升目标在回路相干合成系统的相位控制带宽,并在远场有效生成轨道角动量光束阵列,其拓扑荷数可从-1到+1切换。     

基于能动分块反射镜的两路光纤放大器相位探测及其相干合成实验研究

在光纤激光相干合成中,需要探测各路光束之间的平移误差.提出了一种条纹提取算法,利用此算法能得到准确的相位平移扰动.基于此算法,针对两路光纤放大器测量了毫瓦量级的光纤放大器的相位噪声特性,然后采用高速数字处理电路以及能动分块反射镜完成了平移相位扰动的实时校正.实验结果表明,闭环前后条纹对比度从0.09提高到0.25,平移误相位噪声强度的幅值从1053.4 nm降低到116.7 nm,系统校正精度达到1/10λ,控制带宽约为50Hz. 关键词： 能动分块反射镜 条纹提取算法 相位扰动 光纤放大器     

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。     

基于偏振自适应和主动相位控制的相干合成的实验研究

进行了非保偏放大器与保偏放大器的相干合成的实验研究。通过随机并行梯度下降（SPGD）算法对非保偏放大器进行偏振自适应控制,使非保偏放大器输出激光的消光比达到11.5 dB,与保偏放大器在同一偏振方向上的光功率占总功率的93.4%。利用单抖动法进行非保偏放大器与保偏放大器的主动相位控制,实现相干合成。实验结果表明:SPGD算法能够有效实现偏振自适应控制,偏振自适应控制前后相干合成远场的条纹对比度从80.1%提高到87.2%,相干合成的效果提升明显;通过增加参与合成的放大器路数,并在各路激光中引入多级功率放大器,能够得到更高的合成功率输出。     

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。     

基于随机并行梯度下降算法的自适应光学实时并行处理机

基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的自适应光学系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。但由于算法收敛速度的影响,在一定程度上限制了SPGD在自适应光学系统中的应用。在对SPGD控制算法分析的基础上,充分提取和发掘算法内在的并发性,采用流水线和并行处理技术,设计并实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)加数字信号处理器(DSP)的单指令流多数据流(SIMD)结构实时并行处理机,实现了SPGD控制算法由表达层到结构层的优化映射。该处理机应用在激光光束净化自适应光学系统中,同时实现了对变形镜和倾斜镜的控制。实验结果表明,采用基于SPGD算法自适应光学实时并行波前处理机具有很快的收敛速度,可以有效地校正激光出光过程中的光束波前相差和光束漂移误差。     

激光阵列部分相干合成的光束质量

由于单束激光部分相干性和相位控制系统带宽性能的限制,大功率激光阵列的相干合成一般只能取得部分相干合成的效果。对存在相位控制残差情形下部分相干合成光束在真空中的传输特性进行分析,推导激光阵列在远场光强的解析表达式。对单束激光的相干性以及相位控制残差对合成光束质量的影响进行了定量计算。     

模拟退火算法光纤放大器相干合成

提出了利用模拟退火算法实现相干合成的思路。对利用模拟退火算法实现多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,验证了方法的有效性,并分析了算法收敛速度与合成光束数目的关系。进行了两路W量级光纤放大器相干合成的实验,结果表明,模拟退火算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.8倍,并使得目标圆孔内能量大于理想值80%的概率从19.4%提升到了51.3%,取得了较为明显的相干合成效果。     

两路120 W固体激光高光束质量相干合成

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出,总输出功率达到240W。建立了两路120W板条激光放大器,通过光束整形获得了高光束质量方形光斑,并实现了高占空比光束拼接,填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统,采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制,两束激光光轴一致性优于2μrad(RMS)。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的相位探测与控制系统,用随机并行梯度下降算法(SPGD)锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后,远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍,为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量,光束质量(BQ)为1.1。     

基于相位调制-解调的光纤激光相位噪声检测方法研究

在主动相位控制相干合成中,常用的光纤激光主动相位控制方法主要有外差法、多抖动法和随机并行梯度下降算法等. 基于多抖动法和外差法的原理,提出了一种新型的基于相位调制-解调的相位检测与控制方法. 该方法利用周期信号对参考光进行相位调制,将调制后的参考光与待检测信号光进行相干检测,通过对相干光强信号和相位调制信号的融合处理,实现相位噪声的检测和控制. 对该方法进行了数值模拟和实验研究. 实验结果表明,对于频率为2 kHz,噪声范围为[0,2π)的正弦噪声,相位检测精度优于λ/50,控制精度可达 关键词： 光纤激光 相干合成 相位噪声检测 调制-解调     

SPGD算法光束净化中光强起伏对校正效果的影响研究

尽管无波前传感自适应光学技术可不受闪烁效应等波前畸变条件的限制,能够有效地补偿高能激光的波前畸变以提高光束质量,但是激光器光强起伏和噪声干扰对校正效果却存在严重的影响。分析了光强起伏和噪声干扰对随机并行梯度下降(SPGD)算法光束净化效果的影响,并进行了相关实验研究。理论分析表明,在光强起伏频率大于等于算法扰动频率时,系统性能随着光强起伏增加而降低;在低频光强起伏时,SPGD算法的抗干扰能力较强。为消除光强起伏对校正效果的影响,提出采用桶中功率作为系统性能评价函数的光束净化方案,理论分析和实验结果都表明,该方案能够有效地消除光强起伏和噪声干扰对校正效果的影响,实现接近校正极限的理想校正效果。