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.     

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.     

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%.     

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相干合成动态相差控制与带宽分析

分析随机并行梯度下降(SPGD)算法用于多路大型固体激光装置相干合成中校正动态相差的能力。首先介绍了SPGD算法实现相干合成的基本理论,利用数值模拟方法对算法进行了优化,实现了两路基于SPGD算法的波长为800nm、带宽为30fs光束的相干合成实验,验证了在外加10,15,20,25Hz动态相差条件下算法的特性,并进一步模拟了动态活塞相差和指向性相差的校正过程,分析了不同相位噪声强度和频率对校正能力的影响,计算了控制带宽与光束路数、算法执行速度之间的关系。结果表明:远场强度分布的平方和是高能短脉冲激光相干合成的最佳性能评价函数;采用自适应增益的方式时,在保证算法稳定性的前提下,提高了算法的收敛速度;随着相位噪声强度和频率的提高,算法的有效控制带宽减小;算法执行速度越快,光束路数越少,则算法控制带宽越大;受限于器件性能,SPGD算法不适用于4路以上带宽为30fs激光阵列的相干合成。     

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。     

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。     

自适应光学中SPGD算法关键参数实时调节方法

介绍了随机并行梯度下降（SPGD）算法及其在相干合成中的应用,针对实验中算法关键参数难以调节的难点,提出采用软硬件结合的新方式,实现对实验数据的在线采集和分析以及对SPGD算法关键参数的自动实时调节。开展了4路光纤激光相干合成实验,对不同调节方法进行对比。实验中采用新方式有效调节了SPGD算法中增益系数和随机扰动幅度的取值,合成效果显著。     

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。     

基于功率合束器的多路光纤激光自组织相干合成

提出了基于功率合束器的多路光纤激光自组织被动相干合成结构,研究了多模状态下泵浦功率、合成路数对激光合成效率和光束质量的影响,并对2,3,4路激光合成进行了实验研究,合成效率大于90%。实验结果表明:激光中心主瓣所占能量比随着泵浦功率的增加而增大,随激光合成路数增多而增大;在相同的输出功率下,单路激光的主瓣所占能量比比合成激光主瓣所占能量比要高;降低输出光栅反射率,激光输出能量增强,但合成效率有所降低;增加功率和增加路数可以增加中心亮斑的能量比,但增加幅度变低。     

Coherent beam combination of adaptive fiber laser array with tilt-tip and phase-locking control

We present an experimental study on tilt-tip(TT) and phase-locking(PL) control in a coherent beam combination(CBC) system of adaptive fiber laser array.The TT control is performed using the adaptive fiber-optics collimator(AFOC),and the PL control is realized by the phase modulator(PM).Cascaded and simultaneous controls of TT and PL using stochastic parallel gradient descent(SPGD) algorithm are investigated in this paper.Two-fiber-laser-,four-fiber-laser-,and six-fiber-laser-arrays are employed to study the TT and PL control.In the cascaded control system,only one high-speed CMOS camera is used to collect beam data and a computer is used as the controller.In a simultaneous control system one high-speed CMOS camera and one photonic detector(PD) are employed,and a computer and a control circuit based on field programmable gate array(FPGA) are used as the controllers.Experimental results reveal that both cascaded and simultaneous controls of TT using AFOC and PL using PM in fiber laser array are feasible and effective.Cascaded control is more effective in static control situation and simultaneous control can be applied to the dynamic control system directly.The control signals of simultaneous PL and TT disturb each other obviously and TT and PL control may compete with each other,so the control effect is limited.     

Coherent beam combination of two slab laser amplifiers based on stochastic parallel gradient descent algorithm

Coherent beam combination(CBC) of laser arrays is an efficient way to scale brightness.We demonstrate CBC of two slab laser amplifiers based on active phase locking.Instead of the complex phase detection system,intensity detection is used and the feedback control signal is calculated based on the stochastic parallel gradient descent(SPGD) algorithm.The experimental investigation on a 101.5-W CBC of two slab amplifiers shows that the entire system in a closed loop performs well for long-time observation.A combination efficiency of nearly 81% is realized.The slab amplifier laser arrays are the coherent beams efficiently combined by active phase locking based on the SPGD.     

Active phasing a nine-element 1.14 kW all-fiber two-tone MOPA array using SPGD algorithm

We demonstrated active phase locking a nine-element 1.1 kW all-fiber master-oscillator power amplifier (MOPA) array using the stochastic parallel gradient descent (SPGD) blind optimization algorithm. Two spectrally combined single-frequency seed lasers, which provide potential ability to suppress the stimulated Brillouin scattering effect, are employed as a master oscillator for the nine MOPA channels. The nine laser beams are tiled side by side into a 3×3 laser array with a fill factor of 40% in the near field. When the SPGD controller is enabled, the metric function is increased 4.1 times, and a visibility more than 90% of the interference pattern at the receiving plane is obtained. The computed phase residual error is less than λ/15, despite the phase fluctuation of each channel.     

基于光纤合束器件的高功率全光纤相干合成技术研究进展与展望

介绍了目前研究中相干合成多采用空间结构的研究现状,分析了空间结构的相干合成方案需要复杂的光路调节且长时间工作稳定性欠缺,肯定了基于光纤合束器件的全光纤激光相干合成在相干合成光源中的稳定性与实用性,梳理了近年来基于光纤合束器件的全光纤激光相干合成方案,分别介绍了基于光纤耦合器、光子灯笼、相干信号合束器以及基于自成像效应实现全光纤合束的技术方案及研究现状,分析了不同光纤器件目前的主要限制因素和发展瓶颈,并展望了未来的发展方向。     

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     

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。     

多波长激光主动式相干合成理论初探

本文从相干合成的基本原理出发,建立计算模型,通过对多波长两路相干合成实例的仿真计算,得到了多波长两路相干合成效果的预测公式;在多波长相干合成中光程差至关重要,按照能否进一步通过主动控制,获得好的合成效果,可将光程差划分为可控区和不可控区两类,只有当光程差处于可控区时,才能进一步通过主动控制获得好的合成效果;在光程差任取的情况下,光程差处于可控区,能够通过主动控制获得好的合成效果的概率与光谱结构紧密相关,近似随着波长数目的增多成反比减少. 对于多波长相干合成可采取复合控制的方式,先利用大光程控制器件将光程差 关键词： 光纤激光 多波长相干合成 光程差     

Bandwidth analysis and improvement of the beam phasing of fiber amplifiers using the stochastic parallel gradient descent algorithm

We present the numerical analysis and improvement of the bandwidth of the beam phasing of fiber amplifiers using the stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. Time-varying phase distortions are incorporated into the dynamic simulation. It is shown by numerical calculation that the bandwidth of the standard SPGD algorithm is dependent on the phase distortions and on the number of lasers. The time-averaged cost function will decrease with an increase in the amplitude and frequency of phase distortions, and in the number of lasers. A cross-grouped SPGD algorithm is proposed, which offers attractive performance due to its robustness to various time-varying phase distortions and faster convergence rate for beam phasing of larger number of lasers. Dynamic simulation shows that the control bandwidth can be improved using the cross-grouped SPGD algorithm.