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.     

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.     

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。     

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。     

相干合成中的随机并行梯度下降算法性能研究

随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种基于直接性能指标优化的相位控制方法,在自适应光学中有较好的适用性。该算法主要包含增益系数和随机扰动幅度两个可变参数,其取值对算法收敛性有很大的影响。对双边SPGD算法实现收敛时参数的取值要求进行研究,结合算法原理分析了算法参数的取值范围,并通过大量仿真实验找出所有使双边SPGD算法收敛的增益系数和随机扰动幅度值;得到随机扰动幅度的取值下限,理论和仿真分析了下限存在的原因及取值;在相干合成中存在相位噪声,研究了不同相位校正器参数的情况下可使算法收敛的参数的取值范围。     

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。     

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     

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。     

基于随机并行梯度下降算法的光束相干合成技术

介绍了随机并行梯度下降算法的基本原理,对算法流程进行了仿真验证,并对其中随机扰动幅度和增益系数两个关键参数进行了仿真分析。分析结果表明,这两个参数存在一个最适区间,只有在此区间内取值时算法才能有效收敛。以仿真分析为依据开展了光纤激光的相干合成实验,结果表明光束相干合成效果显著,有效地验证了仿真分析的结果。     

基于并行梯度下降算法模拟高功率固体激光装置的相干合成

 多路光的相干合成是高功率固体激光装置的关键技术之一。基于合成模型,对4组tilt/tip-piston镜采用并行梯度算法,通过模拟计算实现了光束间的位相锁定和相干合成。结果表明有限次算法迭代次数内,相干合成时远场焦斑10 μm半径范围内的强度比约为非相干合成时的4倍。基于高频响应驱动器和对应的高速控制算法将有可能实现高功率固体激光装置多路输出光束间的相干合成。     

Coherent Beam Combining of Three Watt-Level Fiber Amplifiers Using a DSP-Based Stochastic Parallel Gradient Descent Algorithm

We present an experimental study on coherent beam combining of three watt-level fiber amplifiers using a stochas- tic parallel gradient descent （SPGD） algorithm. Phase controlling is performed by running the SPGD algorithm on a digital-signal-processor （DSP） chip with a voltage updating rate of 16500 times per second. Energy encircled in the target pinhole is 2.62 times more than that in an open loop. The combining efficiency is as high as 87%.     

Numerical and experimental study on coherent beam combining of fibre amplifiers using simulated annealing algorithm

We present the numerical and experimental study on the coherent beam combining of fibre amplifiers by means of simulated annealing (SA) algorithm. The feasibility is validated by the Monte Carlo simulation of correcting static phase distortion using SA algorithm. The performance of SA algorithm under time-varying phase noise is numerically studied by dynamic simulation. It is revealed that the influence of phase noise on the performance of SA algorithm gets stronger with an increase in amplitude or frequency of phase noise; and the laser array that contains more lasers will be more affected from phase noise. The performance of SA algorithm for coherent beam combining is also compared with a widely used stochastic optimization algorithm, i.e., the stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. In a proof-of-concept experiment we demonstrate the coherent beam combining of two 1083~nm fibre amplifiers with a total output power of 12~W and 93% combining efficiency. The contrast of the far-field coherently combined beam profiles is calculated to be as high as 95%.     

Coherent beam combining of 137 W 2 × 2 fiber amplifier array

We demonstrate coherent beam combining of two-dimensional fiber amplifier arrays with a total of 137 W output power using stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. Compact all-fiber polarization-maintained single frequency fiber amplifier chains are developed and four fiber amplifiers are arranged to 2 × 2 laser array with a fill factor of 70% in the near-field. Active phase control is implemented by a digital signal processor (DSP) based SPGD controller. The fringe visibility of the coherent combined beam profile is as high as 81% when the system is closed-loop controlled despite perturbations of the environment.     

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。     

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).     

Coherent beam combination of an optical array using adaptive fiber optics collimators

A novel adaptive-fiber-optics-collimator (AFOC) compensating both piston-type and tip/tilt-type phase errors of output beam is introduced, and has been employed in experiments of coherent beam combination (CBC) of a delta distributed fiber array. Feedback control is realized using stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. Excellent CBC effect has been achieved when piston and tip/tilt errors among beamlets corrected. The necessity of wavefront tip/tilt control in CBC is verified. Experimental results exhibit great potential applications of this kind of AFOC in fiber amplifier arrays.     

基于随机并行梯度下降算法的多波长激光相干合成

由于受到受激布里渊散射(SBS)等非线性效应的限制,单频激光放大器的功率在百瓦量级,以非单频激光多波长激光作为种子源能够有效地抑制SBS并提高放大器功率.与单频激光相干合成相比,非单频率、多波长激光的相干合成有望将输出激光功率成量级地提高.基于随机并行梯度下降(stochastic parallel gradient descent,SPGD)算法,实现了四波长激光的相干合成.在系统闭环时,四路多波长激光合成后的主瓣能量能够提高3倍,达到理想值的75%.验证了多波长、非单频激光相干合成的可行性,为高功率相干合成的发展提供了新的途径.