激光器阵列的部分相干性对相干合成远场输出特性的影响

对于相干合成的光纤激光器阵列来说，如何定量的分析阵列的相干性对于评价阵列的性能具有极其重要的意义.文章推导了光纤激光器阵列部分相干合成远场强度分布的解析表达式，详细探讨了激光器阵列的部分相干性对相干合成远场图样分布、中心主瓣宽度、斯特列尔比、桶中功率的影响.最后采用主振荡并联放大器方案对三路掺镱光纤放大器进行实时相位探测与校正，实验给出了三路光纤放大器相干合成的结果.     

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。     

激光器阵列的部分相干性对相干合成远场输出特性的影响

对于相干合成的光纤激光器阵列来说,如何定量的分析阵列的相干性对于评价阵列的性能具有极其重要的意义.文章推导了光纤激光器阵列部分相干合成远场强度分布的解析表达式,详细探讨了激光器阵列的部分相干性对相干合成远场图样分布、中心主瓣宽度、斯特列尔比、桶中功率的影响.最后采用主振荡并联放大器方案对三路掺镱光纤放大器进行实时相位探测与校正,实验给出了三路光纤放大器相干合成的结果. 关键词： 光纤激光器阵列 相干合成 相干度     

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。     

光纤放大器阵列的远场特性研究

从光纤激光器阵列相干合成远场光强分布的解析表达式出发，详细研究了阵列占空比、阵元个数以及阵元的相位误差对相干合成远场图样分布、中心主瓣的角宽度及所占能量的影响. 给出了占空比为12.5%时，三路保偏光纤放大器相干合成的实验结果. 关键词： 光纤激光器阵列 相干合成 相位     

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.     

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     

两个光纤激光器的相干合成及其闭环控制

 采用了并联主振荡-功率放大的相干合成方案，实现了光纤激光器的相干叠加。主振荡的输出光通过保偏光纤分束器分为两路，其中一路加入保偏光纤相位调制器以实现闭环控制，两个保偏光纤放大器分别对两路输出光进行放大，放大后的输出光再由一个2×2的保偏光纤耦合器会聚相干。合成输出光的一部分通过光电转换后进入数据采集卡，采集卡将采集到的数据送入计算机进行实时处理并将得到的反馈信号作用于相位调制器，相位调制器实时控制两路信号的相位差，从而实现整个实验系统的相干合成输出。系统实现闭环控制后，两路光纤放大器的相位差为2π的整数倍，输出光强始终保持最强。该相干合成方案简单易行，性能稳定。     

两种方法实现对掺镱光纤放大器的相位校正

 在光纤激光器阵列的相干合成技术中，主振荡并联放大器（MOPA）方案最关键的技术是对光纤放大器进行相位控制与校正。本文用两种方法分别对掺镱光纤放大器进行了相位控制与校正。一种是爬山法，通过自动寻优的方式不断改变相位调制器控制电压，使系统输出保持在干涉最强处；另一种是外差法，通过实时探测和校正光路中相位的变化，确保输出光束的相位一致。实验系统中主振荡激光器的波长为1 083 nm，输出功率0~100 mW连续可调。光纤相位调制器是铌酸锂相位调制器。光纤放大器输出功率0~1 W连续可调，整个光路为全保偏光路。爬山法系统的工作频率为100 kHz，控制精度为λ/10；外差法系统的移频量为40 MHz，精度优于λ/20。在两类闭环控制过程中，铌酸锂相位控制器都很好地实现了光纤放大器的相位校正。该工作为实现光纤激光器阵列的相干合成打下实验基础。     

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.     

高斯光束的合成特性分析

 建立了矩形阵列高斯光束合成模型,采用数值模拟方法计算了光束间距、单元光束特性以及阵列结构等参数对非相干合成和同相位相干合成的远场峰值强度及光束质量的影响,描述了非同相位相干合成可能产生的结果,讨论了同轴与非同轴合成,相干与非相干合成的特点。结果表明：非相干和同相位相干合成时的光束质量随着单元光束的增多而变差,并且随着光束间距与单元光束束腰之比的增大而下降;而非同相位相干合成的结果较为复杂,可能产生完全相消干涉,合成光束“重心”离轴及束腰位置偏移等现象。分析认为：同轴合成可以获得最佳的光束质量,是值得采用的合成方式。此外,同轴相干合成优于非相干合成的充分条件是将单元光束之间的相位差控制在(-π/4,π/4)以内。     

双包层多芯光子晶体光纤自相干合成的数值分析与实验

依据耦合模理论分析了双包层多芯光子晶体光纤的超模模场特性,通过倏逝波对7束光的相位调节,可实现相干合成,激光亮度得到很大提高.利用相干合成原理对双包层多芯光子晶体光纤的出射光相干功率密度进行了分析与测量,对此种结构的光子晶体光纤实现自相干合成提出了理论和实验依据.     

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     

Wave optics simulation approach for high-power laser beam combination

A numerical wave optics approach for simulating multiplex super Gaussian beam combination in high-power laser facility is presented. The approach involves the application of a sequence of random phase screens and von Karman turbulence phase to an initial beam field and the summation of the intensity results. The analytical and numerical calculation results have been given to illustrate the properties of the resulting far-field pattern after coherent, incoherent and spatially coherent combination, and some of that are compared with experimental results. The approach can be used for modeling and evaluating applications such as high-power laser shooting that might utilize different beams combining approach.     

Phase-Locked Fibre Array for Coherent Combination and Atmosphere Aberration Compensation

We report a fibre amplifier array that not only achieves coherent beam combination by compensation of phase noises of fibre amplifier, but also accomplishes correction of atmosphere aberration. It is of master-oscillatormultiple-amplifier （MOPA） configuration, which can be phase-locked by the multidither principle or heterodyne detection principle. First laboratory experiments of atmosphere aberration compensation of a three-element fibre amplifier array are reported. The atmosphere aberration is created by a phase screen in the experiment. The phase changes of the beam, which are introduced by the fibre amplifier and the phase screen, are both detected by the heterodyne detection method. Phase modulators are controlled to compensate for the phase in the three paths. No matter whether there is a phase screen producing atmosphere aberration or not, the dim dynamic interference fringes in the far field turn to a clear and stable pattern, and the peak intensity is maximized. It is indicated that the fibre amplifier array is phase-locked, and coherent combination of the three beams is achieved. It can be used not only to obtain high power fibre laser array but also in laser space communication.     

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     

二维固体激光阵列逆达曼光栅相干合束技术模拟研究

采用逆达曼光栅将二维锁相相干的激光阵列进行相干合束并进行孔径装填是获得远场单一主瓣大功率高光束质量激光输出的一种有效技术方案,将其应用于大尺寸5×5固体激光相干阵列相干合束中,并进行了固体激光阵列合束孔径装填的理论分析和原理性验证实验,测量了系统的实际合束效率,同时进行了后焦面逆达曼光栅的加工和放置误差对合束效率影响的详细分析。实验结果表明,逆达曼光栅用于固体激光阵列相干合束是一种有效的技术方案,且可以通过调节光栅周期和傅里叶透镜焦距来适应系统对激光阵列占空比的要求。这对于开发基于逆达曼光栅相干合束的高功率高光质量的全固态激光系统具有重要的意义。     

均匀化位相的常规非稳腔的分析与实验

 对常规非稳腔的输出镜面进行改造,在原来不透光的中央区域引入增透膜,使之能部分透过,使输出耦合能的比例得到提高;同时加敷适当的位相膜,使中央区与环带区波面位相拉平些。着重报导了均匀化相位常规非稳腔的系列实验和分析,从而使常规非稳腔的环带输出引起的中央不透明区与外环带输出波面的位相突变得到改善,克服了远场能量分布出现较严重离散的问题,使远场中央亮斑能量更集中。     

Adaptive correction of vortex laser beam in a closed-loop system with phase only liquid crystal spatial light modulator

We propose and demonstrate the wave front correction of a vortex laser beam by using dual phase only liquid crystal spatial light modulators (LC-SLMs) and a stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. One phase only LC-SLM is used to generate vortex laser beam by loading spiral phase screen onto the wave front of input quasi-Gaussian beam. The other phase only LC-SLM under SPGD controller based on the subzone control method adaptively compensates the wave front of vortex laser beam. Numerical simulation and experimental results show that after correction, vortex doughnut like beam is focused into a beam with airy disk pattern distribution in the far field. The adaptive corrections of vortex laser beam with different optical topological charges are studied. The results show that the optical topological charge has little influence on adaptive correction. The powers in the main lobe of far field intensity distributions of vortex laser beams with different optical topological charges are all greatly improved by adaptive correction. The technique proposed in this paper can be used in optical communication, relay mirror and atmospheric turbulence correction.