激光空间相干合成效果评价方法的研究

根据目标上实际最大光强与理想合成效果下最大光强的比值定义了合成效果因子,用以评价相干合成效果.在此基础上研究了影响相干合成效果的主要因素,并对合成效果因子的传输特性进行了研究.结果表明:阵列紧密程度对合成效果影响不大,在较小的空间占空比下有可能得到较好的合成效果.影响合成效果的主要因素是随机相位差,当随机相位差增大到一定程度时,光束合成其实已经由相干合成过渡到了非相干合成,得不到预期的相干合成效果;随着传输距离的增大,空间占空比对合成效果因子的影响将进一步减小,影响合成效果的主要因素之一是随机相位差.     

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。     

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     

单口径相干合成系统激光光束的M2因子研究

单口径相干合成系统激光光束的光束质量是一个亟待解决的重要问题.基于二阶矩定义, 文中给出了单口径TEM₀₀, TEM₀₁及TEM₁₀两两相干光束M²因子的解析表达式, 并比较分析了束腰宽度、传输距离、振幅之比,以及源场位置矢量对相干光束M²因子的影响, 得到了诸如源场位置参量d₁<100λ时,各相干光束M²因子恒定,反之, 其随位置参量d₁的增大而增大等一些结论.最后,文章对两TEM₀₀模相干光束M²因子的 部分理论进行了实验验证.     

多束超高斯激光相干合成的数值模拟

 建立了超高斯光束的相干叠加的数学模型，对比了光束间距为1 cm、超高斯阶数为12条件下25束高斯光束相干叠加与非相干叠加时的光强分布，发现相干合成的峰值光强为非相干叠加的峰值光强的近10倍，且光束质量也得到大大提高，有利于提高能量的利用率。分析了多种条件下相干合成的光强分布特性，结果表明：随机相位差小于十分之一波长时,相位差的变化对相干合成效果影响不大；当超高斯阶数大于10时对相干合成的峰值光强影响较小；随着相干发射阵列光束间距的增大，相干合成光强迅速减小，光束质量变差。得到了传输距离分别为10 m，100 m，1 km和5 km下的光强分布，表明合成的峰值光强随着传输距离的增加而由小变大，最后随着传输距离的进一步增大而衰减。最后得到了不同传输距离处的环围功率比。     

激光场相干叠加光束合成技术

光束拼接激光相干合成中,拼接占空比不高导致合成光束能量集中度不够理想,为了解决这个问题,提出了激光场相干叠加光束合成技术路线,设计了基于半反半透合束镜的多级激光场相干叠加光束合成方案。研究了子光束之间的光强差和波面误差对相干合成的影响,结果表明,激光场相干叠加光束合成中,对参与合成子光束的光强差、相位差的容差均不难满足:仅考虑单一因素时,子束光强相差三倍时合成效率仍可达90%,相位误差小于π/5时,合成效率可达到90.5%。搭建了基于半透半反合束镜的两束激光场相干叠加光束合成实验装置,实验验证了激光场相干叠加光束合成技术的可行性,在闭环情况下得到了稳定的合成光束输出,合成效率可达95%以上。     

径向洛伦兹阵列光束在自由空间的传输特性

推导出有初始相位分布的径向洛伦兹阵列光束在自由空间传输的解析公式,用以研究相干合成光束在自由空间的传输特性。结果表明:在远场,具有不同相位分布的光束光强剖面成为空心形状,具有相同相位分布的光束光强剖面中心为亮斑。合成光束束宽和桶中功率与子光束束腰宽度、径向阵列的初始相位分布和半径有关。对所得结果用数值计算例做了说明。当阵列半径较大和束腰宽度较小时,具有不同相位分布和相同相位的光束束宽随传输距离的变化曲线和桶中功率都趋于一致。     

不同波形脉冲激光的时域误差对相干合成的影响

相干合成技术是实现高功率、高亮度光纤激光系统的重要技术途径.然而, 脉冲激光阵列中常常存在时域误差,这将影响脉冲激光的相干合成效果. 建立了脉冲激光存在时域误差时的相干合成理论模型,并在不同波形(方波、三角波、正弦波) 的脉冲激光存在时域误差时,对相干合成光束在远场的脉冲波形、峰值功率、 光强分布和桶中功率(PIB)等特性进行了数值计算和对比分析.计算结果表明: 方波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形受时域误差影响严重,光强分布和PIB随着时域误差 的增大发生线性变化;三角波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形和峰值功率受时域误差 影响严重,光强分布和PIB在时域误差较大时随着时域误差的增大发生较为剧烈的变化; 正弦波脉冲激光相干合成光束具有较好的输出特性,在两路正弦波脉冲激光相干合成中, 将两脉冲之间的时延控制在脉冲持续时间的10%以内,就能取得良好的合成效果.     

双曲余弦高斯列阵光束通过湍流大气传输的角扩展及方向性

 采用积分变换,推导出了双曲余弦高斯（ChG）列阵光束通过湍流大气传输的二阶矩束宽和角扩展的解析公式,给出了ChG列阵光束与一束高斯光束具有相同角扩展的条件。研究表明:相干合成的ChG列阵光束的角扩展比非相干合成的小,但是,非相干合成的ChG列阵光束的角扩展受湍流影响比相干合成ChG光束小;相干合成情况下,ChG列阵光束的角扩展随离心参数、束腰宽度和相对子光束间距的变化均出现振荡,但在湍流中的振荡减弱,非相干合成情况下,ChG列阵光束的角扩展与相对子光束间距和光束数无关。     

多子光束相干发射小目标探测研究

提出了一种多子光束相干发射方案以提高对远距离小目标的探测能力.将激光器发出的光束等功率地分为若干子光束,在空间按一定的排列平行发射.子光束来自同一激光源,具有很好的相干性,将在目标面上产生干涉.计算结果表明:子光束在目标面上产生干涉主峰,理想情况下,其峰值为单光束直接发射光强的N(N为子光束数目)倍,用此主峰照射目标实现探测;目标越小,此方案相对于直接发射的优势越突出.实际中应适当压缩光束发散角,以增大照射到目标上的总功率.发射镜的位置和角度抖动使目标面上光强闪烁且光斑畸变,为获得稳定、且峰值为单光束直接发射光强N倍的干涉主峰,发射镜的位移控制精度需达到0.1λ(λ为光波长),角度控制精度需达到0.2θ(θ为光束发散角).     

Comparative study on the propagation performance of coherently combined and incoherently combined beams

Taking phase error, turbulent atmosphere, jitter, vacancy factor and tilt error into consideration, we propose a general propagation formula for both coherent and incoherent combined beams with different kinds of aberrations. Comparative study on the propagation performance of coherent and incoherent combined beams is presented. Beam propagation factor (BPF) defined as laser output power in a specified far-field bucket divided by the total output power radiating from the effective near-field exit aperture of the laser beam is introduced as the beam quality factor to give a quantitative study. It is revealed that the coherent combined beam has great advantage when propagating in free-space compared with the incoherent combined beams. However, the coherent combined beam is more sensitive to the environmental aberrations, and the beam quality degrades faster with an increase in the aberrations’ intensity. Scintillation index as the high moments of the combined intensity field is also studied. It is revealed that both coherent and incoherent combined beams exhibit less scintillations compared with a single-aperture beam, and the incoherent combined beam demonstrates better scintillations reducing the performance. Our methodology offers an all-round performance evaluation on the two kinds of laser systems.     

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。     

Analysis of beam quality for the laser beams after spectral beam combining

The beam quality of the laser beams after spectral beam combining (SBC) has been analyzed in this paper. Based on the propagation model of the spectral beam combining system, the expression for the output field of an individual beam passing through the spectral beam combining system with lens aberration has been given and the intensity distribution of the combined beam has been studied by the principle of incoherent superposition. Consequently, according to the intensity second-order moments method, the M²-factor of the combined beam has been calculated and the effect of lens aberration on the characteristics of the combined beam has been analyzed quantitatively. It can be shown that the SBC system can improve the beam quality of laser array significantly, and the M²-factor of the combined beam passing through the ideal spectral beam combining system is almost the same as that of an individual beam. For the spectral beam combining system with lens aberration, the spherical aberration has greater effect on the off-axis beam than on the on-axis beam, and the beam quality of combined beam degrades with increase in lens aberration.     

光纤非相干合成光束在湍流大气中的传输实验研究

进行了六路100 W量级光纤非相干合成光束在实际大气湍流中的传输实验,将六路光斑直径为9 mm的单模光纤光束分别扩束,扩束后的光斑直径为90 mm。基于倾斜镜的合束系统来控制各路光束的指向,在不同强度的湍流条件中,通过主镜口径为440 mm的发射系统水平聚焦传输至470 m处。倾斜控制系统闭环工作时,一倍衍射极限内的桶中功率占目标处总功率的比值是开环工作时的1.7倍左右,随着大气湍流的强度变弱,此比值变大。     

多模光纤受激布里渊散射非相干组束的机理及理论模型

 基于布里渊散射耦合强度方程，分析了多模光纤受激布里渊散射非相干组束的机理，建立了其非相干组束的理论模型，并依据模型进行了理论计算。结果表明：在较长的多模光纤中，受激布里渊散射产生的Stokes光以LP­­₀₁模传输；其非相干组束过程是混合光分解成线偏振光的逆过程；计算的组束功率与T.H.Russel等人的实验结果相一致。最后，分析了组束光强的分布，表明了组束光强对模场尺寸的依赖关系，证明提高组束光强的有效措施是减小组束光的模场半径。     

高功率微波空间功率合成的初步研究

 针对目前高功率微波相位难以精确控制的情况，结合高功率微波空间功率合成的应用，对有源天线阵列的平行波束和交叉波束的空间功率合成作了初步研究。分析表明：当关注的是远区主方向邻近的小立体角区域时，若能做到控相激励，宜采用紧凑阵的平行波束合成；若不能控相，宜采用稀疏阵的平行波束合成。当关注的是远处目标物邻近的区域时，若能做到控相激励，宜采用紧凑阵的平行波束合成；若不能控相，则宜采用稀疏阵的交叉波束合成，但波束交汇区域能量呈网状分布，进行阵布局、倾斜角设计时，要在目标尺度、目标距离、单源功率、工作频率等诸多因素间权衡考虑。     

掺Yb光纤激光器阵列谱合成系统的光束传输模型及光束特性分析

建立了由掺Yb光纤激光器阵列、变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的光束谱合成系统的光束传输模型.在考虑光栅角色散、光栅刻槽倾角误差和光栅衍射效率情况下,利用光线追迹法、衍射积分方法、光束非相干叠加原理和强度二阶矩方法,推导出高斯光束非平行倾斜入射到闪耀光栅的相位变化公式以及谱合成光束的光强分布解析表达式.分析了高斯光束非平行倾斜入射到光栅后,光栅角色散、光栅衍射效率和光栅刻槽倾角误差对掺Yb光纤激光器谱合成系统输出光束特性的影响.研究结果表明,谱合成光束具有与单根光纤激光器几乎相同的光束质量;光栅角色散对合成光束特性的影响可忽略;随着光栅刻槽倾角误差的增大,谱合成光束的光束质量明显变差;当光栅刻槽倾角误差较大时,必须考虑光栅衍射效率对合成光束特性的影响. 关键词： 掺Yb光纤激光器 非平行倾斜入射 光束谱合成 光束质量     

三路光纤放大器相干合成技术的实验研究

实验上实现了三路保偏光纤放大器稳定的锁相控制，达到相干合成的输出目的.介绍了实验方案，详细阐述了相位检测与控制的方法并以一路信号光为例给出了相位噪声的测量结果.最后给出了相干合成的远场图样并对其影响因素加以简单分析.实验表明，利用提出的方案增加相干合成的路数是可行的. 关键词： 光纤放大器 相干合成 锁相     

产生钠导引星星群的钠信标激光合/分束技术

研究了脉冲光束的偏振和时序非相干合成技术,通过偏振合束器将两路50 W级500 Hz的589 nm钠信标激光在空间上合为一束光线,成功突破了100 W级μs脉冲全固态钠信标激光输出;利用脉冲激光同步延时器控制两路激光脉冲的时序,使其按先后顺序合成一束脉冲激光,重复频率提升到1 kHz。合束后的激光光束质量M²约为1.41,与单光束的光束质量基本保持一致,光斑抖动性约为40μrad,可满足激光钠导引星自适应光学系统的应用需求。与传统的相干合成方法相比,该偏振和时序非相干合成方案具有结构简单、稳定、效率高的优点,且整个系统无需复杂的相位控制机制,为脉冲激光功率扩展提供了新途径。基于上述技术基础,结合自主提出的精密偏振分光专利技术,在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束25 W/束的μs脉冲黄激光发射到钠层,成功产生了四颗钠导引星,这一结果将有助于推动大型地基光学望远镜中多层共轭自适应光学技术的发展。     

多抖动法主振荡功率放大器相干合成技术

 采用多抖动相位控制方法实现了两路和三路1 Ｗ量级光纤放大器的相干合成,对实验结果进行了详细分析。实验中,将种子光源输出激光分为两路（或三路）,分别通过光纤放大器进行功率放大,并采用多抖动法实现相干合成。控制系统开环时,远场光斑条纹模糊不清,两路和三路合成时条纹对比度分别为0.19和0.12;系统闭环时,远场光斑条纹清晰可见,对比度提高到0.93和0.81,合成效率分别为80%和77%。此外,对两路和三路的合成效果进行了比较,指出了各路的控制资源对合成效果的影响。