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。     

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.     

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。     

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。     

大功率调制气流声源阵列的相干合成实验研究

完成了调制气流声源阵列的相干合成实验. 提出了利用主动相位控制方法实现调制气流声源阵列相干合成的思路, 介绍了基于随机并行梯度下降算法的声源阵列相干合成的原理. 对利用该算法实现声源阵列的相干合成进行了数值模拟, 完成了双调制气流声源阵列在远场的相干合成实验, 并给出算法参数的合理设置方案. 实验结果显示, 基频成分的相干合成效果明显, 算法收敛时测点处的声压级相比单源发射增加了4 dB, 接近于各单源功率谱中基频成分相干合成、其他频率成分非相干合成的结果; 结果表明实验中算法能够有效控制各调制气流声源辐射声波的相位, 取得了明显的相干合成效果. 关键词： 调制气流声源 相干合成 随机并行梯度下降 高阶谐波     

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。     

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。     

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。     

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.     

The 260-W coherent beam combining of two compact fibre amplifier chains

Coherent beam combining of two fibre amplifier chains with a total power of 260 W in a compact system using the stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm is demonstrated. A 150 MHz linewidth fibre laser is built and introduced for high-power amplification to mitigate stimulated Brillouin scattering (SBS). Compact high-power amplifier chains are built with low power all-fibre system and high-power bulk free-optics fibre amplifiers. When the total power is about 260 W, active phase-locking of two high-power amplifiers is demonstrated using the SPGD algorithm. In closed-loop, the power in the main lobe increases 1.68 times, the visibility is increased from 0 to 0.62, and the phase residual error is less than λ/10.     

基于Zernike模式的自适应光学系统随机并行梯度下降算法

 控制算法的收敛速度一定程度上限制了无波前探测自适应光学技术在实时波前畸变校正中的应用。从理论分析角度提出将模式法和区域法结合起来以提高算法收敛速度,并以61单元变形镜为校正器,建立基于随机并行梯度下降算法自适应光学系统仿真模型。结果表明：达到同样的校正效果时,采用组合优化的算法收敛速度要明显优于基于区域法的收敛速度,从而验证了理论分析的合理性。     

随机并行梯度下降算法性能与变形镜排布规律的关系研究

对随机并行梯度下降算法(SPGD)性能与不同变形镜排布规律的关系进行了研究。以采用Roddier方法生成的由52项Zernike像差构成的畸变波前为整形对象,对SPGD算法的收敛速率和整形效果与变形镜排布规律(单元数分别为19、21、32、37、45、60、61、77、91)之间的关系进行了仿真研究。结果表明:从整体分析,随着变形镜单元数逐渐增多,SPGD算法的收敛速率和整形效果均逐渐变差;从局部分析,由于变形镜元胞类型变化和边缘占空比的影响,在渐变规律中产生了局部差异。     

自适应光学系统随机并行梯度下降控制算法实验研究

随机并行梯度下降算法是一种极具应用潜力的自适应光学系统控制算法,具有不依赖波前传感器直接对系统性能指标进行优化的特点。基于32单元变形镜、CCD成像器件等建立自适应光学系统随机并行梯度下降控制算法实验平台。考察算法增益系数和扰动幅度对校正效果和收敛速度的影响,验证随机并行梯度下降算法的基本原理。实验结果表明参量选取合适的情况下,随机并行梯度下降控制算法对静态或慢变化的畸变波前具有较好的校正能力。根据实验结果分析了影响随机并行梯度下降算法校正速度的主要因素。