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     

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.     

全光纤光反馈环形腔结构多路激光被动相干合成

提出了基于全光纤光反馈环形腔结构的多路光纤激光相干合成方案,实现了多路激光的被动相干合成。全光纤结构避免了传统孔径拼接输出结构的旁斑能量耗散问题,保证了合成光束的光束质量。开展了实验研究,实现了4路光纤激光的相干锁相输出,获得时域、空域特性均十分稳定的合成光束,合成效率为96.1%,取得较好的合成效果。     

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。     

光学相控阵技术研究进展与发展趋势

光学相控阵技术具有响应速度快、系统紧凑、功能多样和控制灵活等优点,在众多科学技术领域得到了广泛的应用。在近50年来的光学相控阵研究与应用中,涌现出了众多卓越的成果。为了对光学相控阵领域的发展进行梳理,简要回顾了光学相控阵技术的历史,并论述了光学相控阵技术的基本原理。从光束发射与接收等不同应用场景的角度,结合笔者的思考,深入介绍了光学相控阵在高品质的光源技术、激光相干合成技术、光束扫描技术、大气链路畸变控制技术以及合成孔径探测与成像技术多个领域的发展现状,并最后对光学相控阵技术的瓶颈与未来的发展研究趋势进行了评述。     

高能固态激光阵列光束合成技术浅析

建立了高能固态激光阵列合成的模型,对相干合成型和非相干合成型的高能固态激光系统进行了分析和比较.引入光束传输因子(BPF)作为评价合成光束的光束质量,对湍流大气对板条激光器和光纤激光器相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行了定量分析.计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考.     

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。     

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。     

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.     

多单元光纤激光阵列的倾斜控制实验研究

本文结合光纤激光阵列技术的发展趋势,介绍一种基于大模场面积光纤的自适应光纤光源准直器的研制进展,搭建七单元光纤激光阵列,进行平行发射体系下阵列间的倾斜控制实验,并初步探索了基于目标在回路的共形发射体系下阵列间的倾斜控制.最后,在三级全光纤放大链路的主振荡-功率放大系统中,完成了两路10W量级光纤激光阵列的倾斜控制及锁相.为在实际大气环境下应用光纤激光阵列技术提供了参考.     

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).     

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。     

光纤激光器阵列相干合成中的位相探测与校正方法研究

介绍一高速的位相检测与控制方法，可以对高功率光纤激光器阵列中每一路信号光波的位相进行实时探测与控制，从而使整个系统达到锁相输出的目的.以一路信号光为例，给出该方法的实验研究结果，从中可以看出，闭环控制的结果，可以将该信号光的位相稳定在一设定的静态工作点上. 关键词： 光纤激光器阵列 锁相 外差探测     

Experimental research on application of Hartmann micro-lens array in coherent beam combination of two-dimensional laser array

We demonstrate experimentally the application of a phase error detection method in the coherent beam combination (CBC) of a laser array. The method is based on the Hartmann micro-lens array. Both the piston and tilt errors can be detected and corrected simultaneously by combining this method with adaptive optics-correcting technology. The far-field intensity pattern of the combined beam has high energy concentration and good beam quality. The power encircled in the main lobe of the far-field pattern is 41.3%, and the contrast of the pattern reaches 81.8%. Experimental results show the great potential of the Hartmann phasing method for use in the CBC of a large number of laser beams.     

临近空间相干激光通信链路外差效率分析

临近空间相干激光通信链路是天地一体化高速通信网络节点间连接的重要链路。围绕外差效率这一表征大气湍流扰动后信号光和本振光相干合成的指标,推导了非均匀湍流路径上的外差效率理论表达式,并结合大气折射率结构常数廓线,开展了临近空间-地面、临近空间-临近空间和临近空间-低轨卫星三类临近空间相干激光通信链路的外差效率仿真。仿真结果表明:临近空间-低轨卫星链路可以忽略大气对外差效率的影响;如果临近空间-临近空间链路距离大于500km或是临近空间-地面链路天顶角大于60°,外差效率将小于50%,有必要采用自适应光学技术进行补偿。     

光纤激光器阵列的多抖动法相干合成

 采用自行设计的基于大规模可编程门阵列（FPGA）结构的控制电路,实现了4路光纤激光的多抖动法相干合成。对大气湍流和机械振动引起的相位噪声进行了有效补偿,使远场光斑条纹对比度由开环时的0.21提高到了闭环时的0.93,闭环时远场特定孔径内的能量较开环时提高了3.3倍。该方法还对人为抖动光纤引起的较高频率噪声具有很好的抑制作用,系统闭环后,远场光斑条纹对比度可达到0.72。