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.     

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。     

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。     

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。     

主振荡功率放大器结构光纤激光相干合成系统对谱线需求的实验研究

主振荡功率放大器(MOPA)结构光纤激光相干合成通常被认为需要种子源保持单频输出,而由此引入的非线性效应限制了单链路光纤激光的输出功率。采用宽谱种子源和多波长种子源是抑制非线性效应的有效方式。利用随机并行梯度下降法对三路宽谱光纤放大器和三路多波长光纤放大器相干合成进行了实验研究,取得了理想的相干合成效果。实验结果表明,谱线宽度不是制约MOPA结构相干合成的因素,宽谱放大器和多波长放大器的使用有望使MOPA结构光纤激光相干合成系统获得更高功率的输出。     

光电检测方法在大功率气流声源实验研究中的应用

内流场和调制面积的准确测量是大功率调制气流声源实验研究中的关键问题,传统测量技术具有明显的局限性。采用光电检测方法以实现速度场和声源调制面积的非接触测量,通过粒子速度成像技术获取声源气路系统中的速度场,通过CCD系统实现对声源振动系统位移输出和调制面积变化的实时监控。实验结果与数值模型结果的比较验证了测试方法的可行性。速度场结果表明,典型工况下受限射流靠近内侧壁面,流动分离出现在外侧壁面附近,声源内部形成的剪切层位于主流与回流之间。音圈位移实测结果说明所选择的驱动参数可实现对喷口射流的满调制。     

基于偏振鉴相的相干合成技术

推导了偏振相干合成后任意方向检偏的光强受束间相位差调制的解析表达式,并通过实验验证了表达式的正确性。开展了基于偏振鉴相的相干合成实验研究,用梯度下降算法锁定了两束激光的相位,获得了稳定的输出功率,验证了基于偏振鉴相的相干合成技术可行性;分析了基于偏振鉴相的相干合成技术的优点和对激光器的要求;提出了一种基于偏振鉴相的可定标放大全口径相干合成方法,采用多探测器和多级并行相位调制的方法,解决了随机并行梯度下降（SPGD）算法闭环带宽随合成光束数增加而快速退化的问题。     

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%.     

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。     

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%.     

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。     

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/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。     

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.     

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。