基于随机并行梯度下降算法的相干合成动态相差控制与带宽分析

分析随机并行梯度下降(SPGD)算法用于多路大型固体激光装置相干合成中校正动态相差的能力。首先介绍了SPGD算法实现相干合成的基本理论,利用数值模拟方法对算法进行了优化,实现了两路基于SPGD算法的波长为800nm、带宽为30fs光束的相干合成实验,验证了在外加10,15,20,25Hz动态相差条件下算法的特性,并进一步模拟了动态活塞相差和指向性相差的校正过程,分析了不同相位噪声强度和频率对校正能力的影响,计算了控制带宽与光束路数、算法执行速度之间的关系。结果表明:远场强度分布的平方和是高能短脉冲激光相干合成的最佳性能评价函数;采用自适应增益的方式时,在保证算法稳定性的前提下,提高了算法的收敛速度;随着相位噪声强度和频率的提高,算法的有效控制带宽减小;算法执行速度越快,光束路数越少,则算法控制带宽越大;受限于器件性能,SPGD算法不适用于4路以上带宽为30fs激光阵列的相干合成。     

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。     

自适应光学中SPGD算法关键参数实时调节方法

介绍了随机并行梯度下降（SPGD）算法及其在相干合成中的应用,针对实验中算法关键参数难以调节的难点,提出采用软硬件结合的新方式,实现对实验数据的在线采集和分析以及对SPGD算法关键参数的自动实时调节。开展了4路光纤激光相干合成实验,对不同调节方法进行对比。实验中采用新方式有效调节了SPGD算法中增益系数和随机扰动幅度的取值,合成效果显著。     

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%.     

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     

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.     

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.     

倾斜相差对激光相干合成影响的仿真分析

根据夫琅和费衍射理论,建立了四路激光相干合成模型,研究了不同占空比条件下倾斜相差对激光相干合成效果的影响。通过欧拉旋转变换,将各子光束的倾斜角度转换成相应的倾斜相差引入到光束合成模型中。仿真计算了不同占空比、不同倾斜角度情况下合成光束在远场的光强分布,分析了占空比、倾斜角度对远场光强分布的影响。仿真结果表明,随着子光束倾斜角度的增大,远场艾里斑内的光强逐渐减小,合成效果变差。仿真计算了不同占空比条件下桶中功率(PIB)和β因子随倾斜角度的变化关系。仿真结果表明,随着子光束倾斜角度的增大,PIB和β因子两个评价指标均逐渐变差。为了达到一定的评价指标要求,必须利用快反镜等校正器件将各子光束的倾斜角度减小到一定的范围之内。     

大气湍流像差对单模光纤耦合效率的影响分析及实验研究

空间激光到单模光纤(SMF)耦合技术是自由空间激光通信中的关键技术之一。在Matlab环境下仿真分析了单项波前像差和大气湍流像差对空间光到SMF耦合效率的影响,研究了随机并行梯度下降(SPGD)算法校正大气湍流中整体倾斜像差的迭代过程及对耦合效率的影响。仿真结果表明,SMF耦合效率随单项波前像差均方根(RMS)增加而降低,校正大气湍流中整体倾斜像差后,SMF耦合效率都有提高;当D/r0较小时,大气湍流像差中影响SMF耦合效率的主要像差为倾斜像差。搭建了基于SPGD算法的闭环控制系统,利用自适应光纤耦合器(AFC)校正模拟湍流倾斜像差后,SMF平均耦合效率从30.07%提升到了61.72%;耦合效率的均方误差(MSE)从7.28%降低到2.16%。     

Coherent beam combination of an optical array using adaptive fiber optics collimators

A novel adaptive-fiber-optics-collimator (AFOC) compensating both piston-type and tip/tilt-type phase errors of output beam is introduced, and has been employed in experiments of coherent beam combination (CBC) of a delta distributed fiber array. Feedback control is realized using stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. Excellent CBC effect has been achieved when piston and tip/tilt errors among beamlets corrected. The necessity of wavefront tip/tilt control in CBC is verified. Experimental results exhibit great potential applications of this kind of AFOC in fiber amplifier arrays.     

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 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.     

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。     

Multi-wavelength laser active coherent combination

A seed laser oscillating at different frequencies is proved to have the potential to mitigate the stimulated Brillouin scattering(SBS) effect in a fiber amplifier,which may increase the emission power of a coherent beam combination(CBC) system greatly.In this study,a basic mathematical model describing the multi-wavelength CBC is proposed on the fundamentals of CBC.A useful method for estimating the combination effect and analysing the feasibility and the validity of the multi-wavelength coherent combination is provided.In the numerical analysis,accordant results with four-wavelength four-channel CBC experiments are obtained.Through calculations of some examples with certain spectra,the unanticipated excellent combination effect with a few frequencies involved is explained,and the dependence of the combination effect on the variance of the amplifier chain length and the channel number is clarified.     

Coherent beam combination of adaptive fiber laser array with tilt-tip and phase-locking control

We present an experimental study on tilt-tip(TT) and phase-locking(PL) control in a coherent beam combination(CBC) system of adaptive fiber laser array.The TT control is performed using the adaptive fiber-optics collimator(AFOC),and the PL control is realized by the phase modulator(PM).Cascaded and simultaneous controls of TT and PL using stochastic parallel gradient descent(SPGD) algorithm are investigated in this paper.Two-fiber-laser-,four-fiber-laser-,and six-fiber-laser-arrays are employed to study the TT and PL control.In the cascaded control system,only one high-speed CMOS camera is used to collect beam data and a computer is used as the controller.In a simultaneous control system one high-speed CMOS camera and one photonic detector(PD) are employed,and a computer and a control circuit based on field programmable gate array(FPGA) are used as the controllers.Experimental results reveal that both cascaded and simultaneous controls of TT using AFOC and PL using PM in fiber laser array are feasible and effective.Cascaded control is more effective in static control situation and simultaneous control can be applied to the dynamic control system directly.The control signals of simultaneous PL and TT disturb each other obviously and TT and PL control may compete with each other,so the control effect is limited.     

多波长激光主动式相干合成理论初探

本文从相干合成的基本原理出发,建立计算模型,通过对多波长两路相干合成实例的仿真计算,得到了多波长两路相干合成效果的预测公式;在多波长相干合成中光程差至关重要,按照能否进一步通过主动控制,获得好的合成效果,可将光程差划分为可控区和不可控区两类,只有当光程差处于可控区时,才能进一步通过主动控制获得好的合成效果;在光程差任取的情况下,光程差处于可控区,能够通过主动控制获得好的合成效果的概率与光谱结构紧密相关,近似随着波长数目的增多成反比减少. 对于多波长相干合成可采取复合控制的方式,先利用大光程控制器件将光程差 关键词： 光纤激光 多波长相干合成 光程差