一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公布了一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)，包括光纖種子源模塊：產(chǎn)生種子光并將種子光分為多路子光束；非保偏光纖放大模塊：用于將各子光束進(jìn)行功率放大；主動(dòng)偏振與相位控制模塊：將光電探測器采集到的合成光束環(huán)圍光強(qiáng)作為輸入信號(hào)，并控制光纖放大器陣列的相位與偏振，確保各子光束的相位與偏振一致；合束與光電探測模塊：用于將放大后的各子光束進(jìn)行相干組束輸出，并探測光束合成的環(huán)圍光強(qiáng)。本實(shí)用新型不僅合成路數(shù)多，功率高，且不需要偏振與相位相關(guān)檢測模塊，光路電路結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可靠性強(qiáng)，還可以實(shí)現(xiàn)全電高速掃描偏轉(zhuǎn)。
【專利說明】一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型高功率光纖激光陣列相干組束技術(shù)，具體是指一種基于自適應(yīng)偏振與 相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在光束相干合成中，相位與偏振控制技術(shù)是其關(guān)鍵。其中，基于主動(dòng)式控制的合成 效率隨著硬件電路和軟件算法速度的加快而提高，合成數(shù)目、功率擴(kuò)展性較大。因此研究基 于高速、并行化的主動(dòng)相位控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大陣列光纖激光高效優(yōu)質(zhì)相干合成，從而提 高激光輸出功率水平和光束質(zhì)量，對(duì)激光的發(fā)展和應(yīng)用具有較大的推動(dòng)作用。
[0003] 目前，光纖激光相干合成系統(tǒng)分為保偏光纖系統(tǒng)和非保偏大模場光纖系統(tǒng)。國內(nèi) 外關(guān)于光纖激光相干合成的研究大多集中在保偏光纖系統(tǒng)，該方案的優(yōu)點(diǎn)是光束質(zhì)量好， 只需要進(jìn)行光纖陣列的相位控制，技術(shù)簡單易行，但缺點(diǎn)是保偏光纖放大器輸出功率低，不 利于向高功率光纖合成系統(tǒng)擴(kuò)展。而后者的優(yōu)點(diǎn)在于米用非保偏大模場光纖放大器，輸出 功率更高，加上偏振控制，有利于實(shí)現(xiàn)高功率高效優(yōu)質(zhì)相干合成。
[0004] 2012年，美國Northrop Grumman公司Gregory D. Goodno等人利用多抖動(dòng)法率 先實(shí)現(xiàn)了 5路非保偏光纖激光陣列相位與偏振的同時(shí)鎖定，相位控制效率達(dá)到99%，偏振消 光比>20dB，并發(fā)表于OPTICS LETTERS / Vol. 37，No. 20。該方案使用雙探測器結(jié)構(gòu)，能 夠?qū)饫w陣列的偏振和相位變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并實(shí)施主動(dòng)控制，使得各光束偏振與相位 同時(shí)保持一致，極大提高了合成效率，有利于向高功率光纖相干合成領(lǐng)域擴(kuò)展。但這種方案 為了實(shí)現(xiàn)光纖陣列偏振與相位的相關(guān)檢測，需要：（一）光學(xué)結(jié)構(gòu)中，除了接收到光束陣列的 環(huán)圍光強(qiáng)之外，還需要從光纖種子源分出一束光作為參考光；然后在探測端利用一個(gè)90° 光纖混合器將種子源參考光相移90°，再使得陣列合成光束偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，最后將二者 耦合輸出給兩個(gè)光電探測器，一個(gè)含有光束陣列相位信息，另一個(gè)含有光束陣列偏振信息； (二)控制電路結(jié)構(gòu)中，需要兩個(gè)相關(guān)檢測過程，分別對(duì)偏振與相位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。這樣光學(xué) 結(jié)構(gòu)和控制電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性下降，體積重量增大。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0005] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組 束系統(tǒng)，克服現(xiàn)有光纖相干組束技術(shù)中采用保偏光纖光路合成功率較低或者非保偏光纖光 路中需要搭建雙探測器、引入種子源參考光和90°光纖混合器、偏振與相位相關(guān)檢測電路 的復(fù)雜問題。
[0006] 本實(shí)用新型的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)，其特征在于：包括光 纖種子源模塊、非保偏光纖放大模塊、合束與光電探測模塊、以及主動(dòng)偏振與相位控制模 塊；其中
[0008] 光纖種子源模塊：產(chǎn)生種子光并將種子光分為多路子光束；
[0009] 非保偏光纖放大模塊：用于將各個(gè)子光束進(jìn)行功率放大；
[0010] 合束與光電探測模塊：用于將放大后的各個(gè)子光束進(jìn)行相干合成輸出，并探測光 束陣列合成的環(huán)圍光強(qiáng)；
[0011] 主動(dòng)偏振與相位控制模塊：將光電探測器探測到的合成光束環(huán)圍光強(qiáng)，作為反饋 輸入信號(hào)，并控制光纖放大器陣列的相位與偏振，使得各子光束間的相位與偏振一致，形成 閉環(huán)控制。
[0012] 所述的光纖種子源模塊包括：光纖激光器，作為光纖激光輸入端產(chǎn)生種子光；光 纖分路器，用于將光纖激光器產(chǎn)生的種子光進(jìn)行分束，將一束激光分成多路的子光束，各路 子光束經(jīng)過相位與偏振控制器。本實(shí)用新型的光纖種子源模塊不需要本振參考光作為基 準(zhǔn)，利用光纖分路器將光源分成多個(gè)子光束，這些子光束之間的基本性能相類似，直接可以 用于后續(xù)的控制，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的以本振參考光作為基準(zhǔn)的方式，大大簡化了系統(tǒng)，有 利于實(shí)現(xiàn)高效輸出。
[0013] 所述非保偏光纖放大模塊，包括N路非保偏光纖放大器，N為正整數(shù)，用于將經(jīng)過 主動(dòng)偏振與相位控制模塊的各個(gè)子光束進(jìn)行功率放大。
[0014] 所述的合束與光電探測模塊包括：準(zhǔn)直器陣列：用于將各放大子光束進(jìn)行準(zhǔn)直， 使各個(gè)子光束的方向相互平行輸出；長焦透鏡：將準(zhǔn)直器陣列輸出的相干合成光束進(jìn)行聚 焦，并輸出至目標(biāo)；第一分束鏡：長焦透鏡聚焦后的光束先經(jīng)過第一分束鏡將聚焦后的光 束分為兩束，透射光束射向祀目標(biāo)，反射光束經(jīng)過偏振分束鏡PBS分成垂直偏振分量與水 平偏振分量，其中垂直偏振分量進(jìn)入功率計(jì)，水平偏振分量進(jìn)入光電探測器；水平偏振分量 進(jìn)入光電探測器前還依次經(jīng)過衰減片、第二分束鏡，第二分束鏡將水平偏振分量分成兩束， 其中透射部分經(jīng)過小孔光闌進(jìn)入到光電探測器，反射部分進(jìn)入到CCD相機(jī)。
[0015] 所述的主動(dòng)偏振與相位控制模塊包括光學(xué)部分和電路部分，其中光學(xué)部分包括各 子光束經(jīng)過的光纖波導(dǎo)型鈮酸鋰相位控制器、鈮酸鋰偏振控制器，是光束相位與偏振控制 的執(zhí)行器件；電路部分包括偏振控制電路和相位控制電路，其將光電探測器采集到的環(huán)圍 光強(qiáng)信號(hào)作為電路輸入信號(hào)控制鈮酸鋰相位控制器和鈮酸鋰偏振控制器的輸出，實(shí)現(xiàn)光纖 陣列的偏振與相位的同時(shí)控制。
[0016] 所述的偏振控制電路和相位控制電路包括依次連接的輸入信號(hào)J即評(píng)價(jià)函數(shù)J、 衰減電路、AD9244、1#FPGA，其中1#FPGA上連接有延時(shí)撥碼器，1#FPGA的三個(gè)輸出分別連 接至2#FPGA、3#FPGA、4#FPGA，其中2#FPGA的輸出分為兩個(gè)部分：其中7個(gè)通道信號(hào)依次經(jīng) 過D/A、IV運(yùn)放、±5V運(yùn)放輸出1-7通道至光纖波導(dǎo)型鈮酸鋰相位控制器進(jìn)行相位控制； 2#FPGA的另外4個(gè)通道信號(hào)依次經(jīng)過D/A、IV運(yùn)放、± 30V運(yùn)放輸出8-11通道，同時(shí)，3#FPGA 輸出12個(gè)通道信號(hào)依次經(jīng)過D/A、IV運(yùn)放、±30V運(yùn)放輸出12-23通道、4#FPGA輸出12個(gè) 通道信號(hào)依次經(jīng)過D/A、IV運(yùn)放、±30V運(yùn)放輸出24-35通道，8-35通道共同作用于鈮酸鋰 偏振控制器進(jìn)行偏振控制。
[0017] 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0018] 1本實(shí)用新型一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)，采用非 保偏大模場光纖放大器，相比于傳統(tǒng)的保偏光纖放大器相干合成系統(tǒng)，輸出功率更高，有利 于實(shí)現(xiàn)定標(biāo)放大；例如，目前適用于相干合成的窄線寬100kHz?0. 5GHz保偏光纖放大器單 纖輸出功率多為百瓦級(jí)，輸出功率較小，限制了光纖激光相干合成系統(tǒng)的輸出功率；而窄線 寬GHz量級(jí)高功率非保偏光纖放大模塊采用非保偏光纖多級(jí)放大結(jié)構(gòu)，單纖輸出功率可達(dá) 千瓦量級(jí)，這樣，采用非保偏光纖激光相干合成技術(shù)，在同等的合成路數(shù)情況下，可以極大 地提1?相干合成系統(tǒng)的輸出功率；
[0019] 2本實(shí)用新型一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)，采用單 探測器結(jié)構(gòu)，相比于前述美國Northrop Grumman公司的雙探測器結(jié)構(gòu)，不需要引入種子源 參考光和90°光纖混合器；光路結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性強(qiáng)，體積小，成本大幅下降；
[0020] 3本實(shí)用新型一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)，美國 Northrop Grumman公司方案中，多抖動(dòng)法（L0CSET)相位相關(guān)檢測過程，每個(gè)正弦調(diào)制周期 需50個(gè)時(shí)鐘，為滿足相位解調(diào)的精度，其相關(guān)檢測過程需3?10個(gè)正弦調(diào)制周期即150? 500個(gè)時(shí)鐘，再加上偏振的相關(guān)檢測過程，耗時(shí)較長，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高；本實(shí)用新型 不需要偏振與相位相關(guān)檢測過程，優(yōu)化算法運(yùn)行控制速度快，合成路數(shù)多，電路簡單可靠， 便于實(shí)現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 此處所說明的附圖用來提供對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一 部分，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的限定。在附圖中：
[0022] 圖1為本實(shí)用新型原理框圖旋轉(zhuǎn)90°后的視圖；
[0023] 圖2為本實(shí)用新型主動(dòng)偏振與相位控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖；
[0024] 圖3為本實(shí)用新型中偏振控制電路和相位控制電路的電路框圖。
[0025] 附圖中標(biāo)記及相應(yīng)的零部件名稱：
[0026] 1-光纖激光器，2-光纖分路器，3-長焦透鏡，4-第一分束鏡，5-祀目標(biāo)，6-偏振分 束鏡PBS，7-衰減片，8-第二分束鏡，9-功率計(jì)，10-CCD相機(jī)，11-光電探測器，12-鈮酸鋰相 位控制器，13-鈮酸鋰偏振控制器，14-準(zhǔn)直器陣列，15-非保偏光纖放大器，16-小孔光闌。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖， 對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施方式及其說明僅用于解釋本 實(shí)用新型，并不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。 實(shí)施例
[0028] 如圖1所示，本實(shí)用新型一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系 統(tǒng)，包括光纖種子源模塊、非保偏光纖放大模塊、合束與光電探測模塊、以及主動(dòng)偏振與相 位控制模塊；其中光纖種子源模塊包括：光纖激光器1選用單頻線偏振單模光纖激光器作 為種子光源，其輸出功率為500mW量級(jí)，線寬為5kHz，功率波動(dòng)〈1% p-p，波長穩(wěn)定性<10pm， 偏振消光比>20dB，種子光由尾纖輸出；光纖分路器2,用于將光纖激光器產(chǎn)生的激光束進(jìn) 行分束，將一束激光分成多路的子光束，產(chǎn)生的多路子光束輸送至高速鈮酸鋰相位控制器 12、以及鈮酸鋰偏振控制器13,控制光纖陣列的相位和偏振；各子光束分別經(jīng)過光纖波導(dǎo) 鈮酸鋰相位控制器12和鈮酸鋰偏振控制器13后，由非保偏光纖放大器15進(jìn)行功率放大， 本實(shí)施例中非保偏光纖放大模塊由7路非保偏光纖放大器15構(gòu)成，根據(jù)不同的分束路數(shù)， 可以采用相匹配的非保偏光纖放大模塊；單路輸入功率>10mW，經(jīng)過光纖放大器多級(jí)放大 成高功率激光，線寬為GHz量級(jí)，功率波動(dòng)〈2% p-p，光纖為大模場非保偏光纖，準(zhǔn)直輸出 光束質(zhì)量M2〈l. 4 ;然后通過準(zhǔn)直器整列14 :用于將光束進(jìn)行準(zhǔn)直輸出，使各個(gè)子光束的方 向相互平行，準(zhǔn)直器陣列14采用六角型排布，為防止光軸抖動(dòng)，加入壓電陶瓷快反鏡進(jìn)行 指向偏差控制，精度優(yōu)于1 μ rad，輸出的各個(gè)子光束通過焦距為f=lm的長焦透鏡3進(jìn)行透 鏡聚焦，并輸出至靶目標(biāo)5 ;在長焦透鏡3聚焦的光線射到靶目標(biāo)5之前通過一個(gè)對(duì)1064nm 反射率為R=〇. 1%的第一分束鏡4,第一分束鏡4將光分成兩束，透射光射向靶目標(biāo)5,反射 光通過一個(gè)偏振分束鏡PBS6分成垂直偏振分量與水平偏振分量，其中的垂直偏振分量進(jìn) 入功率計(jì)9 ;而另一部分水平偏振分量進(jìn)入光電探測器11前還依次經(jīng)過T=l%的1064nm的 衰減片7、再經(jīng)過一個(gè)5 :5第二分束鏡8的分離形成兩束光，衰減片7的衰減率T=l%，一束 射向CCD相機(jī)10用以觀測合成干涉光斑，另一部分進(jìn)入一個(gè)帶有小孔光闌16的光電探測 器11 ;如圖3所示，本實(shí)用新型以7路控制為例，采用精密電阻組成衰減電路將光電探測器 (J)輸出的〇?5V信號(hào)衰減到0?2. 4V，送入12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9224,采集到的數(shù)據(jù) 在1#FPGA中進(jìn)行運(yùn)算，然后并行送入2#FPGA、3#FPGA和4#FPGA，然后由控制信號(hào)同步輸出 到16位的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD768 ;驅(qū)動(dòng)電路中IV運(yùn)放AD8047是將D/A轉(zhuǎn)換器的電流信 號(hào)轉(zhuǎn)換為-2. 5V?+2. 5V電壓信號(hào)，再由MAX4305放大到-5V?+5V，相位控制1?7通道， 共7個(gè)，或由OP452放大到-30V?+30V，偏振控制8?35通道，共28個(gè)通道；下面介紹一 下采用現(xiàn)有技術(shù)中的一評(píng)價(jià)函數(shù)J來進(jìn)行控制的方法步驟：小孔光闌的直徑取合成光束衍 射極限大小，將光電探測器11接收到的小孔光闌中的光強(qiáng)作為評(píng)價(jià)函數(shù)J=J(v，u)，J是鈮 酸鋰偏振控制器四個(gè)調(diào)制玻片上控制電壓u和鈮酸鋰相位控制器單玻片上控制電壓v的函 數(shù)，如圖2所示的主動(dòng)偏振與相位控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖，其中屮=〇!/， Ui2, Ui3, Ui4)，V代表 第i個(gè)子光束所經(jīng)偏振控制器上第j個(gè)調(diào)制玻片的控制電壓， V={Vi}，Vi代表第i個(gè)子光束 相位控制器單玻片上的控制電壓，其控制流程為：
[0029] (a)對(duì)各控制通道同時(shí)施加隨機(jī)擾動(dòng)δ 11尸{ δ Vi; δ u/， δ u/， δ屮3， δ Ui4}，δ Ui為統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的隨機(jī)變量，并且方差相等，均值為零，概率密度關(guān)于均值對(duì)稱， 即：
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)，其特征在于：包括光纖 種子源模塊、非保偏光纖放大模塊、合束與光電探測模塊、以及主動(dòng)偏振與相位控制模塊； 其中 光纖種子源模塊：產(chǎn)生種子光并將種子光分為多路子光束； 非保偏光纖放大模塊：用于將各個(gè)子光束進(jìn)行功率放大； 合束與光電探測模塊：用于將放大后的各個(gè)子光束進(jìn)行相干合成輸出，并探測光束陣 列合成的環(huán)圍光強(qiáng)； 主動(dòng)偏振與相位控制模塊：將光電探測器探測到的合成光束環(huán)圍光強(qiáng)，作為反饋輸入 信號(hào)，并控制光纖放大器陣列的相位與偏振，使得各子光束間的相位與偏振一致，形成閉環(huán) 控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)， 其特征在于：所述的光纖種子源模塊包括：光纖激光器（1)，作為光纖激光輸入端產(chǎn)生種子 光；光纖分路器（2)，用于將光纖激光器（1)產(chǎn)生的種子光進(jìn)行分束，將一束激光分成多路 的子光束。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)， 其特征在于：所述非保偏光纖放大模塊，包括N路非保偏光纖放大器（15)，N為正整數(shù)，用于 將經(jīng)過主動(dòng)偏振與相位控制模塊的各個(gè)子光束進(jìn)行功率放大。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系統(tǒng)， 其特征在于：所述的合束與光電探測模塊包括： 準(zhǔn)直器陣列（14):用于將各放大子光束進(jìn)行準(zhǔn)直，使各個(gè)子光束的方向相互平行輸 出； 長焦透鏡（3):將準(zhǔn)直器陣列（14)輸出的相干合成光束進(jìn)行聚焦，并輸出至目標(biāo)； 第一分束鏡（4):長焦透鏡（3)聚焦后的光束先經(jīng)過第一分束鏡（4)將聚焦后的光束 分為兩束，透射光束射向靶目標(biāo)（5)，反射光束經(jīng)過偏振分束鏡PBS (6)分成垂直偏振分量 與水平偏振分量，其中垂直偏振分量進(jìn)入功率計(jì)（9)，水平偏振分量進(jìn)入光電探測器（11); 水平偏振分量進(jìn)入光電探測器（11)前還依次經(jīng)過衰減片（7 )、第二分束鏡（8 )，第二分束鏡 (8)將水平偏振分量分成兩束，其中透射部分經(jīng)過小孔光闌（16)進(jìn)入到光電探測器（11)， 反射部分進(jìn)入到C⑶相機(jī)（10)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激 光陣列組束系統(tǒng)，其特征在于：所述的主動(dòng)偏振與相位控制模塊包括光學(xué)部分和電路部分， 其中光學(xué)部分包括各子光束經(jīng)過的光纖波導(dǎo)型鈮酸鋰相位控制器（12)、鈮酸鋰偏振控制器 (13 )，是光束相位與偏振控制的執(zhí)行器件；電路部分包括偏振控制電路和相位控制電路，其 將光電探測器（11)采集到的環(huán)圍光強(qiáng)信號(hào)作為電路輸入信號(hào)控制鈮酸鋰相位控制器（12) 和鈮酸鋰偏振控制器（13)的輸出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于自適應(yīng)偏振與相位控制的光纖激光陣列組束系 統(tǒng)，其特征在于：所述的偏振控制電路和相位控制電路包括依次連接的輸入信號(hào)J、衰減電 路、AD9244、1#FPGA，其中1#FPGA上連接有延時(shí)撥碼器器，1#FPGA的三個(gè)輸出分別連接至 2#FPGA、3#FPGA、4#FPGA，其中2#FPGA的輸出分為兩個(gè)部分：其中7個(gè)通道信號(hào)依次經(jīng)過D/ A、IV運(yùn)放、±5V運(yùn)放輸出1-7通道至光纖波導(dǎo)型鈮酸鋰相位控制器（12)進(jìn)行相位控制； 2#FPGA的另外4個(gè)通道信號(hào)依次經(jīng)過D/A、IV運(yùn)放、±30V運(yùn)放輸出8-11通道，同時(shí)，3#FPGA 輸出12個(gè)通道信號(hào)依次經(jīng)過D/A、IV運(yùn)放、±30V運(yùn)放輸出12-23通道、4#FPGA輸出12個(gè) 通道信號(hào)依次經(jīng)過D/A、IV運(yùn)放、±30V運(yùn)放輸出24-35通道，8-35通道共同作用于鈮酸鋰 偏振控制器（13 )進(jìn)行偏振控制。
【文檔編號(hào)】G02B27/28GK204065562SQ201420558187
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】黃智蒙, 唐選, 劉倉理, 張大勇, 王小軍, 李劍峰, 駱永全, 胡奇琪, 韓梅 申請(qǐng)人:中國工程物理研究院流體物理研究所