專利名稱：基于多相位擾動的光束陣列相位控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相干合成以及光束控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于多相位擾動的光束陣列相位控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
因在熱管理、光束控制等方面的優(yōu)勢，將多路激光進行相干合成成為突破熱效應(yīng)、激光介質(zhì)特性等因素限制，獲得更高平均功率、高光束質(zhì)量的激光輸出的可行途徑之一。實現(xiàn)相干合成需要采用相位控制技術(shù)鎖定各路激光的相位，達到近似一致的狀態(tài)。由于各種相位噪聲來源的影響，實際系統(tǒng)中各路光束的相位會動態(tài)變化。為了保證系統(tǒng)相位的有效鎖定，相位控制速度是評價系統(tǒng)性能的重要指標。目前成功實現(xiàn)高功率輸出的相干合成激光陣列使用的是主動相位控制方法，主要有外差法、電子頻標法(Electronic-frequencyTagging)和隨機并行梯度下降法(SPOT)。外差法是對多路子光束相對同一參考光的相移進行同步探測并行補償，因此控制速度快；但當(dāng)陣列規(guī)模較大時，這需要龐大的探測器陣列及控制系統(tǒng)，同時對探測器陣列的排列精度以及參考光和信號光的空間準直和共軸有嚴格的要求，使得實際實現(xiàn)大規(guī)模組束困難。電子頻標法和隨機并行梯度下降法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，其差別在于電學(xué)控制模塊的算法不同；由于均采用單探測器結(jié)構(gòu)，光路簡單，有利于實現(xiàn)大規(guī)模組束；兩種方法均會隨著合成光束數(shù)目的增加，控制速度降低，控制帶寬減小。因此有效提高控制速度是相干合成向大規(guī)模擴展必須面對的問題。 隨機并行梯度下降法方法無法獲得子光束之間的相移，完全依靠多次迭代完成相位鎖定。電子頻標法通過對各路子光束進行射頻正弦小信號調(diào)制，為每路信號附加標記，在經(jīng)過電學(xué)相關(guān)檢測從探測器的輸出電流中分離出相位差信息；另外為保證正確分離出相位信息，相關(guān)檢測的時間T需要盡量長，但系統(tǒng)控制速度反比于r，實際中兼顧控制速度和檢測精度，T 一般取10倍射頻正弦調(diào)制周期，由于射頻正弦調(diào)制周期一般需50倍時鐘周期以上，因此相關(guān)檢測將耗費500倍時鐘周期；各個光束的相位較一致時，電子頻標法的反饋控制信號近似正比于相位差值，但是當(dāng)相位差接近兀時反饋量較小，需多次迭代實現(xiàn)收斂，導(dǎo)致系統(tǒng)控制速度下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于多相位擾動的光束陣列相位控制系統(tǒng)，本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是提供一種基于多相位擾動的光束陣列相位控制方法，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、控制速度快的相位控制，提高相干合成系統(tǒng)的性能以及向大規(guī)模擴展的能力。本發(fā)明的基于多相位擾動的光束陣列相位控制系統(tǒng)，其所述控制系統(tǒng)中的激光源出射激光輸入到分束器，分束器輸出的多路激光分別輸入到對應(yīng)的相位控制器，相位控制器與光放大器、光學(xué)校準發(fā)射器順序連接；光學(xué)校準發(fā)射器與分光器、遠場成像器件順序連接；遠場成像器件將激光輸入探測器，探測器輸出的電學(xué)信號輸入相位控制算法模塊，相位控制算法模塊輸出多路電學(xué)控制信號至對應(yīng)的相位控制器，多相位擾動發(fā)生模塊輸出多路電學(xué)調(diào)制信號至對應(yīng)的相位控制器。本發(fā)明的基于多相位擾動的光束陣列相位控制方法，包括如下內(nèi)容:在相位調(diào)制階段，多相位擾動發(fā)生模塊輸出調(diào)制信號至相位控制器，產(chǎn)生激光相位的多相位擾動，通過探測器獲取多相位擾動對應(yīng)的光強變化，相位控制算法模塊根據(jù)光強變化信息解算得到各光束之間的相位差信息，在相位控制階段，相位控制算法模塊將相位校正量輸出到相位控制器，實現(xiàn)多光束之間的相位控制。其中，所述的多光束之間的相位控制，為根據(jù)解算出的相位差信息，將通過光學(xué)校準發(fā)射器后的各路光束相位設(shè)定一致以實現(xiàn)遠場光軸中心處的相干合成，或者在非共口徑發(fā)射方式下將各路光束相位設(shè)定為實施差值，通過近場波面傾斜方式實現(xiàn)相干光束的角度偏轉(zhuǎn)。其中，所述的多相位擾動，指第i路被施加相位擾動時,相位擾動量按時間順序依次等于幅度大小為…肩X)的Z個相位值。其中，所述的多相位擾動，為同一時刻對#路光束中的》路施加擾動，其余{N-tti)路不施加擾動， 的取值區(qū)間為[1，#-1]。
·
其中，所述的相位控制算法模塊根據(jù)光強變化信息解算得到各光束之間的相位差信息，指第i路光束被施加(￥ ι’…肩I+)的相位擾動時，對應(yīng)的探測器輸出的光電流信號
為 4ι，...，4ι；),則第i路和第J'路之間的相位差信息由{%>■..，％:，
1Jl，…，1Jli求解得到，求解算法由多相位擾動方式?jīng)Q定。本發(fā)明基于多相位擾動的光束陣列相位控制系統(tǒng)采用單探測器結(jié)構(gòu)，無相關(guān)檢測過程，控制電路結(jié)構(gòu)更為簡單。每輪控制周期內(nèi)僅對于每路子光束進行幾次相位擾動，即可解算出相位信息，控制時間短，提高系統(tǒng)控制速度和控制帶寬。不同于電子頻標法和隨機并行梯度下降法，該方法可以較準確的獲得子光束之間的相移量大小，一方面可以避免迭代過程，一方面可以根據(jù)需要設(shè)定子光束的相位值，如通過近場波面傾斜方式實現(xiàn)相干光束的角度偏轉(zhuǎn)。


圖1是本發(fā)明基于多相位擾動的光束陣列相位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的第一種多相位擾動所對應(yīng)的相位擾動量的示意 圖3是本發(fā)明的第二種多相位擾動所對應(yīng)的相位擾動量的示意 圖4是本發(fā)明的第三種多相位擾動所對應(yīng)的相位擾動量的示意 圖5是本發(fā)明的第四種多相位擾動所對應(yīng)的相位擾動量的示意 圖中，1、激光源；2、分束器；3、相位控制器；4、光放大器；5、光學(xué)校準發(fā)射器；6、分光器；7、遠場成像器件；8、探測器；9、相位控制算法模塊；10、多相位擾動發(fā)生模塊。
具體實施例方式以下實施例用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此同等的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇。圖1是本發(fā)明多相位擾動的光束陣列相位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本發(fā)明多相位擾動的光束陣列相位控制系統(tǒng)包括激光源I，分束器2,相位控制器3,光放大器4，光學(xué)校準發(fā)射器5，分光器6，遠場成像器件7，探測器8，相位控制算法模塊9，多相位擾動發(fā)生模塊10。激光源I為1064nm摻鐿光纖激光器,輸出的光經(jīng)過I XAr分束器2后,分為Ar路，每路均連接獨立的相位控制器3。相位控制器3為磷酸鋰電光相位調(diào)制器，接收相位控制算法模塊9和多相位擾動發(fā)生模塊10的電學(xué)信號，在相位調(diào)制階段根據(jù)多相位擾動發(fā)生模塊10的調(diào)制信號進行激光相位的擾動，在相位控制階段根據(jù)相位控制算法模塊9解算生成的相位校正量進行相位控制。相位控制算法模塊9和多相位擾動發(fā)生模塊10分別采用FPGA或DSP芯片。經(jīng)過相位控制的#路光束經(jīng)過光放大器4獲得放大后，經(jīng)過光學(xué)校準發(fā)射器5發(fā)射輸出。光學(xué)校準發(fā)射器5由光學(xué)準直器和光場拼接器組成,使得多路激光以光場拼接的非共口徑方式發(fā)射:各路激光的光軸相互平行，各路激光的近場邊緣相互靠近但不重疊。分光器6為99%反射,其余光透射的反射鏡,反射光用于系統(tǒng)最終輸出，透射光經(jīng)過遠場成像器件7，進入探測器8。遠場成像器件7采用匯聚透鏡，由傅里葉光學(xué)可知其焦平面上的光場分布與系統(tǒng)最終輸出的遠場分布相同。探測器8采用InGaAs光電探測器，可響應(yīng)1064nm波長及其附近的光，放置在匯聚透鏡的焦平面上，且僅采集遠場中心區(qū)域附近的能量。探測器8獲得的光強信息通過電學(xué)回路輸出到相位控制算法模塊9，后者根據(jù)在相位調(diào)制階段多相位擾動所對應(yīng)的光強變化信息解算得到各光束之間的相位差，輸出到相位控制器3，實現(xiàn)多光束之間的相位控制:將各路光束相位設(shè)定一致，實現(xiàn)遠場光軸中心處的相干合成。本發(fā)明中的光學(xué)校準發(fā)射器5可以換為衍射元件，將不同角度的多路激光合并成一束激光輸出，即所謂的共口徑發(fā)射方式。本發(fā)明中的多光束之間的相位控制，在光場拼接的非共口徑發(fā)射時，還可將各路光束相位設(shè)定為實施差值，通過近場波面傾斜的方式實現(xiàn)相干光束的角度偏轉(zhuǎn)。由于多相位擾動需要與相位控制算法相匹配，下面將給出多相位擾動與相位控制算法的具體實施例。首先定義#路相位為{& %&)子光束合成后在探測器輸出的光電流信號為hH、;第』'路子光束單路發(fā)射時的光電流信號為4冶= U"%A0,其值可在合成前探測獲得，各路的值差異較小，均值為。定義對第i路子光束不施加擾動、施加#和-#擾動，其他各路均不施加擾動時探測器響應(yīng)分別為:
權(quán)利要求
1.基于多相位擾動的光束陣列相位控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)中的激光源(I)出射激光輸入到分束器(2),分束器(2)輸出的多路激光分別輸入到對應(yīng)的相位控制器(3)，相位控制器(3)與光放大器(4)、光學(xué)校準發(fā)射器(5)順序連接；光學(xué)校準發(fā)射器(5)與分光器(6)、遠場成像器件(7)順序連接；遠場成像器件(7)將激光輸入探測器(8)，探測器(8)輸出的電學(xué)信號輸入相位控制算法模塊(9)，相位控制算法模塊(9)輸出多路電學(xué)控制信號至對應(yīng)的相位控制器(3)，多相位擾動發(fā)生模塊(10)輸出多路電學(xué)調(diào)制信號至對應(yīng)的相位控制器(3)。
2.基于 多相位擾動的光束陣列相位控制方法，其特征在于，所述的相位控制方法包括如下內(nèi)容:在相位調(diào)制階段，多相位擾動發(fā)生模塊(10)輸出調(diào)制信號至相位控制器(3)，產(chǎn)生激光相位的多相位擾動，通過探測器(8)獲取多相位擾動對應(yīng)的光強變化，相位控制算法模塊(9)根據(jù)光強變化信息解算得到各光束之間的相位差信息，在相位控制階段，相位控制算法模塊(9)將相位校正量輸出到相位控制器(3)，實現(xiàn)多光束之間的相位控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多相位擾動的光束陣列相位控制方法，其特征在于，所述的多光束之間的相位控制，為根據(jù)解算出的相位差信息，將通過光學(xué)校準發(fā)射器(5)后的各路光束相位設(shè)定一致以實現(xiàn)遠場光軸中心處的相干合成，或者在非共口徑發(fā)射方式下將各路光束相位設(shè)定為實施差值，通過近場波面傾斜方式實現(xiàn)相干光束的角度偏轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多相位擾動的光束陣列相位控制方法，其特征在于，所述的多相位擾動，指第i路被施加相位擾動時，相位擾動量按時間順序依次等于幅度大小為fei，的Z個相位值。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多相位擾動的光束陣列相位控制方法，其特征在于，所述的多相位擾動，為同一時刻對#路光束中的 路施加擾動，其余OVi)路不施加擾動，m的取值區(qū)間為[I, #_1]。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多相位擾動的光束陣列相位控制方法，其特征在于，所述的相位控制算法模塊(9)根據(jù)光強變化信息解算得到各光束之間的相位差信息，指第i路光束被施加，…，)的相位擾動時，對應(yīng)的探測器輸出的光電流信號為Usi，…，4)，則第i路和第J'路之間的相位差彳目息由…-'''>Wji, ^n,13'1I擇、求解得到，求解算法由多相位擾動方式?jīng)Q定。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于多相位擾動的光束陣列相位控制系統(tǒng)及方法。所述控制系統(tǒng)中的激光源出射激光輸入到分束器，分束器輸出的多路激光分別輸入到對應(yīng)的相位控制器，相位控制器與光放大器、光學(xué)校準發(fā)射器順序連接；光學(xué)校準發(fā)射器與分光器、遠場成像器件順序連接；遠場成像器件將激光輸入探測器，探測器輸出的電學(xué)信號輸入相位控制算法模塊，相位控制算法模塊輸出多路電學(xué)控制信號至對應(yīng)的相位控制器，多相位擾動發(fā)生模塊輸出多路電學(xué)調(diào)制信號至對應(yīng)的相位控制器。采用本發(fā)明能夠提高相干合成系統(tǒng)的性能，具有實現(xiàn)大規(guī)模組束的能力。
文檔編號H01S3/10GK103227408SQ20131011757
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月8日
發(fā)明者唐選, 王小軍, 黃智蒙 申請人:北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所