主动锁相光纤激光相干合成技术研究

摘要

将多台光纤激光器进行相干合成获得单光束输出，是目前获得高功率、高亮度光纤激光器的一种主要技术途径，在激光加工、激光医疗以及军事领域都有重要的应用前景。因此，研究合成路数和阵元功率均可扩展的光纤激光相干合成系统具有重要的现实意义。本论文对 MOPA结构光纤激光相干合成技术进行了较为深入的理论与实验研究，研究内容主要包括：
　　首次提出了能量集中度的概念，定义为远场主瓣所含能量与总能量之比，可反映出远场主旁瓣的能量分布，相比目前常用的相干合成系统评价参数，如桶中功率或光束传输因子等，能量集中度在理论分析和实验测试中都更具有可操作性。斯特列尔比定义为实际远场中心峰值光强与理想中心峰值光强的比值，反映了合成光学系统的调节精度和相位控制精度。本文采用能量集中度和斯特列尔比作为相干合成系统的主要评价参数。
　　基于夫朗和费衍射理论，建立了光纤激光六角形列阵相干合成远场光强分布的理论模型；以六角形列阵为例，利用Matlab仿真软件分析了相干合成系统中填充因子、相位、振幅、偏振、阵元数和阵列排列方式等对远场光强分布的影响。仿真结果表明，填充因子越大，远场能量集中度越高；阵元间相位误差、振幅非均匀性以及偏振误差均会导致能量集中度和斯特列尔比降低。
　　建立了MOPA结构七阵元光纤相干合成模拟实验系统，七路信号光采用10米保偏光纤替代10W保偏光纤放大器传输种子源激光束，设计了六棱台光束合/分束器，获得0.66高填充因子，通过增加棱台反射面或将不同直径棱台环套可进一步实现合成路数的扩展；采用爬山法相位控制技术，分别研究了七阵元六角形列阵、四阵元矩形列阵、三阵元三角形列阵和二阵元线性列阵的远场合成光束分布，获得远场能量集中度为0.40（与理论值0.55接近）、斯特列尔比0.91的七路相干合成光束。
　　开展了光纤激光相干合成系统相位控制方法的系统研究，进行了爬山法、外差法、随机并行梯度下降算法、自适应PR算法四种相位控制技术的实验与比较研究；采用块状铌酸锂晶体、波导型铌酸锂相位调制器及自适应光学变形镜作为相位调制元件，在两路10米保偏光纤相干合成系统中测得四种相位控制电路的相位控制稳定精度如下：爬山法4％，外差法10%，随机并行梯度下降算法4%，自适应PR算法18%。
　　分析了10W保偏光纤放大器的热效应，推导出开机瞬态和稳态时光纤内的温度分布公式，并用Matlab软件进行了数值仿真。对本文中的10W光纤放大器参数，开机后12.3s后温度趋于稳态分布，达到稳态的过程中，光纤纤芯温度上升了约8.06℃。测试了10W保偏光纤放大器和10米保偏光纤传输种子源激光的相位变化速率，两者的相位噪声均主要集中在数kHz附近。实验结果表明本文采用10米保偏光纤模拟10W保偏光纤放大器在相干合成系统的研究中具有可行性和新颖性。
　　最后介绍了光纤激光相干合成系统的应用前景，分析了光纤激光相控阵雷达的基本原理，建立了通过改变初始相位差实现光束扫描的理论模型，并由 Matlab软件仿真实现了一维线阵、二维方阵和二维六角阵的光束扫描。

目录

主动锁相光纤激光相干合成技术研究

RESEARCH OF ACTIVE PHASE-LOCKING FIBERLASER COHERENT COMBINING TECHNIQUE

摘要

ABSTRACT

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 研究目的

1.2 光纤激光器发展概况

1.3 光纤激光器相干合成技术研究进展

1.3.1 主动式锁相相干合成

1.3.2 被动式锁相相干合成

1.3.3 光纤激光相干合成发展情况

1.4 课题研究背景和意义

1.4.1 军事应用

1.4.2 工业应用

1.4.3 面临的机遇和挑战

1.5 本论文主要研究内容

第2章 MOPA结构光纤激光相干合成的基本理论

2.1 MOPA结构光纤激光相干合成的基本原理

2.2 相干合成效果的评价参数与方法

2.3 基于夫朗和费衍射理论的相干合成远场光强分布

2.4 阵元特性对远场光强分布的影响

2.4.1 填充因子对远场光强分布的影响

2.4.2 相位对远场光强分布的影响

2.4.3 振幅对远场光强分布的影响

2.4.4 偏振对远场光强分布的影响

2.4.5 阵元数对远场分布的影响

2.4.6 列阵排列方式对远场分布的影响

2.5 本章小结

第3章 MOPA结构七路光纤相干合成模拟实验系统

3.1 MOPA结构七路光纤相干合成模拟实验系统

3.2 七路光纤相干合成系统的实验结果

3.2.1 六角形列阵相干合成远场分布

3.2.2 矩形列阵相干合成远场分布

3.2.3 三角形列阵相干合成远场分布

3.2.4 线性列阵相干合成远场分布

3.2.5 四种相干合成列阵的实验结果比较和分析

3.3 本章小结

第4章 光纤激光相干合成系统相位控制技术研究

4.1 光纤激光相干合成系统的相位控制元件

4.1.1 铌酸锂相位调制器

4.1.2 自适应光学变形镜

4.2 爬山法相位控制技术

4.2.1 爬山法基本原理

4.2.2 爬山法相位控制原理

4.3 外差法相位控制技术

4.3.1 光外差探测基本原理

4.3.2 外差法相位探测基本原理

4.4 随机并行梯度下降算法相位控制技术

4.5 自适应相位控制技术

4.6 四种相位控制技术的实验结果及控制效果比较

4.6.1 爬山法相位控制效果实验

4.6.2 外差法相位控制效果实验

4.6.3 随机并行梯度下降算法的相位控制效果实验

4.6.4 自适应相位控制效果实验

4.6.5 四种相位控制技术比较

4.7 本章小结

第5章10W光纤放大器相干合成的研究

5.1 10W光纤放大器相位噪声特性理论

5.1.1 瞬态热效应分析

5.1.2 稳态热效应分析

5.2 10W光纤放大器相位噪声测试

5.3 10W光纤放大器相位控制效果实验

5.4 10W光纤放大器相干合成系统方案设计

5.5 光纤激光相干合成系统在相控阵雷达中的应用

5.5.1 相位扫描的基本原理

5.5.2 线性列阵的光束扫描

5.5.3 二维六角形列阵的光束扫描

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历