一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统

摘要

本发明公布了一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统，包括光纤种子源模块：产生种子光并将种子光分为多路子光束；非保偏光纤放大模块：用于将各子光束进行功率放大；主动偏振与相位控制模块：将光电探测器采集到的合成光束环围光强作为输入信号，并控制光纤放大器阵列的相位与偏振，确保各子光束的相位与偏振一致；合束与光电探测模块：用于将放大后的各子光束进行相干组束输出，并探测光束合成的环围光强。本发明不仅合成路数多，功率高，且不需要偏振与相位相关检测模块，光路电路结构紧凑，体积小，可靠性强，还可以实现全电高速扫描偏转。

说明书

技术领域

本发明高功率光纤激光阵列相干组束技术，具体是指一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统。

背景技术

在光束相干合成中，相位与偏振控制技术是其关键。其中，基于主动式控制的合成效率随着硬件电路和软件算法速度的加快而提高，合成数目、功率扩展性较大。因此研究基于高速、并行化的主动相位控制技术可以实现大阵列光纤激光高效优质相干合成，从而提高激光输出功率水平和光束质量，对激光的发展和应用具有较大的推动作用。

目前，光纤激光相干合成系统分为保偏光纤系统和非保偏大模场光纤系统。国内外关于光纤激光相干合成的研究大多集中在保偏光纤系统，该方案的优点是光束质量好，只需要进行光纤阵列的相位控制，技术简单易行，但缺点是保偏光纤放大器输出功率低，不利于向高功率光纤合成系统扩展。而后者的优点在于采用非保偏大模场光纤放大器，输出功率更高，加上偏振控制，有利于实现高功率高效优质相干合成。

2012年，美国Northrop Grumman公司Gregory D. Goodno等人利用多抖动法率先实现了5路非保偏光纤激光阵列相位与偏振的同时锁定，相位控制效率达到99%，偏振消光比>20dB，并发表于OPTICS LETTERS / Vol. 37, No. 20。该方案使用双探测器结构，能够对光纤阵列的偏振和相位变化进行实时检测，并实施主动控制，使得各光束偏振与相位同时保持一致，极大提高了合成效率，有利于向高功率光纤相干合成领域扩展。但这种方案为了实现光纤阵列偏振与相位的相关检测，需要：（一）光学结构中，除了接收到光束阵列的环围光强之外，还需要从光纤种子源分出一束光作为参考光；然后在探测端利用一个90°光纤混合器将种子源参考光相移90°，再使得阵列合成光束偏振态旋转90°，最后将二者耦合输出给两个光电探测器，一个含有光束阵列相位信息，另一个含有光束阵列偏振信息；（二）控制电路结构中，需要两个相关检测过程，分别对偏振与相位进行实时检测。这样光学结构和控制电路结构较为复杂，系统可靠性下降，体积重量增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统，克服现有光纤相干组束技术中采用保偏光纤光路合成功率较低或者非保偏光纤光路中需要搭建双探测器、引入种子源参考光和90°光纤混合器、偏振与相位相关检测电路的复杂问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统，其特征在于：包括光纤种子源模块、非保偏光纤放大模块、合束与光电探测模块、以及主动偏振与相位控制模块；其中

光纤种子源模块：产生种子光并将种子光分为多路子光束；

非保偏光纤放大模块：用于将各个子光束进行功率放大；

合束与光电探测模块：用于将放大后的各个子光束进行相干合成输出，并探测光束阵列合成的环围光强；

主动偏振与相位控制模块：将光电探测器探测到的合成光束环围光强，作为反馈输入信号，并控制光纤放大器阵列的相位与偏振，使得各子光束间的相位与偏振一致，形成闭环控制。

所述的光纤种子源模块包括：光纤激光器，作为光纤激光输入端产生种子光；光纤分路器，用于将光纤激光器产生的种子光进行分束，将一束激光分成多路的子光束，各路子光束经过相位与偏振控制器。本发明的光纤种子源模块不需要本振参考光作为基准，利用光纤分路器将光源分成多个子光束，这些子光束之间的基本性能相类似，直接可以用于后续的控制，相对于现有技术中的以本振参考光作为基准的方式，大大简化了系统，有利于实现高效输出。

所述非保偏光纤放大模块，包括N路非保偏光纤放大器，N为正整数，用于将经过主动偏振与相位控制模块的各个子光束进行功率放大。

所述的合束与光电探测模块包括：准直器阵列：用于将各放大子光束进行准直，使各个子光束的方向相互平行输出；长焦透镜：将准直器阵列输出的相干合成光束进行聚焦，并输出至目标；第一分束镜：长焦透镜聚焦后的光束先经过第一分束镜将聚焦后的光束分为两束，透射光束射向靶目标，反射光束经过偏振分束镜PBS分成垂直偏振分量与水平偏振分量，其中垂直偏振分量进入功率计，水平偏振分量进入光电探测器；水平偏振分量进入光电探测器前还依次经过衰减片、第二分束镜，第二分束镜将水平偏振分量分成两束，其中透射部分经过小孔光阑进入到光电探测器，反射部分进入到CCD相机。

所述的主动偏振与相位控制模块包括光学部分和电路部分，其中光学部分包括各子光束经过的光纤波导型铌酸锂相位控制器、铌酸锂偏振控制器，是光束相位与偏振控制的执行器件；电路部分包括偏振控制电路和相位控制电路，其将光电探测器采集到的环围光强信号作为电路输入信号控制铌酸锂相位控制器和铌酸锂偏振控制器的输出，实现光纤阵列的偏振与相位的同时控制。

所述的偏振控制电路和相位控制电路包括依次连接的输入信号J即评价函数J、衰减电路、AD9244、1#FPGA，其中1#FPGA上连接有延时拨码器，1#FPGA的三个输出分别连接至2#FPGA、3#FPGA、4#FPGA，其中2#FPGA的输出分为两个部分：其中7个通道信号依次经过D/A、IV运放、±5V运放输出1-7通道至光纤波导型铌酸锂相位控制器进行相位控制；2#FPGA的另外4个通道信号依次经过D/A、IV运放、±30V运放输出8-11通道，同时，3#FPGA输出12个通道信号依次经过D/A、IV运放、±30V运放输出12-23通道、4#FPGA输出12个通道信号依次经过D/A、IV运放、±30V运放输出24-35通道，8-35通道共同作用于铌酸锂偏振控制器进行偏振控制。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统，采用非保偏大模场光纤放大器，相比于传统的保偏光纤放大器相干合成系统，输出功率更高，有利于实现定标放大；例如，目前适用于相干合成的窄线宽100kHz～0.5GHz保偏光纤放大器单纤输出功率多为百瓦级，输出功率较小，限制了光纤激光相干合成系统的输出功率；而窄线宽GHz量级高功率非保偏光纤放大模块采用非保偏光纤多级放大结构，单纤输出功率可达千瓦量级，这样，采用非保偏光纤激光相干合成技术，在同等的合成路数情况下，可以极大地提高相干合成系统的输出功率；

2本发明一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统，采用单探测器结构，相比于前述美国Northrop Grumman公司的双探测器结构，不需要引入种子源参考光和90°光纤混合器；光路结构紧凑，可靠性强，体积小，成本大幅下降； 

3本发明一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统，美国Northrop Grumman公司方案中，多抖动法(LOCSET)相位相关检测过程，每个正弦调制周期需50个时钟，为满足相位解调的精度，其相关检测过程需3～10个正弦调制周期即150～500个时钟，再加上偏振的相关检测过程，耗时较长，电路结构复杂，成本较高；本发明不需要偏振与相位相关检测过程，优化算法运行控制速度快，合成路数多，电路简单可靠，便于实现。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明原理框图旋转90°后的视图；

图2为本发明主动偏振与相位控制模块的结构框图；

图3为本发明中偏振控制电路和相位控制电路的电路框图。

附图中标记及相应的零部件名称：

1-光纤激光器，2-光纤分路器，3-长焦透镜，4-第一分束镜，5-靶目标，6-偏振分束镜PBS，7-衰减片，8-第二分束镜，9-功率计，10-CCD相机，11-光电探测器，12-铌酸锂相位控制器，13-铌酸锂偏振控制器，14-准直器阵列，15-非保偏光纤放大器，16-小孔光阑。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统，包括光纤种子源模块、非保偏光纤放大模块、合束与光电探测模块、以及主动偏振与相位控制模块；其中光纤种子源模块包括：光纤激光器1选用单频线偏振单模光纤激光器作为种子光源，其输出功率为500mW量级，线宽为5kHz,功率波动<1% p-p，波长稳定性<10pm，偏振消光比>20dB，种子光由尾纤输出；光纤分路器2，用于将光纤激光器产生的激光束进行分束，将一束激光分成多路的子光束，产生的多路子光束输送至高速铌酸锂相位控制器12、以及铌酸锂偏振控制器13，控制光纤阵列的相位和偏振；各子光束分别经过光纤波导铌酸锂相位控制器12和铌酸锂偏振控制器13后，由非保偏光纤放大器15进行功率放大，本实施例中非保偏光纤放大模块由7路非保偏光纤放大器15构成，根据不同的分束路数，可以采用相匹配的非保偏光纤放大模块；单路输入功率>10mW，经过光纤放大器多级放大成高功率激光，线宽为GHz量级,功率波动<2% p-p，光纤为大模场非保偏光纤，准直输出光束质量M²<1.4；然后通过准直器整列14：用于将光束进行准直输出，使各个子光束的方向相互平行，准直器阵列14采用六角型排布，为防止光轴抖动，加入压电陶瓷快反镜进行指向偏差控制，精度优于1μrad，输出的各个子光束通过焦距为f=1m的长焦透镜3进行透镜聚焦，并输出至靶目标5；在长焦透镜3聚焦的光线射到靶目标5之前通过一个对1064nm反射率为R=0.1%的第一分束镜4，第一分束镜4将光分成两束，透射光射向靶目标5，反射光通过一个偏振分束镜PBS6分成垂直偏振分量与水平偏振分量，其中的垂直偏振分量进入功率计9；而另一部分水平偏振分量进入光电探测器11前还依次经过T=1%的1064nm的衰减片7、再经过一个5：5第二分束镜8的分离形成两束光，衰减片7的衰减率T=1%，一束射向CCD相机10用以观测合成干涉光斑，另一部分进入一个带有小孔光阑16的光电探测器11；如图3所示，本发明以7路控制为例，采用精密电阻组成衰减电路将光电探测器（J）输出的0～5V信号衰减到0～2.4V，送入12位的模数转换器AD9224，采集到的数据在1#FPGA中进行运算，然后并行送入2#FPGA、3#FPGA和4#FPGA，然后由控制信号同步输出到16位的高精度数模转换器AD768；驱动电路中IV运放AD8047是将D/A转换器的电流信号转换为-2.5V～+2.5V电压信号，再由MAX4305放大到-5V～+5V，相位控制1～7通道，共7个，或由OP452放大到-30V～+30V，偏振控制8～35通道，共28个通道；下面介绍一下采用现有技术中的一评价函数J来进行控制的方法步骤：小孔光阑的直径取合成光束衍射极限大小，将光电探测器11接收到的小孔光阑中的光强作为评价函数J=J(v,u)，J是铌酸锂偏振控制器四个调制玻片上控制电压u和铌酸锂相位控制器单玻片上控制电压v的函数，如图2所示的主动偏振与相位控制模块的结构框图，其中u_i=(u_i¹,u_i²,u_i³,u_i⁴), u_i^j代表第i个子光束所经偏振控制器上第j个调制玻片的控制电压，v={v_i}，v_i代表第i个子光束相位控制器单玻片上的控制电压，其控制流程为：

(a)对各控制通道同时施加随机扰动δu_i=｛δv_i; δu_i¹, δu_i², δu_i³, δu_i⁴｝,δu_i为统计独立的随机变量，并且方差相等，均值为零，概率密度关于均值对称，即：

(b)给各个通道施加正向扰动电压δu，得到评价函数:；                     

(c)施加负向扰动电压-δu给各个通道，得到评价函数:；                      

(d)每轮迭代过程中，对一组随机变量{δu_i}分别施加正向和负向扰动之后，得到评价函数的改变量:

                                       (e)则根据算法可以得到下一步迭代的控制电压：

        其中，γ_n为第n步的松弛因子即增益系数；经过多次迭代，评价函数J沿着梯度方向快速收敛到最大值，从而实现光纤阵列偏振与相位的同时控制高效稳定地相干合成输出。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。