自适应光纤激光阵列的大气传输全程像差控制技术

发布时间：2020-01-18 11:51

【摘要】：光纤激光阵列技术作为一种多光束相干合成方法,可实现高亮度、高光束质量的激光输出,是未来高能激光系统的重要发展方向之一。该技术同时也是自适应光学在光纤激光技术上的重要应用,随着新型光纤集成像差校正器件的发展,光纤激光阵列的像差校正能力得到进一步提升。光纤激光阵列技术目前还处于实验室相干合成的研究阶段,未来需要面对实际大气湍流条件下远距离传输的应用挑战,需对光纤激光阵列大气传输过程中的全程像差进行校正。全程像差包括阵列光束本身的相位噪声、倾斜误差等像差,还包括阵列至目标路径上的大气湍流像差。全程像差校正是实现到达目标上合成光束质量和光功率密度最优化的必要条件。现有校正方法以目标在回路的盲优化方法为代表,校正效率低和迭代速度慢,不适合远距离和阵列规模较大的场景。本文将传统自适应光学中波前探测和像差预补偿校正的办法与光纤激光阵列结合起来,探索新的阵列传输像差校正办法。本文主要围绕光纤激光阵列大气传输像差校正的问题展开系统性研究。主要研究内容分为五个部分。首先建立光纤激光阵列大气传输的基本模型,分析影响相干合成效果的各种因素;对比研究不同湍流强度及不同单元数情况下,无湍流补偿时相干合成和非相干合成条件下远场性能指标的变化规律。在仿真分析湍流像差对阵列大气传输影响的基础上讨论单孔径像差校正对远场相干合成的改善作用;分析单孔径低阶湍流像差校正,包括活塞、倾斜像差、离焦,对阵列远场相干合成性能指标的提升作用;讨论单元孔径高阶像差校正对强湍流像差校正的必要性及效益。仿真结果证明了单元孔径上活塞像差和倾斜像差的校正的必要性,以及强湍流条件下单孔径上更高阶像差校正的必要性。其次,从耦合接收和光束发射两方面入手,对光纤激光阵列单元倾斜像差校正进行仿真分析和实验验证。仿真分析倾斜像差校正对阵列整体耦合效率的提升作用,以自适应光纤准直器(AFOC)作为倾斜执行器件,并采用随机并行梯度下降(SPGD)算法,以耦合效率为优化的性能指标对倾斜像差进行迭代校正;实验上进行了两单元AFOC的共孔径双向传输,利用SPGD算法实现模拟湍流下波前畸变光束至单模光纤耦合效率的提升,同时增强了阵列出射光束的远场集中度。结果证明主动光纤耦合同时起到提升阵列耦合效率和倾斜像差预补偿校正的作用。再次,对基于最优化光纤耦合的倾斜控制方法应用于7单元AFOC阵列的相干合成进行了实验研究。建立了最优化光纤耦合的倾斜控制方法的模型;利用目标处桶中功率(PIB)作为锁相控制的性能指标,同时利用各路AFOC耦合接收光功率作为倾斜像差控制的性能指标,采用SPGD算法实现了7单元光纤激光阵列活塞像差和倾斜像差的并行校正。7单元AFOC的归一化耦合接收光功率从开环时的0.76提升至闭环时的0.94,相干合成后PIB提升4.6倍,相位控制残差小于λ/15。实验结果表明,最优化光纤耦合能够实现与锁相并行的倾斜像差校正,且各单元倾斜控制相互独立,这使得倾斜像差校正摆脱了阵列单元数的限制,因此具备了实时校正湍流像差的能力。再者,针对现有盲优化湍流像差校正方法的收敛速度和控制带宽随传输距离和单元数增大而下降的弊端,提出一种能与光纤激光阵列紧密结合的新架构波前传感器。建立了基于AFOC阵列的波前传感器结构,详述了其波前复原过程;对该传感器探测湍流像差的过程进行了数值仿真,分析了不同湍流条件和不同阵列结构参数下模式复原法的最优Zernike阶数;数值仿真分析了理想校正复原出的活塞像差和倾斜像差对相干合成远场性能指标的改善作用。仿真结果表明,基于AFOC阵列主动波前复原的湍流像差预补偿校正能够极大提升阵列相干合成效率。最后,利用玻璃像差板验证了7单元AFOC阵列的波前探测。通过像差板加入前后各AFOC上执行电压差来反演像差板在单元孔径上的斜率,并通过模式法复原出畸变波前。两像差板除整体倾斜像差外的波前RMS值分别为0.433μm和0.647μm,复原残差分别小于0.0749μm和0.116μm。实验同时研究了基于主动波前复原的活塞像差预补偿校正,验证其对AFOC光纤激光阵列经像差板传输后相干合成远场性能指标的提升作用,结果表明该方法能够同时校正倾斜像差和活塞像差,获得了与理想校正近乎一致的校正效果。
【图文】：

示意图,阵列结构,阵列,示意图

合成研究现状的综述。充方式方式，一种是准直器阵列直阵列的反射来进行拼接的方式式的优点是十分明显的，其空比，而且很容易集成到传统的室外应用。其缺点就是有限年，美国的 Dayton 大学和陆，利用该阵列在 7km 距离上所用的 AFOC 阵列实物图如图FOC 阵列，并利用该阵列在物图如图 1-3(b)所示。2013 年 7 单元 AFOC 阵列实现了 7 路图 1-3(c)所示。

相位调制器,压电陶瓷

光路光程的一种方式，还可以通过空间延迟线等其他的技术手段实现相同功能，但光纤延迟线较容易与整个光纤系统集成，结构上更为紧凑，因此现有相干合成系统中多以光纤延迟线作为光程匹配器件。现有商品化的光纤延迟线可以做到调节范围几个厘米，延迟控制精度达到亚微米量级[74]。相位调制器是光纤激光相干合成系统中的核心关键器件，将光纤激光阵列中各路光束的相位差锁定在 2π 的整数倍，以产生稳定的干涉。常见的相位调制器有铌酸锂(LiNbO3)相位调制器和压电陶瓷环相位调制器。LiNbO3相位调制器可执行带宽达到 10GHz 量级，是现有的所有像差校正器件中带宽最高的，是传统自适应光学系统中变形镜带宽(约 10kHz)的 105至 106倍。其缺点就是功率低、损耗大。压电陶瓷环相位调制器在一定尺寸的压电陶瓷环上缠绕光纤，通过电压驱动压电陶瓷带动光纤的伸缩来调制光纤中激光束的相位，，其优点为功率高、损耗低，但带宽只有几十kHz。图13(a)为iXblue公司的一款带宽为20GMHz的相位调制器[75]，可工作在 980nm 至 1150nm。图 13(b)为 OPTIPHASE 公司的一款压电陶瓷环相位调制器[76]，执行相位精度为 0.035μm/V，最大可执行±17.5μm 的相位偏移，一阶谐振频率约为 55kHz。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN24

【参考文献】