阵列激光合束系统关键技术研究

发布时间：2020-04-15 00:33

【摘要】：1960年第一台可运行激光器的发明,极大鼓舞了全世界进行高能激光器项目的研发。目前国内外研究中使用的激光器主要有光纤激光器、半导体泵浦固态激光器、自由电子激光器、液态激光器等。光纤激光器具有转换效率高、结构紧凑、光束质量高、热管理方便等优势,成为近年来首选的激光光源。由于非线性效应和热效应等,单根光纤在输出功率上存在极限,且在高功率下较难保证光束质量,若想得到更高输出功率水平,则需要对多束激光进行合成。基于自适应光学的阵列激光合束可以在提高输出功率时保证较高光束质量。同时,激光传输中采用光纤阵列光学系统,可以改善传统单体望远镜光学系统质量大、体积大、价格昂贵的问题。阵列激光合束系统关键技术主要集中在阵列激光合束相位、倾斜控制核心器件研制、控制算法等方面,尤其是光束的倾斜控制技术是近年来阵列激光合束中的研究热点,通过直接控制激光束在准直透镜焦面上的平移实现输出光束的偏转,目前国内外研究人员提出不同的倾斜控制方案,主要分为双压电片驱动和促动器直接驱动两种。本文围绕波前倾斜控制机构(光纤定位器),在放大倍率、动态范围、频率响应等方面开展相关理论分析和实验研究,验证锁相控制和倾斜补偿的优化算法,实现阵列合束的相位控制和倾斜控制。本文通过理论分析和数值模拟对阵列激光合束方法进行了研究,在此工作基础上,设计了基于柔性铰链放大机构的光纤定位器代替传统变形镜作为波前校正元件进行波前倾斜相位补偿。理论推导和仿真分析了输入信号与校正位移的关系,建立相关系统模型,搭建阵列激光合束实验系统,实验验证基于柔性铰链放大机构的光纤定位器波前倾斜像差的校正能力。本文的主要内容包括以下几个方面:1.建立阵列激光合束的数学模型,对阵列光束合成传输机理、对影响光束合成效果的主要因素如空间排布结构、阵列填充因子、子孔径单元数等进行分析,计算合束后光强分布及光束质量;提出了以桶中功率密度作为光束质量性能评价指标。2.提出基于柔性铰链放大机构的光纤定位器代替传统变形镜作为波前校正元件,开展相关结构设计和理论分析研究;对放大机构进行静态和动态分析,推导放大倍率,分析谐振频率;推导输入与输出校正位移的关系。3.分析基于系统性能指标优化的自适应光学系统,经过分析选择随机并行梯度下降算法作为阵列激光合束的控制算法,分析其稳定性及收敛速度,验证算法的闭环控制和畸变补偿能力;提出对影响迭代性和收敛性的增益系数和随机扰动振幅这两个参数进行优化。4.设计分束偏振光纤激光器并进行激光合束相位控制实验,分析激光线宽、功率、光纤挤压、环境振动等因素对单路光束影响,验证移相器的相位调节能力,分析两路光束夹角、光程差(相位差)、功率差等因素对光束合成的影响。5.搭建阵列激光合束倾斜实验平台,开展定位器性能测试,得到动态偏转范围和频率响应曲线,分析驱动光纤接头比直接驱动裸纤难度大,造成定位器动态范围有所下降,为后续结构改进提供参考。以光纤定位器作为波前校正元件,进行合束倾斜补偿实验,结果证明基于柔性铰链放大机构的光纤定位器对波前畸变的补偿能力;在理论分析、数值模拟和实验数据的基础上,进一步完善光纤定位器的结构并改进光束合成系统。
【图文】：

激光传输,阵列

图 1.1 基于传统望远镜的激光传输系统Fig. 1.1 Laser beam emission system based on monolithic telescope基于自适应光学的阵列激光合束系统可在提高输出功率时保证较同时，激光传输中采用光纤准直阵列光学系统，可以克服传统单体统质量大、体积大、价格昂贵的缺点。基于光纤准直阵列的等效大合束系统发射单元由Nsub个相同的光纤准直器子孔径d代替传统的，焦距 f 变短，如图 1.2 所示，，等效口径 D 为包含 Nsub个子孔径 d，出射光束聚焦是通过调节各路光纤末端倾斜实现的。

光纤准直,激光传输,阵列

图 1.1 基于传统望远镜的激光传输系统Fig. 1.1 Laser beam emission system based on monolithic telescope而基于自适应光学的阵列激光合束系统可在提高输出功率时保证较高。同时，激光传输中采用光纤准直阵列光学系统，可以克服传统单体望系统质量大、体积大、价格昂贵的缺点。基于光纤准直阵列的等效大口光合束系统发射单元由Nsub个相同的光纤准直器子孔径d代替传统的大镜，焦距 f 变短，如图 1.2 所示，等效口径 D 为包含 Nsub个子孔径 d 的圆，出射光束聚焦是通过调节各路光纤末端倾斜实现的。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248

【参考文献】