發(fā)布時(shí)間：2020-01-18 11:51

【摘要】：光纖激光陣列技術(shù)作為一種多光束相干合成方法,可實(shí)現(xiàn)高亮度、高光束質(zhì)量的激光輸出,是未來(lái)高能激光系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。該技術(shù)同時(shí)也是自適應(yīng)光學(xué)在光纖激光技術(shù)上的重要應(yīng)用,隨著新型光纖集成像差校正器件的發(fā)展,光纖激光陣列的像差校正能力得到進(jìn)一步提升。光纖激光陣列技術(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)室相干合成的研究階段,未來(lái)需要面對(duì)實(shí)際大氣湍流條件下遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膽?yīng)用挑戰(zhàn),需對(duì)光纖激光陣列大氣傳輸過(guò)程中的全程像差進(jìn)行校正。全程像差包括陣列光束本身的相位噪聲、傾斜誤差等像差,還包括陣列至目標(biāo)路徑上的大氣湍流像差。全程像差校正是實(shí)現(xiàn)到達(dá)目標(biāo)上合成光束質(zhì)量和光功率密度最優(yōu)化的必要條件�，F(xiàn)有校正方法以目標(biāo)在回路的盲優(yōu)化方法為代表,校正效率低和迭代速度慢,不適合遠(yuǎn)距離和陣列規(guī)模較大的場(chǎng)景。本文將傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)中波前探測(cè)和像差預(yù)補(bǔ)償校正的辦法與光纖激光陣列結(jié)合起來(lái),探索新的陣列傳輸像差校正辦法。本文主要圍繞光纖激光陣列大氣傳輸像差校正的問(wèn)題展開(kāi)系統(tǒng)性研究。主要研究?jī)?nèi)容分為五個(gè)部分。首先建立光纖激光陣列大氣傳輸?shù)幕灸Ｐ?分析影響相干合成效果的各種因素;對(duì)比研究不同湍流強(qiáng)度及不同單元數(shù)情況下,無(wú)湍流補(bǔ)償時(shí)相干合成和非相干合成條件下遠(yuǎn)場(chǎng)性能指標(biāo)的變化規(guī)律。在仿真分析湍流像差對(duì)陣列大氣傳輸影響的基礎(chǔ)上討論單孔徑像差校正對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)相干合成的改善作用;分析單孔徑低階湍流像差校正,包括活塞、傾斜像差、離焦,對(duì)陣列遠(yuǎn)場(chǎng)相干合成性能指標(biāo)的提升作用;討論單元孔徑高階像差校正對(duì)強(qiáng)湍流像差校正的必要性及效益。仿真結(jié)果證明了單元孔徑上活塞像差和傾斜像差的校正的必要性,以及強(qiáng)湍流條件下單孔徑上更高階像差校正的必要性。其次,從耦合接收和光束發(fā)射兩方面入手,對(duì)光纖激光陣列單元傾斜像差校正進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真分析傾斜像差校正對(duì)陣列整體耦合效率的提升作用,以自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器(AFOC)作為傾斜執(zhí)行器件,并采用隨機(jī)并行梯度下降(SPGD)算法,以耦合效率為優(yōu)化的性能指標(biāo)對(duì)傾斜像差進(jìn)行迭代校正;實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了兩單元AFOC的共孔徑雙向傳輸,利用SPGD算法實(shí)現(xiàn)模擬湍流下波前畸變光束至單模光纖耦合效率的提升,同時(shí)增強(qiáng)了陣列出射光束的遠(yuǎn)場(chǎng)集中度。結(jié)果證明主動(dòng)光纖耦合同時(shí)起到提升陣列耦合效率和傾斜像差預(yù)補(bǔ)償校正的作用。再次,對(duì)基于最優(yōu)化光纖耦合的傾斜控制方法應(yīng)用于7單元AFOC陣列的相干合成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。建立了最優(yōu)化光纖耦合的傾斜控制方法的模型;利用目標(biāo)處桶中功率(PIB)作為鎖相控制的性能指標(biāo),同時(shí)利用各路AFOC耦合接收光功率作為傾斜像差控制的性能指標(biāo),采用SPGD算法實(shí)現(xiàn)了7單元光纖激光陣列活塞像差和傾斜像差的并行校正。7單元AFOC的歸一化耦合接收光功率從開(kāi)環(huán)時(shí)的0.76提升至閉環(huán)時(shí)的0.94,相干合成后PIB提升4.6倍,相位控制殘差小于λ/15。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,最優(yōu)化光纖耦合能夠?qū)崿F(xiàn)與鎖相并行的傾斜像差校正,且各單元傾斜控制相互獨(dú)立,這使得傾斜像差校正擺脫了陣列單元數(shù)的限制,因此具備了實(shí)時(shí)校正湍流像差的能力。再者,針對(duì)現(xiàn)有盲優(yōu)化湍流像差校正方法的收斂速度和控制帶寬隨傳輸距離和單元數(shù)增大而下降的弊端,提出一種能與光纖激光陣列緊密結(jié)合的新架構(gòu)波前傳感器。建立了基于AFOC陣列的波前傳感器結(jié)構(gòu),詳述了其波前復(fù)原過(guò)程;對(duì)該傳感器探測(cè)湍流像差的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真,分析了不同湍流條件和不同陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)下模式復(fù)原法的最優(yōu)Zernike階數(shù);數(shù)值仿真分析了理想校正復(fù)原出的活塞像差和傾斜像差對(duì)相干合成遠(yuǎn)場(chǎng)性能指標(biāo)的改善作用。仿真結(jié)果表明,基于AFOC陣列主動(dòng)波前復(fù)原的湍流像差預(yù)補(bǔ)償校正能夠極大提升陣列相干合成效率。最后,利用玻璃像差板驗(yàn)證了7單元AFOC陣列的波前探測(cè)。通過(guò)像差板加入前后各AFOC上執(zhí)行電壓差來(lái)反演像差板在單元孔徑上的斜率,并通過(guò)模式法復(fù)原出畸變波前。兩像差板除整體傾斜像差外的波前RMS值分別為0.433μm和0.647μm,復(fù)原殘差分別小于0.0749μm和0.116μm。實(shí)驗(yàn)同時(shí)研究了基于主動(dòng)波前復(fù)原的活塞像差預(yù)補(bǔ)償校正,驗(yàn)證其對(duì)AFOC光纖激光陣列經(jīng)像差板傳輸后相干合成遠(yuǎn)場(chǎng)性能指標(biāo)的提升作用,結(jié)果表明該方法能夠同時(shí)校正傾斜像差和活塞像差,獲得了與理想校正近乎一致的校正效果。
【圖文】：

合成研究現(xiàn)狀的綜述。充方式方式，一種是準(zhǔn)直器陣列直陣列的反射來(lái)進(jìn)行拼接的方式式的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的，其空比，而且很容易集成到傳統(tǒng)的室外應(yīng)用。其缺點(diǎn)就是有限 年，美國(guó)的 Dayton 大學(xué)和陸，利用該陣列在 7km 距離上所用的 AFOC 陣列實(shí)物圖如圖FOC 陣列，并利用該陣列在物圖如圖 1-3(b)所示。2013 年 7 單元 AFOC 陣列實(shí)現(xiàn)了 7 路圖 1-3(c)所示。

光路光程的一種方式，還可以通過(guò)空間延遲線等其他的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)相同功能，但光纖延遲線較容易與整個(gè)光纖系統(tǒng)集成，結(jié)構(gòu)上更為緊湊，因此現(xiàn)有相干合成系統(tǒng)中多以光纖延遲線作為光程匹配器件�，F(xiàn)有商品化的光纖延遲線可以做到調(diào)節(jié)范圍幾個(gè)厘米，延遲控制精度達(dá)到亞微米量級(jí)[74]。相位調(diào)制器是光纖激光相干合成系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵器件，將光纖激光陣列中各路光束的相位差鎖定在 2π 的整數(shù)倍，以產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉。常見(jiàn)的相位調(diào)制器有鈮酸鋰(LiNbO3)相位調(diào)制器和壓電陶瓷環(huán)相位調(diào)制器。LiNbO3相位調(diào)制器可執(zhí)行帶寬達(dá)到 10GHz 量級(jí)，是現(xiàn)有的所有像差校正器件中帶寬最高的，是傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中變形鏡帶寬(約 10kHz)的 105至 106倍。其缺點(diǎn)就是功率低、損耗大。壓電陶瓷環(huán)相位調(diào)制器在一定尺寸的壓電陶瓷環(huán)上纏繞光纖，通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷帶動(dòng)光纖的伸縮來(lái)調(diào)制光纖中激光束的相位，，其優(yōu)點(diǎn)為功率高、損耗低，但帶寬只有幾十kHz。圖13(a)為iXblue公司的一款帶寬為20GMHz的相位調(diào)制器[75]，可工作在 980nm 至 1150nm。圖 13(b)為 OPTIPHASE 公司的一款壓電陶瓷環(huán)相位調(diào)制器[76]，執(zhí)行相位精度為 0.035μm/V，最大可執(zhí)行±17.5μm 的相位偏移，一階諧振頻率約為 55kHz。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN24

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 馬毅;顏宏;彭萬(wàn)敬;王小軍;田飛;孫殷宏;趙磊;王樹(shù)峰;李騰龍;梁小寶;王巖山;冉歡歡;柯偉偉;馮昱駿;唐淳;張凱;;基于多路窄線寬光纖激光的9.6kW共孔徑光譜合成光源[J];中國(guó)激光;2016年09期

2 馬鵬飛;王小林;粟榮濤;馬閻星;徐小勇;周樸;劉澤金;;2kW級(jí)光纖激光相干偏振合成[J];強(qiáng)激光與粒子束;2016年04期

3 耿超;李楓;王小林;粟榮濤;李新陽(yáng);;大指向誤差下的兩路自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器200W非相干合成實(shí)驗(yàn)[J];中國(guó)激光;2015年10期

4 羅文;耿超;李新陽(yáng);;大氣湍流像差對(duì)單模光纖耦合效率的影響分析及實(shí)驗(yàn)研究[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2014年06期

5 蔡冬梅;王昆;賈鵬;王東;劉建霞;;功率譜反演大氣湍流隨機(jī)相位屏采樣方法的研究[J];物理學(xué)報(bào);2014年10期

6 耿超;羅文;譚毅;劉紅梅;牟進(jìn)博;李新陽(yáng);;基于自適應(yīng)桶中功率評(píng)價(jià)函數(shù)的光纖放大器相干合成實(shí)驗(yàn)研究[J];物理學(xué)報(bào);2013年22期

7 劉澤金;周樸;許曉軍;王小林;馬閻星;;高功率光纖激光相干合成的研究進(jìn)展與發(fā)展分析[J];中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué);2013年09期

8 王奇濤;佟首峰;徐友會(huì);;采用Zernike多項(xiàng)式對(duì)大氣湍流相位屏的仿真和驗(yàn)證[J];紅外與激光工程;2013年07期

9 王雄;王小林;周樸;粟榮濤;耿超;李新陽(yáng);許曉軍;舒柏宏;;光纖激光相干合成中傾斜和鎖相同時(shí)控制的實(shí)驗(yàn)研究[J];紅外與激光工程;2013年06期

10 吳武明;楊軼;司磊;周樸;陳金寶;;光纖非相干合成光束在湍流大氣中的傳輸實(shí)驗(yàn)研究[J];強(qiáng)激光與粒子束;2013年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 譚毅;板條固體激光和光纖激光的相干合成技術(shù)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）;2015年

2 趙保銀;大功率全光纖激光器及其關(guān)鍵器件技術(shù)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所);2011年

本文編號(hào)：2570831