發(fā)布時間：2020-04-15 00:33

【摘要】：1960年第一臺可運行激光器的發(fā)明,極大鼓舞了全世界進(jìn)行高能激光器項目的研發(fā)。目前國內(nèi)外研究中使用的激光器主要有光纖激光器、半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光器、自由電子激光器、液態(tài)激光器等。光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量高、熱管理方便等優(yōu)勢,成為近年來首選的激光光源。由于非線性效應(yīng)和熱效應(yīng)等,單根光纖在輸出功率上存在極限,且在高功率下較難保證光束質(zhì)量,若想得到更高輸出功率水平,則需要對多束激光進(jìn)行合成�；谧赃m應(yīng)光學(xué)的陣列激光合束可以在提高輸出功率時保證較高光束質(zhì)量。同時,激光傳輸中采用光纖陣列光學(xué)系統(tǒng),可以改善傳統(tǒng)單體望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量大、體積大、價格昂貴的問題。陣列激光合束系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要集中在陣列激光合束相位、傾斜控制核心器件研制、控制算法等方面,尤其是光束的傾斜控制技術(shù)是近年來陣列激光合束中的研究熱點,通過直接控制激光束在準(zhǔn)直透鏡焦面上的平移實現(xiàn)輸出光束的偏轉(zhuǎn),目前國內(nèi)外研究人員提出不同的傾斜控制方案,主要分為雙壓電片驅(qū)動和促動器直接驅(qū)動兩種。本文圍繞波前傾斜控制機構(gòu)(光纖定位器),在放大倍率、動態(tài)范圍、頻率響應(yīng)等方面開展相關(guān)理論分析和實驗研究,驗證鎖相控制和傾斜補償?shù)膬?yōu)化算法,實現(xiàn)陣列合束的相位控制和傾斜控制。本文通過理論分析和數(shù)值模擬對陣列激光合束方法進(jìn)行了研究,在此工作基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于柔性鉸鏈放大機構(gòu)的光纖定位器代替?zhèn)鹘y(tǒng)變形鏡作為波前校正元件進(jìn)行波前傾斜相位補償。理論推導(dǎo)和仿真分析了輸入信號與校正位移的關(guān)系,建立相關(guān)系統(tǒng)模型,搭建陣列激光合束實驗系統(tǒng),實驗驗證基于柔性鉸鏈放大機構(gòu)的光纖定位器波前傾斜像差的校正能力。本文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面:1.建立陣列激光合束的數(shù)學(xué)模型,對陣列光束合成傳輸機理、對影響光束合成效果的主要因素如空間排布結(jié)構(gòu)、陣列填充因子、子孔徑單元數(shù)等進(jìn)行分析,計算合束后光強分布及光束質(zhì)量;提出了以桶中功率密度作為光束質(zhì)量性能評價指標(biāo)。2.提出基于柔性鉸鏈放大機構(gòu)的光纖定位器代替?zhèn)鹘y(tǒng)變形鏡作為波前校正元件,開展相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論分析研究;對放大機構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)分析,推導(dǎo)放大倍率,分析諧振頻率;推導(dǎo)輸入與輸出校正位移的關(guān)系。3.分析基于系統(tǒng)性能指標(biāo)優(yōu)化的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),經(jīng)過分析選擇隨機并行梯度下降算法作為陣列激光合束的控制算法,分析其穩(wěn)定性及收斂速度,驗證算法的閉環(huán)控制和畸變補償能力;提出對影響迭代性和收斂性的增益系數(shù)和隨機擾動振幅這兩個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。4.設(shè)計分束偏振光纖激光器并進(jìn)行激光合束相位控制實驗,分析激光線寬、功率、光纖擠壓、環(huán)境振動等因素對單路光束影響,驗證移相器的相位調(diào)節(jié)能力,分析兩路光束夾角、光程差(相位差)、功率差等因素對光束合成的影響。5.搭建陣列激光合束傾斜實驗平臺,開展定位器性能測試,得到動態(tài)偏轉(zhuǎn)范圍和頻率響應(yīng)曲線,分析驅(qū)動光纖接頭比直接驅(qū)動裸纖難度大,造成定位器動態(tài)范圍有所下降,為后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。以光纖定位器作為波前校正元件,進(jìn)行合束傾斜補償實驗,結(jié)果證明基于柔性鉸鏈放大機構(gòu)的光纖定位器對波前畸變的補償能力;在理論分析、數(shù)值模擬和實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善光纖定位器的結(jié)構(gòu)并改進(jìn)光束合成系統(tǒng)。
【圖文】：

圖 1.1 基于傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的激光傳輸系統(tǒng)Fig. 1.1 Laser beam emission system based on monolithic telescope基于自適應(yīng)光學(xué)的陣列激光合束系統(tǒng)可在提高輸出功率時保證較同時，激光傳輸中采用光纖準(zhǔn)直陣列光學(xué)系統(tǒng)，可以克服傳統(tǒng)單體統(tǒng)質(zhì)量大、體積大、價格昂貴的缺點�；诠饫w準(zhǔn)直陣列的等效大合束系統(tǒng)發(fā)射單元由Nsub個相同的光纖準(zhǔn)直器子孔徑d代替?zhèn)鹘y(tǒng)的，焦距 f 變短，如圖 1.2 所示，，等效口徑 D 為包含 Nsub個子孔徑 d，出射光束聚焦是通過調(diào)節(jié)各路光纖末端傾斜實現(xiàn)的。

圖 1.1 基于傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的激光傳輸系統(tǒng)Fig. 1.1 Laser beam emission system based on monolithic telescope而基于自適應(yīng)光學(xué)的陣列激光合束系統(tǒng)可在提高輸出功率時保證較高。同時，激光傳輸中采用光纖準(zhǔn)直陣列光學(xué)系統(tǒng)，可以克服傳統(tǒng)單體望系統(tǒng)質(zhì)量大、體積大、價格昂貴的缺點。基于光纖準(zhǔn)直陣列的等效大口光合束系統(tǒng)發(fā)射單元由Nsub個相同的光纖準(zhǔn)直器子孔徑d代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大鏡，焦距 f 變短，如圖 1.2 所示，等效口徑 D 為包含 Nsub個子孔徑 d 的圓，出射光束聚焦是通過調(diào)節(jié)各路光纖末端傾斜實現(xiàn)的。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN248

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2627908