CN101393376A - 基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置 - Google Patents

Abstract

基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置，由种子激光器输出的激光束经过准直器准直后经过1xN分束器，再经过预放级和放大级两级激光放大，通过分离式变形镜反射到空间压缩器，压缩空间距离后的光束再经过聚焦透镜会聚到远场成像系统上，内置于计算机的条纹特性提取算法分析远场成像系统上采集到的远场相干光斑条纹，计算机通过控制高压放大器将所需的控制电压施加在分离式变形镜的各个电极上，控制分离式变形镜校正多路光束间的位相差，本发明基于条纹特征提取算法能够直观、准确地测量出平移相位特性随时间的变化曲线，通过功率谱分析，能够确定出系统所需的控制带宽，对多路激光相干合成的控制过程也更加简单有效。

Description

基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置

技术领域

本发明属于激光器相干合成绩属领域，特别涉及一种多路激光相干合成测控装置。

背景技术

光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最前沿的研究课题之一，作为一种新型激光器件，它具有转换效率高、激光阈值低、可调谐范围宽、光束质量好等优点，并且散热面积大、体积小、寿命长，同常规的体积庞大的气体激光器和固体激光器相比，有显著优势，已成为激光在民用和工业应用中的重要候选者。现在单根的输出功率可以达到kW量级，更大幅度地提高单根光纤激光器的输出功率相当困难。为达到高的激光输出功率和近衍射极限的光束质量，可能采用的技术途径是利用光纤激光器阵列，对输出激光束进行相干合成。研究光纤激光的相干合成技术，以获得高功率的相干激光输出，是今后发展的一个重要方向。为实现多个光纤放大器输出光束的相干合成，必须实时测量与控制每一路光纤放大器的相位变化(主要是平移相差)。目前，国际和国内常采用的传统的平移相位的测量是采用针孔+光电探测器的方式，如图3所示：让几束包含平移相位扰动的光束通过透镜聚焦，并在焦平面上挖一小孔，用光电二极管探测电流信号输出，再对这个电流输出信号做频谱分析得出，或者利用高速CCD相机探测小孔后的焦斑信号，再对该光斑信号做频谱分析得出(参见文献1”coherentbeam combination of two polarization maintaining ytterbium fibre amplifiers”Hou J.etal.chinesephysics letters，Vol22，No9(2005)2273)。这种测量方式(针孔+光电探测器)可以近似地表达平移相位扰动的频谱特性，但是具有两个不可忽视的缺点：一是二极管与光强有关的输出电流信号或者CCD相机测量的光斑的强度信号与平移相位之间不具有一一对应的线性关系，也即测量的信号不能准确表达平移相位信息；二是这种方式不能测量出平移相位扰动的幅度值。在控制方面，国内外常采用的相位控制器为非线性光学器件，(如LiNO3晶体)，如文献2“Incoherent combining of 100-W Yb-fiber laser beams by PTR Bragg grating”，Advances inFiber Devices，Proceedings of SPIE，Vol.4974，2003中公开的方法，就是采用非线性晶体以及光折变晶体进行相干或非相干光纤激光合成。这类器件的响应频率很高，却存在两个致命硬伤：低损伤阈值及无法调节各个子光束间的方向一致。这些现状的不足，迫切需求一种新的探测技术和控制方案，用来完成对多路激光器的相干合成的测量和控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有的激光相干合成相位探测技术的缺陷，提出一种能够准确测量出多路激光平移相位的时间特性、幅度变化特性，能确定所需控制带宽，并能完成相干合成的新的相位探测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置，其特征在于：包括种子激光器、准直器、1xN分束器、激光预放级、激光放大级、分离式变形镜、空间压缩器、聚焦透镜、远场成像系统、计算机和高压放大器，由种子激光器输出的激光束经过准直器准直后经过分束器，先后再经过预放级和放大级两级激光放大，再通过分离式变形镜反射到空间压缩器，压缩空间距离后的光束再经过聚焦透镜会聚到远场成像系统上，内置于计算机的条纹特性提取算法用来分析计算机采集到的远场成像系统上的相干光斑条纹，计算机通过控制高压放大器将所需的控制电压施加在分离式变形镜的各个电极上，控制分离式变形镜校正多路光束间的位相差。

所述的种子激光器是基模窄线宽的光纤激光器或者固体激光器。

所述的预放级和放大级两级放大器都为光纤放大器。

所述的1xN分束器的N可以为2也可以为3。

所述的分离式压电变形镜的电极数目和1xN分束器中的N相同。

所述的空间压缩器由四块平面反射镜组成，每块反射镜上镀制了对参与合成的激光波长高反的膜系。

所述计算机控制高压放大器将所需的控制电压施加在分离式变形镜的各个电极上，所采用的控制算法为比例-积分-微分(PID)算法。

所述的远场成像系统的核心成像器件是高速CCD相机或者CMOS相机。

本发明的原理是：利用CCD相机探测多路激光相干合成的光斑条纹移动特征，准确测量出多路激光间的平移相位的时变特性和幅变特性，并且通过对时变特性做频谱分析，可以获得多路光束间平移相位扰动的频率特性，从而获知整个相干系统需要的控制带宽。结合已经获得的频率特性，利用经典PID算法控制分离式压电变形镜补偿各光束间的平移相位差，最终在需要的位置得到稳定清晰的多路激光相干合成条纹。

本发明与现有技术相比有如下优点：

本发明装置通过采用空间压缩器不仅能在空间上压缩各路光之间的相对距离，提高相干合成效率，而且可以调整多路光之间的平行度并且基于所公开的条纹特征提取算法；本发明装置基于条纹特征提取算法进行测控，只需要判断光斑条纹移动的方向，就能够获得准确有效的多路光的平移相位变化的频率特性，通过判断条纹移动的距离，能够获得平移相位起伏的幅值特性；同时，通过频谱分析不仅能够确定合成系统所需的控制带宽，还能确定控制系统所能达到的校正带宽，再配合一块与分束路数相匹配的分离式压电变形镜，能够自动校正多路光之间的平移相位差；对多路激光相干合成的控制过程也更加简单有效。而现有的平移位相测量方法往往难以同时获得平移相位起伏的幅值特性和频率特性。

附图说明

图1是基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置示意图；

图中：1为种子激光器，2为准直器，3为1xN分束器，4为激光预放级，5为激光放大级，6为分离式压电变形镜，7为空间压缩器，8为聚焦透镜，9为远场成像系统，10计算机，11为高压放大器；

图2是本发明中条纹特征提取算法的原理示意图；

图3是利用针孔+光电探测器测量多束激光合成相位得出的结果：图3(a)表示开环时小孔内的光强起伏，图3(b)表示闭环时小孔内的光强起伏。图3(c)对应开环、闭环的光强起伏频谱；

图4是本发明实施例中利用条纹特征提取算法提取多束激光相位得到的开闭环情况下的合成光斑的平移相差随时间的变化曲线图，其中图4(a)对应开环图，图4(b)对应闭环图，图4(c)对应开闭环情况下平移相差的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

本实施例的一种基于条纹特征提取算法的多路激光相干合成光束相位测控装置如图1所示，由种子激光器1输出的激光束经过准直器2后，再经过1xN分束器3，这里N取3个；接着先后经过预放级4和放大级5两次放大，再通过分离式压电变形镜6反射到空间压缩器7，空间压缩器7一方面压缩光束间的空间距离，同时调整各路光之间的平行度，使各光束尽量平行(平行度越好的多路光，其远场干涉光斑条纹越具有特征规律)，压缩空间距离后的准平行光束再经过聚焦透镜8会聚到成像系统9上，内置于计算机10的条纹特性提取算法用来分析计算机采集到的成像系统9上的远场相干光斑条纹，根据相干条纹左右移动特性，可以准确获得多路激光束间的平移相位的时变特性，通过对该时变特性作功率谱变换，可以获得平移相位的频率变化特性，从而获知控制系统校正该位相差需要达到的控制带宽，计算机10通过控制算法(PID)控制高压放大器11，将所需的控制电压施加在分离式压电变形镜6各个电极上，控制分离式压电变形镜6校正多路激光之间的平移位相差，最终使多路激光在需要完成相干合成的位置形成稳定清晰的相干条纹。

现有的平移相位的测量是利用针孔+光电探测器测控多束激光合成相位的装置，测控两束激光得出的开闭环小孔内的光强起伏图分别如图3所示；图3(a)对应开环图，图3(b)对应闭环图，图3(c)是小孔内光强起伏的频谱随时间的变化特性。图3(c)可以知道，开闭环情况下对应的频谱基本一样，也即这类通过测量小孔后光强起伏来确定光束间平移相位差的方式，得出的光强起伏频谱图不能表征出系统的校正带宽。

本发明中测量多光束平移相差所采用的条纹特征提取算法的具体实现方式如下：

因为当多光束间平移相位为0的时候，远场干涉光斑的峰值光强最大，次级大光强趋于最小，当平移相位增大的时候峰值位置向左或是向右移动，当峰值位置移动到次级大位置的时候平移相位变化的幅度为一个波长，基于此原理，对图像进行了处理，其具体方法如下：

(1)首先处理采集到的第一幅CCD图像，将二维数据沿纵向相加得到一维向量。如图2所示，然后对一维向量进行样条插值(如果不进行样条插值，两帧图像不能进行有效的比对和判断条纹运动方向，在处理中，设置插值倍数为K(K>10且K为整数)，也就是在两个数据间再插入K个数据)；

(2)搜索此一维光强序列，找到最大光强和其对应的坐标p0；

(3)从最大光强坐标p0开始，沿左和沿右搜索，找到两个极小值，然后再从两个极小值位置再分别左右搜索找到两个次级大值以及对应的两个坐标pmaxL和pmaxR；

(4)条纹的周期估算为L＝(pmaxR-p0+p0-pmaxL)/2＝(pmaxR-pmax L)/2；

(5)陆续读入图像，依次转化为一维数据并进行样条插值；第一次读入图像，设置p1＝p0，由上一帧计算出的在最大值p1位置向左和向右搜索找到两个值valL和valR，如图2所示，若va1R>valL，则可判断条纹向右移动，否则条纹向左移动。如果条纹向右移动，沿p1递增寻找到最大的光强对应的坐标p1’，并计算条纹位移量为ps1＝p1’-p0，并更新p1，使p1＝p1’，对于条纹向左移动也是一样的，条纹位移量同样为ps1＝p1’-p0；因此条纹的移动量有正有负；以此类推，每一帧都以上一帧计算出来的最大值所在的坐标p1来判断条纹移动方向，然后找到此方向上距离p1最近的最大值所在的坐标p1’，计算该坐标与基准的最大值坐标差值psi；

(6)将偏移量psi(i＝1，2，3......n)与条纹周期L相除得到平移相位与帧数的关系，单位是波长；如果再与实际波长单位相乘就是实际的平移相位扰动量，可以得到平移相位随时间的变化曲线，开环和闭环曲线分别如图4(a)和图4(b)所示，其中，各图中间那根粗线条对应的是平移相位扰动的平均值。从图4(a)和图4(b)可以知道开环和闭环情况下，多路相干光的平移相差随着时间变化的频率和幅度特性，从而大致确定出所需要的控制带宽；

(7)对图4(a)和图4(b)对应的数据再做功率谱计算，就可以得到平移相位的频率变化特性如图4(c)所示，其中：实线对应开环，虚线对应闭环，从图4(c)可以看出在开环和闭环条件下，平移相差的频谱曲线是不同的，从两条曲线的第一个交点可以知道系统的校正带宽，从频谱图上，容易得出该实例系统需要的控制带宽为几十Hz量级。

本发明的闭环算法采用PID算法，其实现方式简述如下：

计算机通过内置的图像采集卡采集CCD上的图像，设初始帧参考光斑的最大光强对应的坐标为P(0)，而按照条纹特征提取算法计算得到的第(n+1)帧光斑的最大光强对应的坐标为P(n+1)，那么，其相对于参考光斑P(0)的移动量为PD_1，n+1。PID算法的控制目标就是让各帧光斑的最大光强都能锁定在参考光斑最大光强对应的位置上；为了校正平移相差，电压经过高压放大器放大后需要同时加载到一个分块小变形镜的三个电极上的，设控制参数为

则此时的输出电压为V_1，n+1，其表达式为：

$V_{1,n+1}=k_0^P\×V_{1,n}+k_P^P\×{\mathrm{PD}}_{1,n+1}+k_l^P\×\underset{i=1}{\overset{n+1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PD}}_{1,i}+k_D^P\×({\mathrm{PD}}_{1,n+1}-{\mathrm{PD}}_{1,n})---\left(1\right)$

按照公式(1)，就可以最终将各帧光斑图像的光强最大值都锁定在参考光斑的光强最大值处。

Claims (8)

1、基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置，其特征在于：包括种子激光器、准直器、1xN分束器、激光预放级、激光放大级、分离式变形镜、空间压缩器、聚焦透镜、远场成像系统、计算机和高压放大器，由种子激光器输出的激光束经过准直器准直后经过分束器，先后再经过预放级和放大级两级激光放大，再通过分离式变形镜反射到空间压缩器，压缩空间距离后的光束再经过聚焦透镜会聚到远场成像系统上，内置于计算机的条纹特性提取算法用来分析计算机采集到的远场成像系统上的相干光斑条纹，计算机通过控制高压放大器将所需的控制电压施加在分离式变形镜的各个电极上，控制分离式变形镜校正多路光束间的位相差。

2、根据权利要求1所述的基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置，其特征在于：所述的种子激光器是基模窄线宽的光纤激光器或者固体激光器。

3、根据权利要求1所述的基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置，其特征在于：所述的预放级和放大级两级放大器都为光纤放大器。

4、根据权利要求1所述的基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置，其特征在于：所述的1xN分束器的N可以为2也可以为3。

5、根据权利要求1所述的基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置，其特征在于：所述的分离式压电变形镜的电极数目和1xN分束器中的N相同。

6、根据权利要求1所述的基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置，其特征在于：所述的空间压缩器由四块平面反射镜组成，每块反射镜上镀制了对参与合成的激光波长高反的膜系。

7、根据权利要求1所述的基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置，其特征在于：所述计算机控制高压放大器将所需的控制电压施加在分离式变形镜的各个电极上，所采用的控制算法为比例-积分-微分算法，即PID算法。

8、根据权利要求1所述的基于条纹特征提取算法的相干合成相位测控装置，其特征在于：所述的远场成像系统的核心成像器件是高速CCD相机或者CMOS相机。

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