CN102707438B - 一种孔径填充装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器相干合成领域,尤其是涉及一种利用叠加式分光干涉光路实现多路光束合成的孔径填充装置及方法。本发明针对现有技术存在的问题,提供一种孔径填充装置及方法实现多路激光光束相干合成,通过多个相干光束经过反射镜、分光镜、反馈电路等进行相位电压误差的控制,使多路相干光束合成为远场单一主瓣光束。本发明包括第一合成干涉光路、第二合成干涉光路,用于对输入的两路光信号进行功率合成;合成器,用于对第一合成干涉光路、第二合成干涉光路输出信号进行功率合成;第一分光镜,用于对合成器输出的光信号进行反射和透射;第一反馈电路,用于将分光镜反射的光信号进行反馈光信号调节。本发明主要应用于激光器相干合成领域。
Description
技术领域
本发明涉及激光器相干合成领域,尤其是涉及一种利用叠加式分光干涉光路实现多路相干激光光束合成的孔径填装置及方法。
背景技术
为了突破单个激光器功率瓶颈的限制,将多路激光器进行相干合成从而获得更高的激光功率输出受到越来越多研究者的重视。在主动相干合成技术中,采用相位检测和控制技术可以使多路光束的相位保持高度相关,但是由于光路中的光场模式以及机械装配等原因,各路光束排布不可能无限紧密,实际激光阵列的填充因子(填充因子指的是近场激光阵列有效出光面积占整个孔径的比率)一般远小于 1,由此将造成激光阵列的合成光束具有多旁瓣结构,相当部分的能量将分布在旁瓣中,能量集中度低。
为了获得远场单一主瓣光束信号,研究者提出了幅相转换、自成像波导、光束整形、衍射光学法、光束截断法等孔径填充技术。幅相转换技术的关键是设计合适的相位板,但是相位板很难承受透镜聚焦导致的极高的激光功率密度;自成像波导利用的是多模波导的“自成像”效应,但是波导的尺寸较小,容纳的激光光束数量有限,另外耐高功率的自成像波导设计也是难点;光束整形通过非球面透镜组把各路激光光束整形为振幅、相位均匀分布的平顶光束,但是具有整形功能的非球面透镜组的设计非常困难,另外多路透镜组的调节也非常麻烦;衍射光学法需要设计特殊的光栅,例如达曼光栅,但是该光栅还需要耐高功率激光辐照,且会因为引入热变形等其他因素而破坏合成光束的光束质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术存在的问题,提供一种叠加式分光干涉光路实现多路激光光束相干合成的孔径填充技术,通过多个相干光束经过反射镜、分光镜、反馈电路等进行相位电压误差的控制,使多路相干光束合成为远场单一主瓣光束信号,其中采用叠加式结构不受相干合成光束数量的限制。
本发明采用的技术方案如下:
一种孔径填充装置,包括第一合成干涉光路、第二合成干涉光路,用于对输入的两路光信号进行功率合成;合成器,用于对第一合成干涉光路、第二合成干涉光路输出信号进行功率合成;第一分光镜,用于对合成器输出的光信号进行反射和透射;第一反馈电路,用于将分光镜反射的光信号进行反馈光信号调节。
所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路分别包括第一光电相位调制器,用于对输入的第一光路信号进行相位调节;第一反射镜,用于反射第一电光相位调制器输出的光信号给第二分光镜;第二分光镜:用于分别反射第一反射镜折射的光信号,透射第二电光相位调制器的光信号形成第三光路;同时反射第二电光相位调制器的光信号给第二反射镜,透射第一反射镜折射的光信号给第二反射镜;第二反射镜,用于折射第二分光镜的折射光信号,同时折射第二分光镜透射的信号形成第四光路;第三分光镜,用于对第三光路信号进行反射和透射;第二反馈电路,用于对第三分光镜反射的光信号进行反馈光、信号调节。
所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路中
其中I3是第三光路信号的光强,I4是第四光路信号的光强,θ表示第一光路信号、第二光路信号两路光的相位差;若θ=0,可得I3=2I,I4=0,则第一合成干涉光路、第二合成干涉光路的输出光信号为第三光路;若θ=π,可得I3=0,I4=2I,则第一合成干涉光路、第二合成干涉光路的输出光信号为第四光路。
所述合成器包括第二电光相位调制器,用于通过反馈电路输出的误差值调节第一合成干涉光路功率值;第三反射镜,用于反射第二电光相位调制器输出的光信号;第四分光镜,用于对第三反射镜反射的光信号、第二合成干涉光路输出的光信号进行反射、折射,输出至第一分光镜。
所述第一反馈电路、第二反馈电路包括光电探测器,用于将第一分光镜或者第三分光镜透射的光信号转换为电信号;误差放大器,用于将光电探测器输出的电信号与参考电压值进行比对,将比对的误差值输出至合成器第二电光相位调制器。
所述步骤包括:
步骤一,第一合成干涉光路、第二合成干涉光路分别将两路输入光信号进行功率合成;
步骤二:合成器将第一合成干涉光路、第二合成干涉光路输出的光信号进行功率合成;
步骤三:合成器输出的光信号进过反馈电路进行闭环控制后输出。
所述的步骤一中所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路分别包括第一光电相位调制器,用于将输入的光信号进行相位调节;第一反射镜,用于反射第一电光相位调制器输出的光信号给分光镜;第二分光镜:用于分别反射第一反射镜折射的光信号,透射第二电光相位调制器的光信号形成第三光路;同时反射第二电光相位调制器的光信号给第二反射镜,透射第一反射镜折射的光信号给第二反射镜;第二反射镜,用于折射第二分光镜的折射光信号,同时折射第二分光镜透射的信号形成第四光路;
第三分光镜,用于对第三光路信号进行反射和透射。
所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路中
其中I3是第三光路信号的光强,I4是第四光路信号的光强,θ表示第一光路信号、第二光路信号两路光的相位差;若θ=0,可得I3=2I,I4=0,则第一合成干涉光路、第二合成干涉光路的输出光信号为第三光路;若θ=π,可得I3=0,I4=2I,则第一合成干涉光路、第二合成干涉光路的输出光信号为第四光路。
所述合成器包括第二电光相位调制器,用于通过反馈电路输出的误差值调节第一合成干涉光路功率值;第三反射镜,用于反射第二电光相位调制器输出的光信号;第四分光镜,用于对第三反射镜反射的光信号、第二合成干涉光路输出的光信号进行反射、折射,输出至第一分光镜;
所述第一反馈电路、第二反馈电路包括光电探测器、误差放大器,所述光电探测器,用于将第一分光镜或第三反光镜反射的光信号转换为电信号;误差放大器,用于将光电探测器输出的电信号与参考电压值进行比对,将比对的误差值输出至合成器第二电光相位调制器。
一种孔径填充装置包括2n个第一合成干涉光路、合成器、反馈电路、分光镜,所述每两个第一合成干涉光路通过合成器进行光路信号的合成,经过光路合成后的光信号通过分光镜与反馈电路进行闭环控制后输出,依次级联2n个第一合成干涉光路,形成叠加式分光干涉光路,其中n大于等于1。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
(1)、两路光路信号光束相干合成时,第一光路经过分光镜的透射光束与第二光路经过两个反射镜和分光镜处理后,使得第一光路、第二光路两路相干合成光束根据光的干涉原理与光的半波反射现象,通过调节两路光束的相位差获得远场单一主瓣光束信号;
(2)、本设计中第一合成光路、第二合成光路两路输出通过合成器进行光信号合成后,在通过反光镜、反馈电路将合成输出的光信号进行闭环调节误差使得输出光信号获得远场单一主瓣光束信号;
(3)、本设计通过误差控制电路对输出相干干涉光束能量形成闭环控制,具体过程是合成器输出的光信号经过分光镜透射后,通过光电探测器将输出光信号对应的电信号反馈给误差放大器,误差放大器通过与参考电压值进行比对,若输出相干干涉光束能量的电压值与参考值存在误差值,则通过相位调制器补偿输出相干干涉光束能量。
(4)采用叠加式分光干涉光路,不受合成光路路数的限制;另外能够实现远场单一主瓣光束信号相干合成,从而提高能量集中度;最后由于全反镜和半透半反镜可以承受很高的激光功率,因此相比其他孔径填充技术有可能实现更高的激光合成功率输出。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1是本设计光信号合成示意图;
图2是第一合成干涉电路、第二合成干涉电路光干涉光路示意图;
图3是合成器示意图;
图4是反馈电路示意图;
图5是叠加式分光干涉光路实现多路相干激光光束合成示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
电光相位调节器:利用电光效应制成的器件。某些光学介质受到外电场作用时,它的折射率将随着外电场变化,介电系数和折射率都与方向有关,在光学性质上变为各向异性,这就是电光效应。电光效应有两种,一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例,称为泡克耳斯(Pockels)效应;另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例,称为克尔(Kerr)效应不能用。利用克尔效应制成的调制器,称为克尔盒,其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。利用泡克耳斯效应制成的调制器,称为泡克耳斯盒,其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种,本设计中应用泡克尔斯效应制成的电光相位调节器。其中设电光相位调制器的半波电压为Vπ,施加在电光调制器的电压为V,则电光相位调制器上的附加相位为
如果没有施加电压,就没有附加相位,只有电光调制器本身的相位φ0,不会发生变化。设输入光信号的相位为φin,输出光信号的相位为φout,则
本设计中光路信号通过电光相位调制器调节时,受到反馈电路反馈信号的影响。反馈电路通过输出的电压信号来控制调节光信号的相位,使得输入电光相位调节器的光信号的相位随之进行闭环调节。
本设计中的反射镜采用全反镜,分光镜采用半透半反镜可以承受更高的激光功率。其中合成器中的分光镜的分光比为1:1。为反馈电路提供光信号的分光镜只需反射小部分光给反馈电路,而透射绝大部分光用于功率合成,例如为反馈电路提供光信号的分光镜分光比值可达1:99,甚至更低。
如图1、图2所述,一种孔径填充装置,包括第一合成干涉光路、第二合成干涉光路,用于对输入的两路光信号进行功率合成(其中第一合成干涉光路与第二合成干涉光路结构都相同);合成器,用于对第一合成干涉光路、第二合成干涉光路输出信号进行功率合成;第一分光镜,用于对合成器输出的光信号进行反射和透射;第一反馈电路,用于将对光镜反射的光信号进行反馈光信号调节。
第一合成干涉光路、第二合成干涉光路包括第一光电相位调制器,用于对输入的第一光路信号进行相位调节;第一反射镜,用于反射第一电光相位调制器输出的光信号给第二分光镜;第二分光镜:用于分别反射第一反射镜折射的光信号,透射第二电光相位调制器的光信号形成第三光路;同时反射第二电光相位调制器的光信号给第二反射镜,透射第一反射镜折射的光信号给第二反射镜;第二反射镜,用于折射第二分光镜的折射光信号,同时折射第二分光镜透射的信号形成第四光路;第三分光镜,用于对第三光路信号进行反射和透射;第二反馈电路,用于对第三分光镜反射的光信号进行反馈光、信号调节。第一合成干涉光路、第二合成干涉光路的光路结构,工作原理都相同,简称合成干涉光路。
合成干涉光路工作原理:
1)第一光路信号经过第一电光相位调制器后通过第一反射镜将调制后的第一光路信号反射至第二分光镜,经过第二分光镜的透射光束与第二光路信号经过第二分光镜的反射光束重合;第二分光镜的反射光束与第二光路经过第二分光镜的透射光束重合。其中第一光路信号和第二光路信号平行,第一反射镜、第二反射镜和第二分光镜、第三分光镜的角度为45度。
2)设分光镜的分光比为1:1,第一光路的光强为I1,第二光路的光强为I2,且I1 =I2 =I,θ表示两路光的相位差(不断随时间变化),I表示光强。第三光路的光场由第一光路的反射光场和第二光路的透射光场组成,由于分光镜的分光比为1:1,因此第一光路的反射光强为,第二光路的透射光强为。
根据光的干涉原理,可得第三路光强I3为公式(3)
第四光路的光场由第一光路的透射光场和第二光路的反射光场组成,由于分光镜的分光比为1:1,因此第一光路的透射光强为,第二光路的反射光强为。由于半波反射现象,两光路相位差为θ+π,根据光的干涉原理,可得第三路光强I4为公式(5)
(5)
3)如果θ=0,可得I3=2I,I4=0;如果θ=π,可得I3=0,I4=2I,因此调节光路1和光路2的相位差,可获得两路光的相干合成。当θ=0时,相干合成光束为I3,当θ=π,相干合成光束为I4。因此合成干涉光路工作过程中当θ=0可使用第三光路的光信号进行后续处理;当θ=π时,用第四光路的光信号进行后续处理。
4)当使用第三光路的光信号进行后续处理时(使用第三光路的光信号进行后续处理与使用第三光路的光信号进行后续处理原理相同第三分光镜将第三光路的光信号分别进行透射和反射,将第三分光镜发射的光信号通过第二反馈电路进行反馈后通过与标准电压进行电压信号对比后,输出电压误差信号控制第一电光相位调节器的控制端,进而通过第一电光相位调节器来调节第一光路的光信号的相位,形成对第一光路输入信号、第二光路输入信号的闭环控制,实时调节合成干涉光路的输出信号,使得第一光路信号与第二光路信号两路光信号重合,因此相干合成光束可以获得远场单一主瓣光束信号。
如图3所示,合成器包括合成器包括第二电光相位调制器、第三反射镜、第四分光镜,其中第二电光相位调节器,用于通过反馈电路输出的误差值调节第一合成干涉光路功率值;第三反射镜,用于反射第二电光相位调制器输出的光信号;第四分光镜,用于对第三反射镜反射的光信号、第二合成干涉光路输出的光信号进行反射、折射,输出至第一分光镜。
合成器工作原理:
1)将第一合成干涉光路通过第二电光相位调节器时,通过第二反馈电路输出的误差电压值控制第一合成干涉光路的输出光信号的相位。
2)将第二光电相位调制器输出的光信号通过第三反射镜进行反射输出,然后通过第四分光镜将第三反射镜反射的光信号进行反射,同时第二合成干涉光路输出信号通过第四分光镜进行透射输出与第三反射镜折射后的光信号通过第四分光镜进行反射的信号相位重合输出。
如图4所示,第一反馈电路、第二反馈电路的电路结构工作原理都相同。简称反馈电路,反馈电路包括光电探测器,用于将第一分光镜或第三反光镜反射的光信号转换为电信号;误差放大器,用于将光电探测器输出的电信号与参考电压值进行比对,将比对的误差值输出至合成器第二电光相位调制器。
反馈电路工作原理是:通过对合成器输出的光信号进行闭环调节。其中合成器输出的光信号通过第一分光镜分别进行反射和透射,通过第一分光镜反射的光信号输入至光电探测器,将光信号转换为对应的电压信号,并经过误差放大器与输入误差放大器的参考电压进行比较,输出误差电压值,通过误差电压值调节合成器输入光信号的相位值。
如图5所示,第三分光干涉光路、第四分光干涉光路直到第n路(其中 n=2m,m大于等于1)分光干涉光路的电路结构,工作原理都相同。本设计可以通过n路分光干涉光路进行叠加,其中分光干涉光路两两分别进行叠加经过合成器、分光镜、反馈电路进行处理后,再次两两进行叠加处理,将所有输入的分光干涉光路信号多次叠加合成为可以获得远场单一主瓣光束信号。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种孔径填充装置,其特征在于包括
第一合成干涉光路、第二合成干涉光路,用于对输入的两路光信号进行功率合成;
合成器,用于对第一合成干涉光路、第二合成干涉光路输出信号进行功率合成;
第一分光镜,用于对合成器输出的光信号进行反射和透射;
第一反馈电路,用于将分光镜反射的光信号进行反馈光信号调节,所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路分别包括
第一光电相位调制器,用于对输入的第一光路信号进行相位调节;
第一反射镜,用于反射第一电光相位调制器输出的光信号给第二分光镜;
第二分光镜:用于分别反射第一反射镜折射的光信号,透射第二电光相位调制器的光信号形成第三光路;同时反射第二电光相位调制器的光信号给第二反射镜,透射第一反射镜折射的光信号给第二反射镜;
第二反射镜,用于折射第二分光镜的折射光信号,同时折射第二分光镜透射的信号形成第四光路;
第三分光镜,用于对第三光路信号进行反射和透射;
第二反馈电路,用于对第三分光镜反射的光信号进行反馈光、信号调节。
3.根据权利要求1所述的一种孔径填充装置,其特征在于所述合成器包括第二电光相位调制器,用于通过反馈电路输出的误差值调节第一合成干涉光路功率值;
第三反射镜,用于反射第二电光相位调制器输出的光信号;
第四分光镜,用于对第三反射镜反射的光信号、第二合成干涉光路输出的光信号进行反射、折射,输出至第一分光镜。
4.根据权利要求2中所述的一种孔径填充装置,其特征在于所述第一反馈电路、第二反馈电路包括光电探测器,用于将第一分光镜或者第三分光镜透射的光信号转换为电信号;
误差放大器,用于将光电探测器输出的电信号与参考电压值进行比对,将比对的误差值输出至合成器第二电光相位调制器。
5.一种孔径填充方法,其特征在于步骤包括:
步骤一,第一合成干涉光路、第二合成干涉光路分别将两路输入光信号进行功率合成;
步骤二:合成器将第一合成干涉光路、第二合成干涉光路输出的光信号进行功率合成;
步骤三:合成器输出的光信号进过反馈电路进行闭环控制后输出,所述步骤一中所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路分别包括
第一光电相位调制器,用于将输入的光信号进行相位调节;
第一反射镜,用于反射第一电光相位调制器输出的光信号给分光镜;
第二分光镜:用于分别反射第一反射镜折射的光信号,透射第二电光相位调制器的光信号形成第三光路;同时反射第二电光相位调制器的光信号给第二反射镜,透射第一反射镜折射的光信号给第二反射镜;
第二反射镜,用于折射第二分光镜的折射光信号,同时折射第二分光镜透射的信号形成第四光路;
第三分光镜,用于对第三光路信号进行反射和透射。
7.根据权利要求5所述的一种孔径填充方法,其特征在于所述合成器包括第二电光相位调制器,用于通过反馈电路输出的误差值调节第一合成干涉光路功率值;
第三反射镜,用于反射第二电光相位调制器输出的光信号;
第四分光镜,用于对第三反射镜反射的光信号、第二合成干涉光路输出的光信号进行反射、折射,输出至第一分光镜;
所述第一反馈电路、第二反馈电路包括光电探测器、误差放大器,所述光电探测器,用于将第一分光镜或第三反光镜反射的光信号转换为电信号;
误差放大器,用于将光电探测器输出的电信号与参考电压值进行比对,将比对的误差值输出至合成器第二电光相位调制器。
8.根据权利要求7所述的一种孔径填充方法,其特征在于包括2n个第一合成干涉光路、合成器、反馈电路、分光镜,所述每两个第一合成干涉光路通过合成器进行光路信号的合成,经过光路合成后的光信号通过分光镜与反馈电路进行闭环控制后输出,依次级联2n个第一合成干涉光路,形成叠加式分光干涉光路,其中n大于等于1。
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