CN103227408A - 基于多相位扰动的光束阵列相位控制系统及方法 - Google Patents

基于多相位扰动的光束阵列相位控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多相位扰动的光束阵列相位控制系统及方法。所述控制系统中的激光源出射激光输入到分束器，分束器输出的多路激光分别输入到对应的相位控制器，相位控制器与光放大器、光学校准发射器顺序连接；光学校准发射器与分光器、远场成像器件顺序连接；远场成像器件将激光输入探测器，探测器输出的电学信号输入相位控制算法模块，相位控制算法模块输出多路电学控制信号至对应的相位控制器，多相位扰动发生模块输出多路电学调制信号至对应的相位控制器。采用本发明能够提高相干合成系统的性能，具有实现大规模组束的能力。

Description

基于多相位扰动的光束阵列相位控制系统及方法
技术领域
本发明涉及相干合成以及光束控制领域，具体涉及一种基于多相位扰动的光束阵列相位控制系统及方法。 
背景技术
因在热管理、光束控制等方面的优势，将多路激光进行相干合成成为突破热效应、激光介质特性等因素限制，获得更高平均功率、高光束质量的激光输出的可行途径之一。实现相干合成需要采用相位控制技术锁定各路激光的相位，达到近似一致的状态。由于各种相位噪声来源的影响，实际系统中各路光束的相位会动态变化。为了保证系统相位的有效锁定，相位控制速度是评价系统性能的重要指标。目前成功实现高功率输出的相干合成激光阵列使用的是主动相位控制方法，主要有外差法、电子频标法（Electronic-frequency Tagging）和随机并行梯度下降法（SPGD）。 
外差法是对多路子光束相对同一参考光的相移进行同步探测并行补偿，因此控制速度快；但当阵列规模较大时，这需要庞大的探测器阵列及控制系统，同时对探测器阵列的排列精度以及参考光和信号光的空间准直和共轴有严格的要求，使得实际实现大规模组束困难。电子频标法和随机并行梯度下降法系统结构相同，其差别在于电学控制模块的算法不同；由于均采用单探测器结构，光路简单，有利于实现大规模组束；两种方法均会随着合成光束数目的增加，控制速度降低，控制带宽减小。因此有效提高控制速度是相干合成向大规模扩展必须面对的问题。 
随机并行梯度下降法方法无法获得子光束之间的相移，完全依靠多次迭代完成相位锁定。电子频标法通过对各路子光束进行射频正弦小信号调制，为每路信号附加标记，在经过电学相关检测从探测器的输出电流中分离出相位差信息；另外为保证正确分离出相位信息，相关检测的时间τ需要尽量长，但系统控制速度反比于τ，实际中兼顾控制速度和检测精度，τ一般取10倍射频正弦调制周期，由于射频正弦调制周期一般需50倍时钟周期以上，因此相关检测将耗费500倍时钟周期；各个光束的相位较一致时，电子频标法的反馈控制信号近似正比于相位差值，但是当相位差接近π时反馈量较小，需多次迭代实现收敛，导致系统控制速度下降。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于多相位扰动的光束阵列相位控制系统，本发明要解决的另一技术问题是提供一种基于多相位扰动的光束阵列相位控制方法，以实现结构简单、控制速度快的相位控制，提高相干合成系统的性能以及向大规模扩展的能力。 
本发明的基于多相位扰动的光束阵列相位控制系统，其所述控制系统中的激光源出射激光输入到分束器，分束器输出的多路激光分别输入到对应的相位控制器，相位控制器与光放大器、光学校准发射器顺序连接；光学校准发射器与分光器、远场成像器件顺序连接；远场成像器件将激光输入探测器，探测器输出的电学信号输入相位控制算法模块，相位控制算法模块输出多路电学控制信号至对应的相位控制器，多相位扰动发生模块输出多路电学调制信号至对应的相位控制器。 
本发明的基于多相位扰动的光束阵列相位控制方法，包括如下内容：在相位调制阶段，多相位扰动发生模块输出调制信号至相位控制器，产生激光相位的多相位扰动，通过探测器获取多相位扰动对应的光强变化，相位控制算法模块根据光强变化信息解算得到各光束之间的相位差信息，在相位控制阶段，相位控制算法模块将相位校正量输出到相位控制器，实现多光束之间的相位控制。 
其中，所述的多光束之间的相位控制，为根据解算出的相位差信息，将通过光学校准发射器后的各路光束相位设定一致以实现远场光轴中心处的相干合成，或者在非共口径发射方式下将各路光束相位设定为实施差值，通过近场波面倾斜方式实现相干光束的角度偏转。 
其中，所述的多相位扰动，指第i路被施加相位扰动时，相位扰动量按时间顺序依次等于幅度大小为 
Figure 410903DEST_PATH_IMAGE001
的L个相位值。 
其中，所述的多相位扰动，为同一时刻对N路光束中的m路施加扰动，其余 (N-m)路不施加扰动，m的取值区间为[1, N-1]。 
其中，所述的相位控制算法模块根据光强变化信息解算得到各光束之间的相位差信息，指第i路光束被施加
Figure 584395DEST_PATH_IMAGE002
的相位扰动时，对应的探测器输出的光电流信号为
Figure 657394DEST_PATH_IMAGE003
，则第i路和第j路之间的相位差信息由
Figure 687667DEST_PATH_IMAGE004
Figure 849045DEST_PATH_IMAGE005
Figure 357387DEST_PATH_IMAGE006
Figure 488154DEST_PATH_IMAGE007
求解得到，求解算法由多相位扰动方式决定。 
本发明基于多相位扰动的光束阵列相位控制系统采用单探测器结构，无相关检测过程，控制电路结构更为简单。每轮控制周期内仅对于每路子光束进行几次相位扰动，即可解算出相位信息，控制时间短，提高系统控制速度和控制带宽。不同于电子频标法和随机并行梯度下降法，该方法可以较准确的获得子光束之间的相移量大小，一方面可以避免迭代过程，一方面可以根据需要设定子光束的相位值，如通过近场波面倾斜方式实现相干光束的角度偏转。 
附图说明
图1是本发明基于多相位扰动的光束阵列相位控制系统的结构示意图； 
图2是本发明的第一种多相位扰动所对应的相位扰动量的示意图；
图3是本发明的第二种多相位扰动所对应的相位扰动量的示意图；
图4是本发明的第三种多相位扰动所对应的相位扰动量的示意图；
图5是本发明的第四种多相位扰动所对应的相位扰动量的示意图；
图中，1、激光源；2、分束器；3、相位控制器；4、光放大器；5、光学校准发射器; 6、分光器；7、远场成像器件；8、探测器；9、相位控制算法模块；10、多相位扰动发生模块。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。 
图1是本发明多相位扰动的光束阵列相位控制系统的结构示意图，如图1所示，本发明多相位扰动的光束阵列相位控制系统包括激光源1，分束器2，相位控制器3，光放大器4，光学校准发射器5，分光器6，远场成像器件7，探测器8，相位控制算法模块9，多相位扰动发生模块10。激光源1为1064nm掺镱光纤激光器，输出的光经过1×N分束器2后，分为N路，每路均连接独立的相位控制器3。相位控制器3为磷酸锂电光相位调制器，接收相位控制算法模块9和多相位扰动发生模块10的电学信号，在相位调制阶段根据多相位扰动发生模块10的调制信号进行激光相位的扰动，在相位控制阶段根据相位控制算法模块9解算生成的相位校正量进行相位控制。相位控制算法模块9和多相位扰动发生模块10分别采用FPGA或DSP芯片。经过相位控制的N路光束经过光放大器4获得放大后，经过光学校准发射器5发射输出。光学校准发射器5由光学准直器和光场拼接器组成，使得多路激光以光场拼接的非共口径方式发射：各路激光的光轴相互平行，各路激光的近场边缘相互靠近但不重叠。分光器6为99%反射，其余光透射的反射镜，反射光用于系统最终输出，透射光经过远场成像器件7，进入探测器8。远场成像器件7采用汇聚透镜，由傅里叶光学可知其焦平面上的光场分布与系统最终输出的远场分布相同。探测器8采用InGaAs光电探测器，可响应1064nm波长及其附近的光，放置在汇聚透镜的焦平面上，且仅采集远场中心区域附近的能量。探测器8获得的光强信息通过电学回路输出到相位控制算法模块9，后者根据在相位调制阶段多相位扰动所对应的光强变化信息解算得到各光束之间的相位差，输出到相位控制器3，实现多光束之间的相位控制：将各路光束相位设定一致，实现远场光轴中心处的相干合成。 
本发明中的光学校准发射器5可以换为衍射元件，将不同角度的多路激光合并成一束激光输出，即所谓的共口径发射方式。 
本发明中的多光束之间的相位控制，在光场拼接的非共口径发射时，还可将各路光束相位设定为实施差值，通过近场波面倾斜的方式实现相干光束的角度偏转。 
由于多相位扰动需要与相位控制算法相匹配，下面将给出多相位扰动与相位控制算法的具体实施例。 
首先定义N路相位为
Figure 689328DEST_PATH_IMAGE008
子光束合成后在探测器输出的光电流信号为
Figure 335073DEST_PATH_IMAGE009
；第i路子光束单路发射时的光电流信号为
Figure 647106DEST_PATH_IMAGE010
，其值可在合成前探测获得，各路的值差异较小，均值为
Figure 694696DEST_PATH_IMAGE011
。 
定义对第i路子光束不施加扰动、施加
Figure 66772DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 199813DEST_PATH_IMAGE013
扰动，其他各路均不施加扰动时探测器响应分别为： 
Figure 701223DEST_PATH_IMAGE016
       定义对第i路子光束施加
Figure 55981DEST_PATH_IMAGE012
扰动的同时对第j路子光束施加-
Figure 975395DEST_PATH_IMAGE012
扰动，其他各路均不施加扰动时探测器响应为：
Figure 669682DEST_PATH_IMAGE017
定义对第i路子光束施加
Figure 383560DEST_PATH_IMAGE018
扰动的同时对第j路子光束施加-
Figure 491193DEST_PATH_IMAGE018
扰动，其他各路均不施加扰动时探测器响应为：
Figure 948719DEST_PATH_IMAGE019
定义对第i路子光束施加-扰动的同时对第j路子光束施加
Figure 701399DEST_PATH_IMAGE012
扰动，其他各路均不施加扰动时探测器响应为：
       定义对第i路子光束施加-
Figure 964070DEST_PATH_IMAGE018
扰动的同时对第j路子光束施加
Figure 695265DEST_PATH_IMAGE018
扰动，其他各路均不施加扰动时探测器响应为：
Figure 16525DEST_PATH_IMAGE021
本发明的第一种多相位扰动与相位控制算法的实施例
图2是本发明的第一种多相位扰动所对应的相位扰动量的示意图，曲线分别为第1路多相位扰动信号21，第2路多相位扰动信号22，第i路多相位扰动信号23，第N路多相位扰动信号24。图2中的多相位扰动所对应的探测器响应属于
Figure 567592DEST_PATH_IMAGE022
两种类型，具有如下关系：
Figure 155886DEST_PATH_IMAGE024
       等式左侧的表达式和电子频标法的结果相同。本实施例无法直接解算出相位差值，但类似于电子频标法，在相位近似相同时，有近似表达：
Figure 686410DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 292359DEST_PATH_IMAGE027
为N路子光束的平均相位。实现相位一致相位控制时，由相位控制算法模块9输出到相位控制器3的第i路的相位反馈量为：
Figure 732568DEST_PATH_IMAGE028
该相位反馈量累加至相位控制器3，若相位控制器3的相位值超过[-π, π]区间取模2π后的数值。
第二种多相位扰动与相位控制算法的实施例 
       图3是本发明的第二种多相位扰动所对应的相位扰动量的示意图，曲线分别为第1路多相位扰动信号31，第2路多相位扰动信号32，第i路多相位扰动信号33，第N路多相位扰动信号34。图3中的多相位扰动所对应的探测器响应属于
Figure 333314DEST_PATH_IMAGE029
Figure 858973DEST_PATH_IMAGE022
Figure 265683DEST_PATH_IMAGE023
三种类型，具有如下关系：
Figure 825978DEST_PATH_IMAGE030
其中误差项
Figure 394362DEST_PATH_IMAGE031
满足
       由于各路的值之间的差异较小，误差项的值很小，另外各子光束相位较一致时（包括光束偏转角度不大的情况），误差项的值会进一步缩小。
实际控制中，对于相干合成系统，相位波π/32时光束质量退化约1%，因此无需高精度的反三角函数求解，相位差值
Figure 97767DEST_PATH_IMAGE034
通过查表法搜索获得，相位控制精度为π/32。 
实现相位一致相位控制时，通过上述方法求解得到的相位反馈量累加至相位控制器3，若相位控制器3的相位值超过[-π, π]区间取模2π后的数值。 
  
第三种多相位扰动与相位控制算法的实施例
图4是本发明的第三种多相位扰动所对应的相位扰动量的示意图，曲线分别为第1路多相位扰动信号41，第2路多相位扰动信号42，第i路多相位扰动信号43，第N路多相位扰动信号44。图4中的多相位扰动所对应的探测器响应属于
Figure 837052DEST_PATH_IMAGE029
Figure 23500DEST_PATH_IMAGE035
Figure 292808DEST_PATH_IMAGE036
Figure 406257DEST_PATH_IMAGE037
五种类型，具有如下关系：
Figure 393805DEST_PATH_IMAGE038
其中误差项满足
Figure 69822DEST_PATH_IMAGE039
       由于各路的
Figure 419420DEST_PATH_IMAGE033
值之间的差异较小，误差项的值很小，另外各子光束相位较一致时（包括光束偏转角度不大的情况），误差项的值会进一步缩小。
实际控制中，对于相干合成系统，相位波动为π/32时光束质量退化约1%，因此无需高精度的反三角函数求解，相位差值
Figure 628684DEST_PATH_IMAGE034
通过查表法搜索获得，相位控制精度为π/32。 
实现相位一致相位控制时，通过上述方法求解得到的相位反馈量累加至相位控制器3，若相位控制器3的相位值超过[-π, π]区间取模2π后的数值。 
  
第四种多相位扰动与相位控制算法的实施例
图5是本发明的第四种多相位扰动所对应的相位扰动量的示意图，曲线分别为第1路多相位扰动信号51，第2路多相位扰动信号52，第i路多相位扰动信号53，第N路多相位扰动信号54。图5中的多相位扰动所对应的探测器响应属于
Figure 656683DEST_PATH_IMAGE029
Figure 900583DEST_PATH_IMAGE022
Figure 418152DEST_PATH_IMAGE035
Figure 380292DEST_PATH_IMAGE040
Figure 946402DEST_PATH_IMAGE041
五种类型，具有如下关系：
Figure 44808DEST_PATH_IMAGE042
实际控制中，对于相干合成系统，相位波动为π/32时光束质量退化约1%，因此无需高精度的反三角函数求解，相位差值
Figure 733278DEST_PATH_IMAGE034
通过查表法搜索获得，相位控制精度为π/32。
实现相位一致相位控制时，通过上述方法求解得到的相位反馈量累加至相位控制器3，若相位控制器3的相位值超过[-π, π]区间取模2π后的数值。 

Claims (6)

1.基于多相位扰动的光束阵列相位控制系统，其特征在于，所述控制系统中的激光源（1）出射激光输入到分束器（2），分束器（2）输出的多路激光分别输入到对应的相位控制器（3），相位控制器（3）与光放大器（4）、光学校准发射器（5）顺序连接；光学校准发射器（5）与分光器（6）、远场成像器件（7）顺序连接；远场成像器件（7）将激光输入探测器（8），探测器（8）输出的电学信号输入相位控制算法模块（9），相位控制算法模块（9）输出多路电学控制信号至对应的相位控制器（3），多相位扰动发生模块（10）输出多路电学调制信号至对应的相位控制器（3）。
2.基于多相位扰动的光束阵列相位控制方法，其特征在于，所述的相位控制方法包括如下内容：在相位调制阶段，多相位扰动发生模块（10）输出调制信号至相位控制器（3），产生激光相位的多相位扰动，通过探测器（8）获取多相位扰动对应的光强变化，相位控制算法模块（9）根据光强变化信息解算得到各光束之间的相位差信息，在相位控制阶段，相位控制算法模块（9）将相位校正量输出到相位控制器（3），实现多光束之间的相位控制。
3.根据权利要求2所述的基于多相位扰动的光束阵列相位控制方法，其特征在于，所述的多光束之间的相位控制，为根据解算出的相位差信息，将通过光学校准发射器（5）后的各路光束相位设定一致以实现远场光轴中心处的相干合成，或者在非共口径发射方式下将各路光束相位设定为实施差值，通过近场波面倾斜方式实现相干光束的角度偏转。
4.根据权利要求2所述的基于多相位扰动的光束阵列相位控制方法，其特征在于，所述的多相位扰动，指第i路被施加相位扰动时，相位扰动量按时间顺序依次等于幅度大小为                                                
Figure 644355DEST_PATH_IMAGE001
的L个相位值。
5.根据权利要求2所述的基于多相位扰动的光束阵列相位控制方法，其特征在于，所述的多相位扰动，为同一时刻对N路光束中的m路施加扰动，其余 (N-m)路不施加扰动，m的取值区间为[1, N-1]。
6.根据权利要求2所述的基于多相位扰动的光束阵列相位控制方法，其特征在于，所述的相位控制算法模块(9)根据光强变化信息解算得到各光束之间的相位差信息，指第i路光束被施加
Figure 466818DEST_PATH_IMAGE001
的相位扰动时，对应的探测器输出的光电流信号为
Figure 796168DEST_PATH_IMAGE002
，则第i路和第j路之间的相位差信息由
Figure 561779DEST_PATH_IMAGE003
Figure 230658DEST_PATH_IMAGE004
Figure 102985DEST_PATH_IMAGE006
求解得到，求解算法由多相位扰动方式决定。
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