CN104034434A - 一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，包括自适应光纤耦合器阵列、耦合器集成装置、传能光纤、光电探测器组、控制平台和多通道高压放大器。自适应光纤耦合器阵列安装于耦合器集成装置中，将入射激光束分割、聚焦并耦合进耦合器的内置光纤。传能光纤与自适应光纤耦合器的内置光纤相连，将激光传输至光电探测器组后，每路自适应光纤耦合器的光信号被转换为电信号并被传送至控制平台。控制平台根据接收电信号，采用优化控制算法产生驱动控制电压，经高压放大器放大后，作用于自适应光纤耦合器阵列；控制平台利用每路自适应光纤耦合器能量最大化对应的驱动控制电压反演得到各子孔径内的波前斜率，并据此利用波前复原算法重构波前相位。

Description

一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器

技术领域

本发明涉及一种入射光束波前相位的测量装置，尤其涉及一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，属于光学工程技术领域。在激光大气传输、自由空间激光通信、激光雷达等领域有着重要的应用前景。

背景技术

自适应光学技术已被广泛应用在天文观测、激光大气传输、自由空间激光通信等领域，用于缓解大气湍流效应等对光束质量的影响，提升系统的性能。在自适应光学系统中，波前相位传感器的特性是决定系统整体性能的主要环节之一，其中，哈特曼-夏克波前相位传感器、剪切干涉波前相位传感器、曲率波前相位传感器等是传统自适应光学中常用的波前相位传感器。哈特曼波前相位传感器是目前应用最广的波前实时测量装置，其由微透镜阵列和置于微透镜阵列焦平面处的阵列式光电探测器组成。其基本原理为利用微透镜阵列将入射光束波前分割为若干子孔径区域，再利用阵列式光电探测器(CCD或CMOS相机)测量出各子孔径区域内远场光斑的质心偏移量，求得波前斜率，最后利用各种波前复原算法复原出整体的畸变光束波前。哈特曼波前相位传感器的典型结构可以参见发明专利“光学波前相位传感器”(公开号CN1245904)公开的一种光学波前相位传感器；哈特曼波前相位传感器复原算法的优化可以参见文献“哈特曼夏克传感器的泽尼克模式波前复原误差”[李新阳，姜文汉。光学学报，22(10)，1236-1240(2002)]的分析。

随着光纤激光技术的发展，利用光纤激光阵列的相干合成(光学相控阵)来实现高功率密度、高光束质量的激光束成为可能。近年来，基于MOPA结构的光纤激光相干合成技术得到了持续发展。而以光纤相位调制器和自适应光纤准直器(Adaptive fiber-optics collimator，AFC)阵列为代表的光纤激光相控阵技术也得到了初步的探索。其中，自适应光纤准直器于2005年和2011年由美国陆军研究实验室的L.Beresnev等人(L.Beresnev and M.Vorontsov,“Design of adaptive fiber optics collimator for free-space communication laser transceiver,”Proc.SPIE5895,58950R(2005))和中国科学院光电技术研究所的耿超等人(C.Geng,X.Li,et al.,“Coherent beam combination of an optical array using adaptive fiber optics collimators,”OpticsCommunications284,5531-5536(2011))分别独立研制，该器件可以在小角度范围内自适应地精确控制出射准直光束的偏转角度。2013年，耿超等人又提出了名称为“一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系统”(申请号2013101612227)的发明专利，并实现了空间激光到光纤的高效自适应耦合(W.Luo,C.Geng,et al.,“Experimental demonstration ofsingle-mode fiber coupling using adaptive fiber coupler,”Chinese Physics B23,014207(2014))。当前，在基于主振荡-功率放大结构的主动式相干合成系统中，主要采用无波前传感器的方法对大气湍流波前进行校正，比如随机并行梯度下降算法等，但是，随着合成单元数目的增多，迭代算法的收敛速率变慢，控制带宽下降。而传统自适应光学的波前相位传感器与光纤激光相干合成系统相结合时存在着诸多不便，因此需要探索一种新构架的、便于与光纤激光阵列相结合的波前相位传感器。

本发明以自适应光纤耦合技术为基础，提出了一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有阵列式光纤激光光束合成装置无法直接测量波前相位的不足，克服传统自适应光学的波前相位传感器与光纤激光阵列相结合时存在的诸多不便，提出一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，其特征在于包括：自适应光纤耦合器阵列、耦合器集成装置、传能光纤、光电探测器组、控制平台和多通道高压放大器，其中控制平台又包括波前重构模块和性能指标并行优化模块。自适应光纤耦合器阵列安装于可多维调节的耦合器集成装置中，将入射激光束分割、聚焦并耦合进耦合器的内置光纤。传能光纤与自适应光纤耦合器的内置光纤相连，将激光传输至光电探测器组后，每路自适应光纤耦合器的光信号被转换为电信号并被传送至控制平台。控制平台的性能指标并行优化模块根据接收电信号，采用优化控制算法产生驱动控制电压，经高压放大器放大后，作用于自适应光纤耦合器阵列，使其耦合光能量最大化；控制平台的波前重构模块利用每路自适应光纤耦合器能量最大化对应的驱动控制电压反演得到各子孔径内的波前斜率，并据此利用波前复原算法重构波前相位。

所述自适应光纤耦合器内置光纤的光纤端面位置与施加于其上的驱动电压存在简单线性关系，根据驱动电压值可反演得到光纤端面位置；自适应光纤耦合器阵列经优化控制算法实现每路耦合光能量最大时，光纤端面位置直接对应于分割子光束的聚焦光斑质心位置；此时可建立每路自适应光纤耦合器的驱动控制电压与分割子光束聚焦光斑质心的关系，再根据耦合透镜的焦距值可算得各子孔径内的波前斜率。

所述自适应光纤耦合器固定在耦合器集成装置上的排布方式可为三角形、方形、六角形、圆形、环形或其他排布方式，同时，可通过增加自适应光纤耦合器的数量来增大整体接收口径。

所述入射激光束的口径可以为圆形、环形、方形或其他任意形状。

所述自适应光纤耦合器的内置光纤及传能光纤可为单模光纤、单模保偏光纤、大模场直径双包层光纤、多模光纤、光子晶体光纤或其他光纤，光纤的工作波长范围应覆盖待测激光束的光波长。

所述光电探测器可为光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管、光电倍增管或其他光电探测器，光电探测器的工作波长范围应覆盖待测激光束的光波长。

所述控制平台的性能指标并行优化模块的控制算法可采用随机并行梯度下降算法(C.Geng,X.Li,et al.,“Coherent beam combination of an optical array using adaptive fiber opticscollimators,”Optics Communications284,5531-5536(2011))、爬山法(姜文汉等,“爬山法自适应光学波前校正系统,”中国激光15，17-21(1986))等盲优化控制算法或其他优化控制算法。

所述波前复原算法可采用模式波前复原法(G.Dai,“Modal wave-front reconstruction withZernike polynomials and Karhunen-Loeve functions,”J.Opt.Soc.Am.A13,1218-1225(1996))、区域波前复原法(D.Fried,“Least square fitting a wave front distortion estimate to an array ofphase-difference measurements,”J.Opt.Soc.Am.A67,370-375(1977))等复原算法。

所述一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器可测量静态波前相位，也可以采用高速迭代的方法测量动态变化的波前相位。

本发明的原理可表述为：一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，利用空间上一定分布的自适应光纤耦合器阵列对入射光束分割、采样，每个耦合器对应全孔径的一个子孔径。以空间激光束耦合进光纤中光能量最大化为指标，利用优化控制算法控制自适应光纤耦合器，使其内置光纤端面在耦合透镜焦平面内移动，实现耦合光功率最大化，此时光纤端面的位置即为入射子光束聚焦光斑的质心位置，根据该质心位置相对于零点标定位置的偏差量，即可推算得到子孔径处入射子光束的波前斜率信息。利用同样的方法可得到阵列中每个自适应光纤耦合器的最优控制电压及对应的波前斜率，运用模式法或区域法等波前复原算法即可以重构全孔径的波前信息。

如图2所示为引用名称为“一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系统”(申请号2013101612227)的发明专利中自适应光纤耦合器的结构示意图。在耦合光能量最大时，自适应光纤耦合器的光纤端面与耦合透镜焦点之间的坐标位置偏差Δx(或Δy)与实际聚焦光斑质心的偏移量是一致的，且与每路自适应光纤耦合器能量最大化对应的驱动控制电压(或其中i表示子孔径数)成线性比例关系。由此得到每路自适应光纤耦合器能量最大化对应的驱动控制电压与每个子孔径内子波前斜率的关系

$s_i^x=\mathrm{\ηk}{\stackrel{\→}{V}}_i^x/f,s_i^y=\mathrm{\ηk}{\stackrel{\→}{V}}_i^y/f---\left(1\right)$

其中η为比例因子，k＝2π/λ为光波空间频率，λ为激光波长，自适应光纤耦合器阵列中耦合透镜的焦距均为f。

根据哈特曼波前相位传感器模式复原法的原理，各阶模式系数复原计算公式为

b＝Z⁺s    (2)

其中一维向量一维模式系数向量b＝{b₁,b₂,…,b_p}，Z⁺为模式法复原矩阵Z的广义逆，以此得到波前的Zernike多项式像差模式系数向量b，再根据Zernike系数向量用各阶Zernike多项式复原全孔径内的波前信息，最终可实现波前传感器的功能。

本发明的波前相位传感器的光能量探测器采用分立的光电探测器，摆脱了对阵列探测器(如CCD相机、CMOS相机)的依赖，在探测带宽、探测灵敏度、工作频谱范围、价格、制造难度等方面都有着巨大优势。

附图说明

图1为本发明基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器的结构示意图；

图2为引用名称为“一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系统”(申请号2013101612227)的发明专利中自适应光纤耦合器的结构示意图；其中，1为十字梁，2为基座，3为双压电驱动器，4为光纤端面，5为耦合透镜。

图3为本发明实施例在波前复原时，利用每路自适应光纤耦合器能量最大化对应的驱动控制电压反演得到各子孔径内在正交的两个方向上的波前斜率，以及静态模拟畸变光波前相位在各子孔径内正交的两个方向上的平均波前斜率，这两种情况的对比图；

图4为本发明实施例波前复原得到的波前与模拟畸变波前的对比示意图；图4中，图(a)为本发明实施例波前复原采用的符合科尔莫格诺夫湍流模型的相位畸变光波前，图(b)为本发明实例波前复原得到的波前相位，图(c)为本发明实例波前复原得到的波前与真实波前间的相位残差。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例中一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，由自适应光纤耦合器1阵列、耦合器集成装置2、传能光纤3、光电探测器4组、控制平台5和多通道高压放大器6。其中，控制平台5又包括波前重构模块5-1和性能指标并行优化模块5-1。自适应光纤耦合器1阵列呈六角密排，单元数取十九。

如图1所示，本实施例基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器中各组件的连接关系为：空间光波束经自适应光纤耦合器1内的耦合透镜耦合进端面位于透镜焦平面上的单模光纤中，经传能光纤3传输至光电探测器4中进行光电转换得到对应接收光能量的电压信号，电压信号传输至控制平台5的性能指标并行优化模块5-2进行处理得到作用于相应自适应光纤耦合器1上的控制电压量，经高压放大器6放大后施加到自适应光纤耦合器1上。

当基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器工作时，包含畸变波前信息的光束投射到自适应光纤耦合器1阵列的接收孔径上，并被各接收子孔径分割为分立子光束，经自适应光纤耦合器1中耦合透镜聚焦后，被耦合进端面位于耦合透镜焦平面上的内置光纤中，耦合光束经传能光纤3传输至光电探测器4中进行光能量的测量并转换为电压信号，电压信号被送至性能指标并行优化模块5-1中进行处理，采用随机并行梯度下降优化控制算法得到控制电压量，经高压放大器6放大后施加到自适应光纤耦合器1上，闭环优化控制的结果使得耦合进自适应光纤耦合器1中内置光纤的光能量达到最大，此时可认为光纤端面的位置就是各子孔径处畸变光波前经聚焦后的光斑质心位置，根据施加到自适应光纤耦合器1上的控制电压量就可以得到光纤端面在耦合透镜焦平面上的位置，进而可以得到各子孔径处畸变相位波前的波前斜率，通过模式法就可以复原出整个畸变波前。

本发明中优化控制算法的具体计算过程如下：

1)计算机生成一组符合零均值、伯努利分布的扰动电压量k为迭代次数，表示i表示对第i个子孔径施加控制电压，x、y表示施加控制电压对应光纤端面偏移的方向；

2)将电压值经高压放大器6放大后施加到自适应光纤耦合器1阵列上，驱动其内部的双压电驱动器带动光纤端面在耦合透镜的焦平面内移动，相应的光电探测器4测量得到电压值 ${\stackrel{\→}{J}}_{+}^{\left(k\right)},{\stackrel{\→}{J}}_{-}^{\left(k\right)},{\stackrel{\→}{J}}_{+}$ 表示 ${\stackrel{\→}{J}}_{+,i}(i=1,...,19),$ ${\stackrel{\→}{J}}_{-}$ 表示 ${\stackrel{\→}{J}}_{-,i}(i=1,...,19);$

3)按式(3)更新驱动电压值，其中，γ为正的增益因子：

${\stackrel{\→}{V}}^{(k+1)}={\stackrel{\→}{V}}^{(k+1)}+\mathrm{\γ\δ}\stackrel{\→}{V}({\stackrel{\→}{J}}_{+}^{\left(k\right)}-{\stackrel{\→}{J}}_{-}^{\left(k\right)})---\left(3\right)$

4)在随机并行梯度下降控制算法稳定收敛后，此时自适应光纤耦合器1阵列中光纤端面与畸变光波前经聚焦在耦合透镜焦平面上的质心点重合。利用事先计算好的复原矩阵Z(阶数为38×p，p为复原出的模式阶数，本实施例中选为20阶)，根据式(2)得到波前的Zernike多项式像差模式系数向量，再根据Zernike系数向量用各阶Zernike多项式复原全孔径内的波前信息，最终可实现波前传感器的功能。

图3所示为本发明实例波前复原过程中，在对接收光功率进行迭代运算优化收敛后根据输出控制电压值反演得到整体畸变波前在各子孔径内相互正交两个方向上的斜率值的仿真结果与真实结果进行比较。从图中可以看出，本发明的波前相位传感器能够很好的复原出子孔径内相互正交两个方向上的斜率值。在此基础上，图4给出了本发明实施例波前复原得到的波前与模拟畸变波前的对比，图4中，图(a)为本发明实施例波前复原采用的符合科尔莫格诺夫湍流模型的相位畸变光波前，图(b)为本发明实例波前复原得到的波前相位，图(c)为本发明实例波前复原得到的波前与真实波前间的相位残差。从图中可以看出，本发明能够复原出整体畸变波前的形状，有着较小的复原残差。图4中，PV为波前相位的峰谷值，RMS为波前相位的均方根值。

至此，本发明完成了对一种基于光纤的分布式自适应光学系统的详细描述。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，其特征在于包括：自适应光纤耦合器(1)阵列、耦合器集成装置(2)、传能光纤(3)、光电探测器(4)组、控制平台(5)和多通道高压放大器(6)，其中控制平台(5)又包括波前重构模块(5-1)和性能指标并行优化模块(5-2)；自适应光纤耦合器(1)阵列安装于可多维调节的耦合器集成装置(2)中，将入射激光束分割、聚焦并耦合进耦合器的内置光纤；传能光纤(3)与自适应光纤耦合器(1)的内置光纤相连，将激光传输至光电探测器(4)组后，每路自适应光纤耦合器(1)的光信号被转换为电信号并被传送至控制平台(5)；控制平台(5)的性能指标并行优化模块(5-2)根据接收电信号，采用优化控制算法产生驱动控制电压，经高压放大器(6)放大后，作用于自适应光纤耦合器(1)阵列，使其耦合光能量最大化；控制平台(5)的波前重构模块(5-1)利用每路自适应光纤耦合器(1)能量最大化对应的驱动控制电压反演得到各子孔径内的波前斜率，并据此利用波前复原算法重构波前相位。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，其特征在于：所述自适应光纤耦合器(1)内置光纤的光纤端面位置与施加于其上的驱动电压存在简单线性关系，根据驱动电压值可反演得到光纤端面位置；自适应光纤耦合器(1)阵列经优化控制算法实现每路耦合光能量最大时，光纤端面位置直接对应于分割子光束的聚焦光斑质心位置；据此，可建立每路自适应光纤耦合器(1)的驱动控制电压与分割子光束聚焦光斑质心的关系，再根据耦合透镜的焦距值可算得各子孔径内的波前斜率。

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，其特征在于：所述自适应光纤耦合器(1)固定于耦合器集成装置(2)上的排布方式可为三角形、方形、六角形、圆形、环形或其他排布方式，同时，可通过增加自适应光纤耦合器(1)的数量来增大整体接收口径。

4.根据权利要求1所述的一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，其特征在于：所述自适应光纤耦合器(1)的内置光纤及传能光纤(3)可为单模光纤、单模保偏光纤、大模场直径双包层光纤、多模光纤、光子晶体光纤或其他光纤，光纤的工作波长范围应覆盖待测激光束的光波长。

5.根据权利要求1所述的一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，其特征在于：所述光电探测器(4)可为光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管、光电倍增管或其他光电探测器，光电探测器的工作波长范围应覆盖待测激光束的光波长。

6.根据权利要求1所述的一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，其特征在于：所述控制平台(5)的性能指标并行优化模块(5-2)的控制算法可采用随机并行梯度下降算法、爬山法等盲优化控制算法或其他优化控制算法。

7.根据权利要求1所述的一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，其特征在于：所述波前复原算法可采用模式波前复原法、区域波前复原法等复原算法。

8.根据权利要求1所述的一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，其特征在于：所述入射激光束的口径可以为圆形、环形、方形或其他任意形状。

9.根据权利要求1所述的一种基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器，其特征在于：所述波前相位传感器可测量静态波前相位，也可以采用高速迭代的方法测量动态变化的波前相位。