CN104037606A - 一种基于光纤的分布式自适应光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤的分布式自适应光学系统，包括发射激光器、光纤分束器、光纤相位调制器、光纤激光放大器、光电探测器、三端口光纤环形器、自适应光纤准直和耦合器阵列、集成装置、多通道高压放大器、波前控制器以及信标光源、分光镜和远场目标。本发明基于光纤激光技术，结合多种光纤器件，利用自适应光纤准直和耦合器阵列分割信标光束，实时测量信标光的波前误差，并将误差分解至激光阵列中的每个子光束，根据相位共轭的原理独立且并行地控制发射子光束的活塞和倾斜相位，缓解大气湍流效应对远场目标处光束质量的影响。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。

Description

一种基于光纤的分布式自适应光学系统

技术领域

本发明涉及一种基于光纤激光及光纤器件的分布式自适应光学系统，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

自适应光学技术可用于改善成像光学系统的成像分辨率及激光传输系统的光束质量，在天文观测、激光大气传输、无线激光通信等应用系统中都有成功提升系统性能的例子。传统的自适应光学系统，通常由波前传感器、波前控制器及波前校正器组成，利用波前传感器探测波前斜率或曲率信息，波前控制器根据探测到的波前信息经由一定的算法复原出整体波前，并依据复原波前，控制诸如变形镜、倾斜镜等波前校正器对畸变波前进行实时的相位补偿以获取理想波前。

随着光纤技术的发展，利用光纤激光阵列的相干合成来获取高功率密度、高光束质量的激光束成为可能。而要在实际大气湍流下实现这种高质量激光束的传输，不可避免地要采用自适应光学技术。如果直接将传统的自适应光学系统与光纤激光阵列发射系统相结合，则系统的体积、重量和复杂度都会大大增加，且无法发挥光纤器件轻便、灵活、工作带宽高等特点，限制了光纤激光阵列自身的优势。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，有采用无波前传感器的优化控制方法对大气湍流进行校正的报道，但随着合成单元数目的增多，优化控制的收敛速率变慢，控制带宽受限。

基于主振荡-功率放大结构的相干合成系统本身具有分布式的特点，因此，可以结合其自身的结构特点，在新架构下寻求自适应光学技术与光纤激光阵列技术的结合。以下技术的出现及发展为在光纤激光阵列中实现基于新架构的自适应光学系统提供了契机：在2005年和2011年，美国陆军研究实验室的L.Beresnev等人(L.Beresnev and M.Vorontsov,“Design ofadaptive 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.,“Coherentbeam combination of an optical array using adaptive fiber optics collimators,”OpticsCommunications284,5531-5536(2011))分别独立研制了一种叫做自适应光纤准直器(Adaptive fiber-optics collimator，AFOC)的器件，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，同时，他们还搭建了基于自适应光纤准直器阵列的光纤激光发射系统。2013年，耿超等人提出了名称为“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 of single-mode fiber coupling usingadaptive fiber coupler,”Chinese Physics B23,014207(2014))。

本发明将光纤光学技术与自适应光学技术相结合，提出了一种基于光纤的分布式自适应光学系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统自适应光学系统应用于光纤激光阵列相干合成系统上的不足，克服采用无波前传感器优化控制方法校正大气湍流影响时控制带宽受限的问题，提出一种可以实时探测波前信息并补偿大气湍流影响的新型分布式自适应光学系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于包括：发射激光器、光纤分束器、光纤相位调制器组、光纤激光放大器组、光电探测器组、三端口光纤环形器组、自适应光纤准直和耦合器阵列、集成装置、多通道高压放大器、波前控制器以及信标光源、分光镜和远场目标，其中，波前控制器包括了耦合效率优化模块(亦为倾斜相位控制模块)、波前复原模块和活塞相位控制模块。发射激光器发射激光，经光纤分束器分为多路，各路子光束分别经光纤相位调制器组、光纤激光放大器组、三端口光纤环形器组以及自适应光纤准直和耦合器阵列后准直输出，经大气通道后再经过分光镜发射至远场目标。自适应光纤准直和耦合器阵列固定于集成装置上。信标光源发射信标光，经分光镜后再经过大气通道传输至自适应光纤准直和耦合器阵列的接收口径。自适应光纤准直和耦合器阵列、光电探测器组、多通道高压放大器以及耦合效率优化模块和波前复原模块组成的子系统构成波前传感器，分割入射信标光束，探测子孔径斜率并复原出整体波前。活塞相位控制模块及倾斜相位控制模块分别作为控制核心，光纤相位调制器组和自适应光纤准直和耦合器阵列构成波前校正的执行器件，各自校正发射子光束的活塞和倾斜相位差，其中，发射激光的各子光束的倾斜控制与信标光的耦合效率优化控制合并执行。

所述耦合效率优化模块接收光电探测器组的电信号，采用优化控制算法产生输出控制电压，经多通道高压放大器后作用于自适应光纤准直和耦合器阵列，实现信标光到光纤的自适应最优效率耦合，同时完成子孔径内倾斜像差的校正，根据光路的可逆性，输出子光束的倾斜相位差亦被校正，其中，输出控制电压同时还作为波前复原模块的输入信息；波前复原模块根据耦合效率优化模块提供的输入信息计算子孔径斜率并复原波前；活塞相位控制模块根据重构波前得到每个子孔径区域的平均活塞相位差。

本发明中所述发射激光器可为光纤激光器、半导体激光器、固体激光器或其他激光器，且应为单频、单模激光光源。

所述光纤相位调制器组可为铌酸锂相位调制器、压电陶瓷环光纤相位调制器或其他相位调制器，也可在系统的出射光路径上放置分块反射镜来实现阵列光束的活塞相位调节。

所述光纤激光放大器组可置于光纤相位调制器组前，也可置于光纤相位调制器组之后。

所述光电探测器组可为光电二极管、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信标激光束的光波长。

所述集成装置实现自适应光纤准直和耦合器阵列的密集排布，排布方式可以为三角形、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准直和耦合器的数量来增大整体发射和接收口径。

所述集成装置具备对阵列光束整体出射方向粗调整的功能，自适应光纤准直和耦合器自身具备对阵列光束光轴的精密调节功能。

所述波前控制器的耦合效率优化模块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。

所述波前控制器的活塞相位控制模块采用的实时控制算法可为比例积分微分控制、自适应控制等控制算法。

所述基于光纤的分布式自适应光学系统出射光束以阵列共形聚焦或平行发射等方式投射到远场目标上。

所述信标光源可单独为与发射激光器同波长的窄线宽激光器或覆盖该波长的宽光谱激光器，或用远场目标对系统发射阵列光束的漫反射回光来代替。

当信标光源与发射激光器的激光波长不同时，可用光纤波分复用器组替代三端口光纤环形器组，实现相同功能。

所述基于光纤的分布式自适应光学系统可校正静态波前相位误差，也可以采用高速迭代的方法校正动态变化的波前相位误差。

本发明相比于现有技术的优点在于：

(1)本发明的自适应光学系统可直接应用于基于光纤激光阵列的主动式相干合成系统，无需额外设置光波前传感器(如哈特曼波前传感器)及光波前校正器(如变形镜、倾斜镜)，大大简化了结构。

(2)本发明的自适应光学系统可实时探测大气湍流影响造成的畸变光波前并加以补偿，相比于无波前传感器的盲优化校正方式，可以提高基于光纤阵列的主动式相干合成系统的控制带宽。

(3)本发明的自适应光学系统可以通过简单拼接的方式实现大口径的激光发射系统及其发射光束的像差校正，降低了体积、重量和研发费用，扩展性、实用性强。

附图说明

图1为本发明一种基于光纤的分布式自适应光学系统的组织结构示意图；

图2为本发明一种分布式自适应光学系统实施例中采用的自适应光纤准直和耦合器阵列的排布方式，为横向数目为5、总数目为19的正六边形排布，图中虚线小圆为各自适应光纤准直和耦合器的收发通光孔径，实心小圆为等效相位测量点，实线箭头表示相位梯度的探测方向；

图3为本发明一种分布式自适应光学系统实施例中整体入射光束波前相位被子孔径分割且分解为倾斜分解量、活塞分解量两部分及其组合效果的示意图；

图4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)发明专利中自适应光纤准直和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5为本发明一种分布式自适应光学系统实施例中，经数值仿真得到的发射光束经本发明系统补偿后经大气传输到达远场目标处与未补偿的发射光束经大气传输达远场目标处的光强空间分布的对比图。

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光纤的分布式自适应光学系统，包括发射激光器1、光纤分束器2、光纤相位调制器组3、光纤激光放大器组4、光电探测器组5、三端口光纤环形器组6、自适应光纤准直和耦合器7阵列、集成装置8、多通道高压放大器9、波前控制器10以及信标光源11、分光镜12和远场目标13，其中，波前控制器10包括了耦合效率优化模块10-1(亦为倾斜相位控制模块)、波前复原模块10-2和活塞相位控制模块10-3。发射激光器1发射激光，经光纤分束器2分为多路，各路子光束分别经光纤相位调制器组3、光纤激光放大器组4、三端口光纤环形器组6以及自适应光纤准直和耦合器7阵列后准直输出，经大气通道后再经过分光镜12发射至远场目标13。自适应光纤准直和耦合器7阵列固定于集成装置8上。信标光源11发射信标光，经分光镜12后再经过大气通道传输至自适应光纤准直和耦合器7阵列的接收口径。自适应光纤准直和耦合器7阵列、光电探测器组5、多通道高压放大器9以及耦合效率优化模块10-1和波前复原模块10-2组成的子系统构成波前传感器，分割入射信标光束，探测子孔径斜率并复原出整体波前。活塞相位控制模块10-3及倾斜相位控制模块10-1分别作为控制核心，光纤相位调制器组3和自适应光纤准直和耦合器7阵列构成波前校正的执行器件，各自校正发射子光束的活塞和倾斜相位差，其中，发射激光的各子光束的倾斜控制与信标光的耦合效率优化控制合并执行。

如图3所示，受大气湍流影响的信标光束畸变波前相位φ(x,y)被虚线标示的子孔径分割，畸变波前于每个子孔径内可近似分解为倾斜分解量和活塞分解量这两部分，即其中k取1,2,…,N，N为子孔径数。这种准确性取决于信标光束畸变波前相位的起伏强弱及子孔径阵列的填充因子。如图3最下方的子图所示，从实线所代表的分解量组合与虚线所代表的原始畸变波前对比结果来看，这种近似是有效的。

在由自适应光纤准直和耦合器孔径阵列组成的直径为D的圆域范围内，信标光束畸变波前φ(x,y)可用泽尼克(Zernike)模式表示为

$\mathrm{\φ}(x,y)=\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{Z}_i(x,y)---\left(1\right)$

其中i为Zernike模式阶数，a_i为第i阶模式系数，在每个自适应光纤准直和耦合器分割成的子孔径内的波前在X和Y轴方向上的平均斜率可表示为

$s_k^x=\frac{1}{S_{\mathrm{pup}}}\underset{{\mathrm{\Ω}}_k}{\∫\∫}\frac{\∂\mathrm{\φ}(x,y)}{\∂x}\mathrm{dxdy},s_k^y=\frac{1}{S_{\mathrm{pup}}}\underset{{\mathrm{\Ω}}_k}{\∫\∫}\frac{\∂\mathrm{\φ}(x,y)}{\∂y}\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

其中k取1,2,…,N，N为总的子孔径数，S_pup为子孔径面积，Ω_k表示第k个子孔径对应的积分区域。

图4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)发明专利中自适应光纤准直和耦合器的结构示意图。双压电驱动器驱动十字梁，带动光纤端面在耦合透镜的焦平面内移动，在本系统优化控制算法作用下使耦合进入自适应光纤准直和耦合器内部光纤的光能量值最大化。根据空间光耦合进单模光纤的模式匹配原理可知，此时光纤端面的中心应与耦合透镜焦平面内的光斑质心重合。可认为子孔径内信标光束经自适应光纤准直和耦合器聚焦后的光斑质心相对于理想位置的偏移量与双压电驱动器的驱动电压量和存在简单的比例关系并设比例因子为η；控制平台根据驱动电压量反演得到光纤端面于耦合透镜焦平面上的位置，由此可以得到每个子孔径内子波前斜率

$s_k^x=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\η}\frac{V_k^x}{f_c},s_k^y=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\η}\frac{V_k^y}{f_c}---\left(3\right)$

其中，λ为激光波长，耦合透镜的焦距均为f_c。在自适应光纤准直和耦合器接收光能量值最大化的过程中，实现了对信标光束于子孔径内波前斜率的测量，同时也补偿了发射光束于子孔径内的倾斜相位差

将子孔径内的波前平均斜率用前p阶Zernike模式表示为：

$s_k^x=\frac{1}{S_{\mathrm{pup}}}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\underset{{\mathrm{\Ω}}_k}{\∫\∫}\frac{\∂Z_i(x,y)}{\∂x}\mathrm{dxdy},s_k^y=\frac{1}{S_{\mathrm{pup}}}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\underset{{\mathrm{\Ω}}_k}{\∫\∫}\frac{\∂Z_i(x,y)}{\∂y}\mathrm{dxdy}---\left(4\right)$

将式(4)中用表示，代表第i阶Zernike模式系数在第k个子孔径内x方向上的平均斜率，用表示，代表第i阶Zernike模式系数在第k个子孔径内y方向上的平均斜率。则总数为N的子孔径内的平均波前斜率组成的向量s可用组成的模式系数传递矩阵Z及前p阶Zernike模式系数组成的向量a的乘积表示：

s＝Za (5)

在子孔径内平均光波前斜率向量s已知的情况下，根据式(5)可利用最小二乘法或奇异值分解法得到前p阶Zernike模式系数组成的向量a，进而可以根据式(1)可得到复原波前由此可得到各子孔径内的平均活塞相位差：

根据计算得到的子孔径内平均活塞相位差可以进一步求得每路相位调制器的驱动电压值，作用于相位调制器实现活塞相位差的补偿。

同时校正了子孔径内的倾斜相位差及活塞相位差即等效校正了整体发射光束经大气湍流造成的大部分波前像差，改善了整体发射光束投射于远场目标的光束质量。

一种基于光纤的分布式自适应光学系统工作时，首先采用随机并行梯度下降优化控制算法通过对自适应光纤准直和耦合器7内置双压电驱动器的驱动电压和进行优化，使得空间光耦合进每一路自适应光纤准直和耦合器7内置光纤的光功率达到最大，该过程是通过优化控制算法输出控制电压使得自适应光纤准直和耦合器7内置光纤端面在耦合透镜焦平面上搜寻耦合光功率最大的位置点，在一定的湍流强度条件下可认为该点也是子孔径区域内信标激光束经耦合透镜聚焦得到的光斑质心位置。在接收光功率达到最大的同时，子孔径内的倾斜像差也同时得到校正。由式(5)确定的各子孔径内平均斜率与自适应光纤准直和耦合器7内部驱动器的驱动电压和的关系式可以得到总数为N的子孔径内的平均波前斜率和组成的向量s。波前控制器10利用对式(4)的求解进行波前复原，这里采用模式系数传递矩阵Z广义逆矩阵Z⁺求解Zernike模式系数矩阵a，后利用式(1)即可得到复原波前波前复原完成后，波前控制器10利用式(6)得到各子孔径内的活塞相位差并据此得到光纤相位调制器组3的驱动控制V_PL并作用于相位调制器，完成子孔径内活塞相位差的校正。

图5为本发明一种分布式自适应光学系统实施例中，经数值仿真得到的发射光束经本发明系统补偿后经大气传输至远场目标处与未补偿的发射光束经大气传输至远场目标处的光强空间分布的对比图，从图中可以看出本发明自适应光学系统能够很好地补偿大气湍流造成的相位畸变，提升经大气传输的激光光束质量。

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 (14)

1.一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于包括：发射激光器(1)、光纤分束器(2)、光纤相位调制器组(3)、光纤激光放大器组(4)、光电探测器组(5)、三端口光纤环形器组(6)、自适应光纤准直和耦合器(7)阵列、集成装置(8)、多通道高压放大器(9)、波前控制器(10)以及信标光源(11)、分光镜(12)和远场目标(13)，其中，波前控制器(10)包括了耦合效率优化模块(10-1)、波前复原模块(10-2)和活塞相位控制模块(10-3)；发射激光器(1)发射激光，经光纤分束器(2)分为多路，各路子光束分别经光纤相位调制器组(3)、光纤激光放大器组(4)、三端口光纤环形器组(6)以及自适应光纤准直和耦合器(7)阵列后准直输出，经大气通道后再经过分光镜(12)发射至远场目标(13)；自适应光纤准直和耦合器(7)阵列固定于集成装置(8)上；信标光源(11)发射信标光，经分光镜(12)后再经过大气通道传输至自适应光纤准直和耦合器(7)阵列的接收口径；自适应光纤准直和耦合器(7)阵列、光电探测器组(5)、多通道高压放大器(9)以及耦合效率优化模块(10-1)和波前复原模块(10-2)组成的子系统构成波前传感器，分割入射信标光束，探测子孔径斜率并复原出整体波前；活塞相位控制模块(10-3)及倾斜相位控制模块(10-1)分别作为控制核心，光纤相位调制器组(3)和自适应光纤准直和耦合器(7)阵列构成波前校正的执行器件，各自校正发射子光束的活塞和倾斜相位差，其中，发射激光的各子光束的倾斜控制与信标光的耦合效率优化控制合并执行；耦合效率优化模块(10-1)亦为倾斜相位控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述耦合效率优化模块(10-1)接收光电探测器组(5)的电信号，采用优化控制算法产生输出控制电压，经多通道高压放大器(9)后作用于自适应光纤准直和耦合器(7)阵列，实现信标光到光纤的自适应最优效率耦合，同时完成子孔径内倾斜像差的校正，根据光路的可逆性，输出子光束的倾斜相位差亦被校正，其中，输出控制电压同时还作为波前复原模块(10-2)的输入信息；波前复原模块(10-2)根据耦合效率优化模块(10-1)提供的输入信息计算子孔径斜率并复原波前；活塞相位控制模块(10-3)根据重构波前得到每个子孔径区域的平均活塞相位差。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述发射激光器(1)可为光纤激光器、半导体激光器、固体激光器或其他激光器，且应为单频、单模激光光源。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述光纤相位调制器组(3)可为铌酸锂相位调制器、压电陶瓷环光纤相位调制器或其他相位调制器，也可在系统的出射光路径上放置分块反射镜来实现阵列光束的活塞相位调节。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述光纤激光放大器组(4)可置于光纤相位调制器组(3)前，也可置于光纤相位调制器组(3)之后。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述光电探测器组(5)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信标激光束的光波长。

7.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述集成装置(8)实现自适应光纤准直和耦合器(7)阵列的密集排布，排布方式可以为三角形、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准直和耦合器(7)的数量来增大整体发射和接收口径。

8.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述集成装置(8)具备对阵列光束整体出射方向粗调整的功能，自适应光纤准直和耦合器(7)自身具备对阵列光束光轴的精密调节功能。

9.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述波前控制器(10)的耦合效率优化模块(10-1)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。

10.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述波前控制器(10)的活塞相位控制模块(10-3)采用的实时控制算法可为比例积分微分控制、自适应控制等控制算法。

11.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述基于光纤的分布式自适应光学系统出射光束以阵列共形聚焦或平行发射等方式投射到远场目标(13)上。

12.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述信标光源(11)可单独为与发射激光器(1)同波长的单频激光器或覆盖该波长的宽光谱激光器，或用远场目标(13)对系统发射阵列光束的漫反射回光来代替。

13.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：当信标光源(11)与发射激光器(1)的激光波长不同时，可用光纤波分复用器组替代三端口光纤环形器组(6)，实现相同功能。

14.根据权利要求1所述的一种基于光纤的分布式自适应光学系统，其特征在于：所述基于光纤的分布式自适应光学系统可校正静态波前相位误差，也可以采用高速迭代的方法校正动态变化的波前相位误差。