CN104934845B - 一种光参量振荡器阵列相干组束系统及主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了本发明一种光参量振荡器阵列相干组束系统及主动控制方法，根据光参量振荡器阵列光束相位的非线性关联性，利用置于放大器前端的相位调制器调节基频光相位以锁定中红外波段光参量振荡器阵列光束间的相位，实现中红外光波的主动锁相相干合成，光路结构紧凑，可靠性强，体积小，相比于现有中红外固体激光相干合成技术中采用基频光合成后再应用的方式，能够较大程度地解决相位调制器和光参量振荡非线性晶体的强光热损伤问题，可以极大地提高中红外合成光束的功率扩展性。

Description

一种光参量振荡器阵列相干组束系统及主动控制方法

技术领域

本发明涉及高功率光纤激光阵列相干组束技术，具体是指一种光参量振荡器阵列相干组束系统。

背景技术

利用全固态激光器或光纤激光器泵浦周期极化晶体实现准相位匹配(QPM)的光学参量振荡器(Optical Parameter Oscillator-OPO)，是获得可调谐中红外光源的有效途径，具有重要的研究意义和实用价值。但是，受到热效应、非线性效应以及周期性极化晶体物理损伤阈值的限制，单台中红外光参量振荡器无法达到很高的输出能量或功率，并同时保持高的光束质量。而多台激光器可以通过相干合成技术对光场施行一定的相干调控，从而实现高功率激光输出，同时改善光束质量。

目前，相干合成技术在非线性频率变换领域应用的报道很少，且主要是采用基频光合成后再应用的方式，其实质依然是基频光的相干合成。由于相位调制器和非线性晶体在热性能、机械性能以及抗损伤阈值上均远逊于激光介质材料，因此这种合成方式限制了其功率扩展性。利用光参量振荡器阵列光束光场相位的非线性关联性，并结合高速并行化的相位控制方法，通过置于放大器前端的相位调制器调节基频光相位以锁定中红外光参量振荡器阵列光束间的相位，实现中红外光波主动锁相相干合成，从而提高中红外波段固体激光的输出功率水平和光束质量，对中红外固体激光的发展和应用具有较大的推动作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光参量振荡器阵列相干组束系统，达到通过置于光纤放大器前端的相位调制器来调节基频光相位以锁定中红外光参量振荡器阵列光束间的相位的目的，实现中红外光波的主动锁相相干合成。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种光参量振荡器阵列相干组束系统，其特征在于：包括光纤种子源模块、光纤放大模块、光参量振荡放大模块、光电探测模块以及主动相位控制模块；其中

光纤种子源模块：产生种子光并将种子光分为多路子光束；

光纤放大模块：用于将各个子光束进行功率放大；

光参量振荡放大模块：用于产生光参量振荡子光束并进行功率放大；

光电探测模块：用于将放大后的各个光参量振荡子光束进行相干合成输出，并探测光束阵列合成的环围光强；

主动相位控制模块：将光电探测模块探测到的合成光束环围光强，作为反馈输入信号，控制光纤放大器阵列的相位，使得各个光参量振荡子光束的相位一致，形成闭环控制。

所述的光纤种子源模块包括：光纤激光器，作为光纤激光输入端产生种子光；光纤分路器，用于将光纤激光器产生的种子光进行分束，将一束激光分成多路的子光束。本发明的光纤种子源模块不需要本振参考光作为基准，利用光纤分路器将光源分成多个子光束，这些子光束之间的基本性能相类似，直接可以用于后续的控制，相对于现有技术中的以本振参考光作为基准的方式，大大简化了系统，有利于实现高效输出。

所述光纤放大模块包括：N路保偏光纤放大器，N为正整数，用于将经过主动相位控制模块的各个子光束进行功率放大；准直器阵列：用于将各放大子光束进行准直，使各个子光束的方向相互平行输出；反射镜：将光纤准直输出的光束进行反射；合束棱镜：用于将经过反射镜的各子光束进行反射并平行输出。

所述的光参量振荡放大模块包括：

短焦透镜：将合束棱镜输出的光束进行聚焦，并输出至光参量振荡放大器前腔镜；

光参量振荡放大器前腔镜：对短焦透镜聚焦的光束高透，对中红外光参量振荡光束高反；

光参量振荡介质晶体：产生并放大中红外光参量振荡光束；

光参量振荡放大器后腔镜：对光参量振荡介质晶体产生的中红外光参量振荡光束一部分反射，另一部分透过。

所述的光电探测模块包括分束镜、长焦透镜、小孔光阑、以及光电探测器；其中分束镜将光参量振荡放大模块输出的中红外光参量振荡光束分为透射光束和反射光束，其中透射光束平行输出，反射光束被长焦透镜聚焦通过小孔光阑进入到光电探测器。

所述的主动相位控制模块包括光学部分和电路部分，其中光学部分包括各子光束经过的光纤波导型铌酸锂相位控制器，是光束相位控制的执行器件；电路部分包括相位控制电路，相位控制电路将光电探测器采集到的环围光强信号作为电路输入信号控制铌酸锂相位控制器输出。

所述的相位控制电路包括依次连接的输入信号J、衰减电路、AD9244、FPGA，其中FPGA输出的2个通道信号分别依次经过D/A、IV运放、±5V运放，±5V运放输出1至2个通道至光纤波导型铌酸锂相位控制器(3)进行相位控制。

一种光参量振荡器阵列相干组束系统的主动控制方法，在主动控制模块中u＝{u_i}，u_i代表第i个子光束相位控制器单玻片上的控制电压，其控制过程包括以下步骤：

(a)对各控制通道同时施加随机扰动δu_i＝{δu_i ¹,δu_i ²},δu_i为统计独立的随机变量，并且方差相等，均值为零，概率密度关于均值对称，即：

〈δu_i〉＝0,〈δu_iδu_j〉＝σ²δ_ij

(b)给各个通道施加正向扰动电压δu，得到评价函数:J⁺＝J(u+δu)；

(c)施加负向扰动电压-δu给各个通道，得到评价函数:J^-＝J(u-δu)；

(d)每轮迭代过程中，对一组随机变量{δu_i}分别施加正向和负向扰动之后，得到评价函数的改变量:

(e)则根据算法可以得到下一步迭代的控制电压：

其中，γ_n为第n步的松弛因子即增益系数；经过多次迭代，评价函数J沿着梯度方向快速收敛到最大值，从而实现光参量振荡光束相位的控制，获得高效稳定地相干合成输出。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明一种光参量振荡器阵列相干组束系统及主动控制方法，根据光参量振荡器阵列光束相位的非线性关联性，利用置于放大器前端的相位调制器调节基频光相位以锁定中红外波段光参量振荡器阵列光束间的相位，实现中红外光波的主动锁相相干合成，光路结构紧凑，可靠性强，体积小，相比于现有中红外固体激光相干合成技术中采用基频光合成后再应用的方式，能够较大程度地解决相位调制器和光参量振荡非线性晶体的强光热损伤问题，可以极大地提高中红外合成光束的功率扩展性；

2本发明一种光参量振荡器阵列相干组束系统及主动控制方法，不需要相位相关检测过程，优化算法运行控制速度快，合成路数多，电路简单可靠，便于实现。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明原理框图旋转90°后的视图；

图2为本发明主动相位控制模块的结构框图；

图3为本发明中相位控制电路的电路框图。

附图中标记及相应的零部件名称：

1-光纤激光器，2-光纤分路器，3-光纤波导型铌酸锂相位控制器，4-保偏光纤放大器，5-准直器阵列，6-反射镜，7-合束棱镜，8-短焦透镜，9-光参量振荡放大器前腔镜，10-光参量振荡介质晶体，11-光参量振荡放大器后腔镜，12-分束镜，13-长焦透镜，14-准直器阵列，15-小孔光阑。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1至3所示，本发明一种光参量振荡器阵列相干组束系统，包括光纤种子源模块、光纤放大模块、光参量振荡放大模块、光电探测模块以及主动相位控制模块；其中光纤种子源模块包括：光纤激光器1选用单频线偏振单模光纤激光器作为种子光源，其输出功率为50mW量级，线宽为1kHz,功率波动<1％p-p，波长稳定性<10pm，偏振消光比>20dB，种子光由尾纤输出；光纤分路器2，用于将光纤激光器产生的激光束进行分束，将一束激光分成多路的子光束，产生的多路子光束输送至高速铌酸锂相位控制器3控制光束阵列的相位；各子光束分别经过光纤波导铌酸锂相位控制器3后，由保偏光纤放大器4进行功率放大，本实施例中光纤放大模块由2路保偏光纤放大器4构成，根据不同的分束路数，可以采用相匹配的保偏光纤放大模块；单路输入功率>10mW，经过光纤放大器多级放大成高功率激光，线宽为100kHz量级，功率波动<2％p-p，光纤为保偏光纤，准直输出光束质量M²<1.15，偏振消光比>15dB；然后通过准直器整列5：用于将光束进行准直输出，使各个子光束的方向相互平行，为防止光轴抖动，加入压电陶瓷快反镜进行指向偏差控制，精度优于1μrad，输出的各个子光束通过光纤光束反射镜6：用于将光纤放大器阵列输出光束反射到合束棱镜7；合束棱镜7用于将经过反射镜6的各子光束进行反射并平行输出，表面镀1064nm全反膜，面型精度优于λ/20；输出光束经过短焦透镜8聚焦，然后通过光参量振荡器前腔镜9；光参量振荡器前腔镜9与光参量振荡放大器后腔镜11构成光参量振荡放大器模块谐振腔，光参量振荡器前腔镜9对1064nm高透，对2.5μm～5μm激光高反，光参量振荡器后腔镜11对1064nm激光高反，对2.5μm～5μm部分反射，反射率为60％，对1.6μm～1.9μm透射率约为85％；光参量振荡介质晶体10：产生并放大中红外光参量振荡光束，尺寸为1*10*40mm³的非线性晶体PPLT，工作时晶体置于温控炉内，调谐范围为室温到200℃，控温精度可达0.1℃。光参量振荡放大输出光束通过分束镜12，分为两部分，其中，透射光平行合束输出；反射光部分2.7～5μm,反射率R＝1％，由一焦距为1m的透镜聚焦；聚焦光束进入一个带有小孔光阑14的光电探测器15；如图3所示，本发明以2路控制为例，采用精密电阻组成衰减电路将光电探测器(J)输出的0～5V信号衰减到0～2.4V，送入12位的模数转换器AD9224，采集到的数据在FPGA中进行运算，然后同步输出到16位的高精度数模转换器AD768；驱动电路中IV运放AD8047是将D/A转换器的电流信号转换为-2.5V～+2.5V电压信号，再由MAX4305放大到-5V～+5V，相位控制1～2通道，共2个；下面介绍一下采用现有技术中的评价函数J来进行控制的方法步骤：小孔光阑的直径取合成光束衍射极限大小，将光电探测器15接收到的小孔光阑中的光强作为评价函数J＝J(u)，J是铌酸锂相位控制器单玻片上控制电压u的函数，一种光参量振荡器阵列相干组束系统的主动控制方法，在主动控制模块中u＝{u_i}，u_i代表第i个子光束相位控制器单玻片上的控制电压，其控制过程包括以下步骤：

(a)对各控制通道同时施加随机扰动δu_i＝{δu_i ¹,δu_i ²},δu_i为统计独立的随机变量，并且方差相等，均值为零，概率密度关于均值对称，即：

〈δu_i〉＝0,〈δu_iδu_j〉＝σ²δ_ij

(b)给各个通道施加正向扰动电压δu，得到评价函数:J⁺＝J(u+δu)；

(c)施加负向扰动电压-δu给各个通道，得到评价函数:J^-＝J(u-δu)；

(d)每轮迭代过程中，对一组随机变量{δu_i}分别施加正向和负向扰动之后，得到评价函数的改变量:

(e)则根据算法可以得到下一步迭代的控制电压：

其中，γ_n为第n步的松弛因子即增益系数；经过多次迭代，评价函数J沿着梯度方向快速收敛到最大值，从而实现光参量振荡光束相位的控制，获得高效稳定地相干合成输出。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光参量振荡器阵列相干组束系统，其特征在于：包括光纤种子源模块、光纤放大模块、光参量振荡放大模块、光电探测模块以及主动相位控制模块；其中

光纤种子源模块：产生种子光并将种子光分为多路子光束；

光纤放大模块：用于将各个子光束进行功率放大；

光参量振荡放大模块：用于产生光参量振荡子光束并进行功率放大；

光电探测模块：用于将放大后的各个光参量振荡子光束进行相干合成输出，并探测光束阵列合成的环围光强；

主动相位控制模块：将光电探测模块探测到的合成光束环围光强，作为反馈输入信号，控制光纤放大器阵列的相位，使得各个光参量振荡子光束的相位一致，形成闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种光参量振荡器阵列相干组束系统，其特征在于：所述的光纤种子源模块包括：

光纤激光器（1），作为光纤激光输入端产生种子光；

光纤分路器（2），用于将光纤激光器（1）产生的种子光进行分束，将一束激光分成多路的子光束。

3.根据权利要求1所述的一种光参量振荡器阵列相干组束系统，其特征在于：所述光纤放大模块包括：

N路保偏光纤放大器（4），N为正整数，用于将经过主动相位控制模块的各个子光束进行功率放大；

准直器阵列（5）：用于将各放大子光束进行准直，使各个子光束的方向相互平行输出；

反射镜（6）：将光纤准直输出的光束进行反射；合束棱镜（7）：用于将经过反射镜（6）的各子光束进行反射并平行输出。

4.根据权利要求3所述的一种光参量振荡器阵列相干组束系统，其特征在于：所述的光参量振荡放大模块包括：

短焦透镜（8）：将合束棱镜（7）输出的光束进行聚焦，并输出至光参量振荡放大器前腔镜（9）；

光参量振荡放大器前腔镜（9）：对短焦透镜（8）聚焦的光束高透，对中红外光参量振荡光束高反；

光参量振荡介质晶体（10）：产生并放大中红外光参量振荡光束；

光参量振荡放大器后腔镜（11）：对光参量振荡介质晶体（10）产生的中红外光参量振荡光束一部分反射，另一部分透过。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种光参量振荡器阵列相干组束系统，其特征在于，所述的光电探测模块包括分束镜（12）、长焦透镜（13）、小孔光阑（14）、以及光电探测器（15）；其中分束镜（12）将光参量振荡放大模块输出的中红外光参量振荡光束分为透射光束和反射光束，其中透射光束平行输出，反射光束被长焦透镜（13）聚焦通过小孔光阑（14）进入到光电探测器（15）。

6.根据权利要求5所述的一种光参量振荡器阵列相干组束系统，其特征在于：所述的主动相位控制模块包括光学部分和电路部分，其中光学部分包括各子光束经过的光纤波导型铌酸锂相位控制器（3），是光束相位控制的执行器件；电路部分包括相位控制电路，相位控制电路将光电探测器（15）采集到的环围光强信号作为电路输入信号控制铌酸锂相位控制器（3）输出。

7.根据权利要求6所述的一种光参量振荡器阵列相干组束系统，其特征在于：所述的相位控制电路包括依次连接的输入信号J、衰减电路、AD9244、FPGA，其中FPGA输出的2个通道信号分别依次经过D/A、IV运放、±5V运放，±5V运放输出1至2个通道至光纤波导型铌酸锂相位控制器（3）进行相位控制。