CN106663913B - 用于调整大量激光源的相位的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于调整具有周期性配置的激光源的相位的系统，该系统包括：用于将来自光源的光束准直和引导到具有周期性相位网络的复合衍射光学元件(1)上的装置，其中入射角在每个光束之间不同，入射角根据网络周期来确定；用于基于来自复合光束的反向反应信号来控制所述源的相位的装置；用于对复合光束的一部分(12)进行采样的装置(5)；在该光束部分的路径上的傅里叶透镜(6)，在其物平面中设置有复合衍射光学元件(1)；傅里叶透镜(6)的像平面中的检测器阵列(7)，其能够检测强度分布；用于基于这些强度分布来计算反向反应信号的装置(8)。

Description

用于调整大量激光源的相位的系统

技术领域

本发明的领域为大量基本激光源的相干合成的领域。

背景技术

激光源的相干合成特别适用于高功率激光源的产生和/或超短脉冲源情况下的高能量激光源(例如，脉冲宽度小于1皮秒)的产生。

高功率(或者高能量)以及高亮度激光源的获得目前受限于增益材料的通量稳定性。对于这个问题的一种方案是并行地在多个增益介质上分布放大。这需要从每个增益介质输出的激光束同相，从而确保全部激光束的最佳相干合成。因此，有必要动态地补偿由于经过并联连接的增益介质(例如，光纤放大器)的组件的传播而在大量M个激光束中引入的延迟。一旦锁相，M个新生激光束相长干涉，且因而形成亮度为基本放大器的亮度的M倍的源，并且保持其束状质量(例如，在单模光纤的情况下，受限于衍射)。因此，设置与发射器一样多的锁相环是一个问题。

用于调整激光源的相位的架构可以根据多个标准来分类。第一种是光束在空间上合成或者叠加的方式。因而，两个族可以被区分：

平铺孔径合成：M个激光束被准直并具有平行的传播方向。这种合成模式是雷达波束成形天线的光学等效物。平铺孔径具有强的主瓣和寄生旁瓣。

填充孔径合成：通过使用偏振器或衍射光学元件(DOE)将M个光束叠加在近场中。填充孔径合成方法的优点是其效率，因为在这种情况下在远场中没有旁瓣。

接下来是误差信号的性质以及将使得可以在激光源之间的相位上抵消它以及优化它们的相干相加的处理。基本上用于激光束的相干合成的四种方法被区分，根据包含在负反馈信号中的信息量分类：

称作为“爬山”方法的方法：通过抽取合成能量的一部分简单地形成误差信号，该部分通过改变要合成的M个通道(光束)的相位而被最大化。该技术基于具有M-1维度的基于梯度的优化算法。在这种情况下，复杂性在于处理算法，作为标量信号的误差信号是非常简单的且低成本的。该方法的缺点是环路的带宽，其变化1/M。因此，该方法更适合于少量的合成光束，通常小于10个。

称为OHD(光学外差检测)方法的方法。在该方法中，由每个发射器相对于参考光束的相位的测量组成的误差信号是矢量信号；每个通道使用一个检测器。通过外差混频和解调并行地进行M个测量。该方法的缺点为：

利用了RF部件，这增加了每个通道的成本；

借助于参考光束；

在合成之前测量的并且不保证最佳合成质量的误差信号：其不能补偿相位测量平面与合成平面之间的相位波动。因此，需要对系统进行校准。

称为LOCSET或同步多重抖动方法的方法。对于爬山方法，该方法使用合成能量的一部分作为误差信号，但是在这种情况下，来自各个通道的贡献通过在其专有频率处的RF调制对每个通道进行“频率标记”来识别。然后通过使用参考光束的外差混频来获得每个光束的误差信号。该方法是有利的，因为其仅需要一个检测器，并且快速相位调制器的可用性允许设想大量的通道。另一方面，该方法在负反馈回路(混频器、调制器等)中需要大量的RF部件，由此显著地增加系统的每个通道的成本。在这种情况下，通过以相同的频率在时间上顺序地调制每个光束，获得类似的信号，但是对系统的带宽具有负面影响。

直接测量发射器之间的相位的方法，其中，误差信号为从待合成的光束彼此干涉或者与参考光束干涉的干涉图提取的相位的映射。这种直接干涉测量方法是共同的：通过由阵列传感器记录单个图像来获得所有相位，并且因此完全地适用于大量发射器。所使用的成像器的成本要除以通道的数量，且因此不是决定性的。另一方面，系统的带宽可以受限于所使用的传感器，特别是在红外线中。然而，这不是基本限制。最后，对于OHD方法，在合成之前测量相位；它不能补偿相位测量平面与合成平面之间的相位波动，因此不能保证最佳的合成质量。因此，需要对系统进行校准。

下表总结了相干合成技术的现有技术。灰色的单元格表示每种方法的缺点。

因此，目前没有用于激光束的相干合成的现有架构，其同时满足如下的条件：环路带宽>1kHz，光束数量可能为100、1000或甚至更高，操作无校准(在合成平面中的误差信号)且低成本。

发明内容

本发明的上下文涉及其中激光束使用衍射光学元件(DOE)在空间上合成的系统。根据本发明的系统基于该衍射元件的原始使用，其除了提供光束的空间合成之外还允许产生创新的误差信号，该误差信号使得可以补偿激光源之间的相位差。该误差信号由衍射合成元件的较高阶衍射的强度来计算。这种误差信号允许满足所有上述条件。

更具体地，本发明的主题为一种用于调整具有以λ₀为中心的相同波长的M个激光源的相位的系统，所述M个激光源具有周期性的空间配置，M为大于2的整数，该系统包括：

用于将从源产生的M个光束准直和引导到具有周期性相位光栅的合成衍射光学元件上的装置，其中入射角在每个光束之间不同，这些入射角根据光栅的周期来确定；以及

用于基于从合成光束产生的负反馈信号来控制所述源的相位的装置。

其主要特征是，该系统包括：

用于抽取合成光束的一部分的装置；

在合成光束的该部分的路径上的傅里叶透镜，所述傅里叶透镜具有物平面和像平面，其中合成衍射光学元件在其物平面中；

傅里叶透镜的像平面中的检测器阵列，其能够检测合成光束的该部分的强度分布；

用于基于这些强度分布来计算负反馈信号的装置。

实际上获得了矢量误差信号(其大小由所测量的较高阶衍射的数量给出)，但是不需要使用RF部件。此外，由于优化不针对锁相(参见OHD和直接干涉测量技术)，而是(通过使较高阶的强度最小化)直接针对合成强度，所以系统在其原理上不要求校准。

因此组合了以下优点：

对于LOCSET和爬山方法，在合成平面中产生误差信号，因此不需要校准。

误差信号由一组非冗余测量组成，其使得通过简单的处理操作能够产生负反馈信号。

每个通道(光束)的系统成本相对较低，因为它不涉及任何RF元件，并且每个通道仅需要一个检测器。

该系统与大量通道兼容，并且具有大于1kHz的带宽。

根据本发明的一个特征，用于计算负反馈信号的装置包括用于通过如下限定的矩阵的逆矩阵来计算在检测器阵列的平面中检测到的强度分布的乘积的装置：所述矩阵由通过在一个周期上将合成衍射光学元件的相位展开成傅里叶级数而获得的系数限定，如果M是奇数则所述矩阵的大小为(2M-1)×(2M-1)，如果M为偶数则所述矩阵的大小为2M×2M。

通常，M＞100。

优选地，源被布置成一维或者二维空间配置。

根据本发明的一个优选实施方案，从激光源产生的光束具有同一出射平面，则系统包括具有物平面和像平面的另一傅里叶透镜，激光源的出射平面位于物平面中，合成衍射光学元件位于像平面中。

附图说明

通过阅读以下作为非限制性示例并且参照所附附图给出的具体描述，本发明的其它特征和优点将变得明显，在所述附图中：

图1示意性地示出了使用衍射光学元件作为用于从“M到1”(在附图的示例中为5到1)合成光束的装置；

图2示意性地示出了根据本发明的示例性的调整相位的系统；

图3示意性地显示了衍射光学元件的强度分布，该衍射光学元件用作从1到M(在附图的示例中，从1到5)的分束器(图3a)，或用作用于从M到1(在附图的示例中，从5到1)合成光束的装置，其中强度分布通过衍射光学元件衍射。

相同的元件在每个图中具有相同的附图标记。

具体实施方式

本发明的上下文是这样的系统，其首先基于使用衍射光学元件1(或DOE)作为用于合成各个激光束10的装置，如图1的示例所示。激光束10以由DOE的空间周期限定的角度入射在DOE 1上。一旦光束被锁相，并且具有最佳相位分布(由DOE设置)，则所有光束在DOE11b的阶0(＝主阶)处相长干涉，并且在较高阶11a处相消干涉。

本发明的原理是使用在DOE的较高阶处衍射的强度分布11a作为误差信号，以便优化合成，如图2的示例所示。在我们的方法中，对于LOCSET和爬山技术，在链的末端(即，在DOE之后)测量误差信号，从而允许考虑光束所受到的所有干扰。将注意到，如果图2的示例示出了激光束的线性布置，并且因此示出了一维DOE，则所提出的解决方案等同地应用于激光束的二维布置和二维DOE。

参照图2来描述根据本发明的用于调整M个激光源的相位的系统。M个激光源具有以λ₀为中心的相同波长。这些激光源可以为脉冲源；脉冲宽度也可以小于10^-12s。

该系统包括：

M个相位调制器：在每个激光源的输出端有一个调制器4。

合成DOE 1，其具有具有预定空间周期的相位光栅，位于傅里叶透镜14的像平面中：从调制器产生的M个光束通过该傅里叶透镜14被引导到DOE 1上。每个光束以由DOE的空间周期限定的特定入射角照射DOE。

用于抽取合成光束11的一部分12的装置，其可以是高反射率镜5(例如，抽取1％)或偏振立方体分束器。优选地选择抽取<1/M。合成光束的另一部分形成系统的输出光束13。

在物平面中的第二傅里叶透镜6，其中合成DOE 1位于物平面中。

在第二傅里叶透镜6的像平面(＝平面B)中的检测器7的矩阵，其能够检测由DOE 1合成的光束的衍射级的一部分的强度分布11b，11a。

用于从检测器阵列的平面中的这些分布计算负反馈信号的装置8。这些计算装置8连接到M个相位调制器4，以便控制它们。

M个光束可以采用各种方式被引导到DOE 1。在DOE的上游，该系统包括，例如：

同一主振荡器2，其连接到“1到M”耦合器3，以便产生M个激光源；

可能地，分别连接至相位调制器4的M个放大器9。

M个激光束(由放大器或调制器产生)的出射平面(＝平面A)以图2所示的间距P的空间周期性配置位于傅里叶透镜14的物平面中。

根据一个替选方案，M个激光源具有与每个源相关联的准直透镜，并且以周期性的角度和空间配置直接定位，使得光束以由DOE的空间周期限定的特定入射角照射合成DOE。

现在考虑用于计算负反馈信号的装置8。因此，由这些计算装置解决的问题是：

问题的变量是由从每个激光源产生的电磁场的叠加形成的电磁场的空间分布。

假定电磁场的强度分布在两个独立的平面中是已知的：源的出射平面(图2中的平面A)中的均匀(或测量)分布I_A和由DOE(在图2的平面B中)合成之后测量的分布I_B。

目的是计算在平面A和B中相位和的分布，使得从A至B数字传播的电磁场给出

这个问题类似于来自于例如在天文学中遇到的强度的图像失真的相位像差的测量的问题。用于解决这个问题的示例性方法可以在文献中找到。可以引用以下出版物：R.G.Paxman和J.R.Fienup，“使用相位差异的光学不对准感测和图像重建(Opticalmisalignment sensing and image reconstruction using phase diversity)”，J.Opt.Soc.Am.A 5,914-923(1988)，或者J.N.Cederquist、J.R.Fienup、C.C.Wackerman、S.R.Robinson和D.Kryskowski，“傅里叶强度测量的波前相位估计(Wave-front phaseestimation from Fourier intensity measurements)”，J.Opt.Soc.Am.A 6,1020-1026(1989)，或者R.G.Paxman、T.J.Schulz、J.R.Fienup，“通过使用相位差异联合估计物体和像差(Joint estimation of object and aberrations by using phase diversity)”J.Opt.Soc.Am.A 9，1072-1085(1992)。

这种类型的方法的主要缺点是它们使用数字傅里叶变换(用于在寻求解的过程中涉及从A到B的光传播的类型的计算)，其可能涉及长的计算时间(通常比1s长得多)。

在根据本发明的系统中，相位计算的主要简化是由于经由已知矩阵通过简单相乘而实现从平面A的电磁场分布计算平面B中的电磁场分布。

具体地，对于在A中考虑的M个激光束，在A中的电场分布可以根据M的奇偶性写成：

如果M＝2N+1，或者：

如果M＝2N。

否则：

其中：

ω为光束(假定为高斯)在平面A中的束腰；

P为光束在平面A中的位置的周期；

α_k是在第k个光束的幅度方面的加权系数(在这种情况下，例如，对于M＝2N+1时-N和+N之间的k，以及对于M＝2N时-N+1和+N之间的k，α_k＝1；否则，α_k＝0)；

为第k个光束的光相位；

δ为单位脉冲(Dirac)函数，以及*为卷积运算符。

在DOE的平面中的场通过E_A(x)的傅里叶变换并且与DOE的相位方面的传输函数相乘来获得：

通过E_DOE(u)的傅里叶变换再次获得传播至测量平面(平面B)的场：

此外，由于DOE的相位(通过其结构)是周期为1/P(u被认为在远场中)的周期函数，所以可以写成其傅里叶级数的形式：

且因此：

计算用于将M个光束合成为一个的合成DOE。相反，由相同DOE衍射的单个光束将基本上产生其强度具有相同阶数(≈I₁)的M个光束(称为主光束)和较低强度I₂(I₂＜＜I₁)的无穷多个较高阶。换言之，这意味着系数c_k的以下关系：

对于M＝2N+1时-N和+N之间的k以及对于M＝2N时-N+1和+N之间的k，|c_k|²≈1/M，

否则|c_k|²＜＜1/M。

因此，对于下述情形，上述E_B(x)的表达式的项c_k+hα_h可以具有不可忽略的值：

对于M＝2N+1，[-N≤k+h≤+N]∪[-N≤h≤+N]，或者

对于M＝2N，[-N+1≤k+h≤+N]∪[-N+1≤h≤+N]。

或者：

对于M＝2N+1，k∈{-2N+1，…，+2N}，或者

对于M＝2N，k∈{-2N+1，…，+2N}。

一般来说，对于M＝2N+1，E_B(x)的表达式因此可以被认为是对于从-2N到+2N截断的索引k和h是精确的：

或者对于M＝2N，-2N+1至+2N：

然后对于M＝2N+1的情况，矩阵乘积的表达式被识别并写出如下：

或者：

其中，E_A，k(以及E_B,k，分别地)为场E_A(x)(以及E_B(x)，分别地)的复合加权系数，使得在x＝kP附近：

H_DOE为由DOE的相位在一个周期上展开成的傅里叶级数的系数c_k限定的矩阵。因此，通过构建DOE，该矩阵是先验已知的。如上所示，实际上，对于合成M个激光束计算的DOE，其中奇数M等于2N+1，在傅里叶级数中需要2M-1个系数，以便实现相等：

对于等于2N的偶数M，则需要2M个系数以具有：

在图3a和3b中还示出了在M＝2N+1的情况下2M-1个系数的这种非限制性选择，因为只有阶数-2N到+2N的衍射级(即对于k∈{-2N，…，2N}，在平面B中x＝kP附近)具有对于计算有意义的强度。

因此，M个光束从平面A至平面B的光传播经由如果M是奇数则大小为(2M-1)×(2M-1)、如果M是偶数则大小为2M×2M的矩阵(矩阵H_DOE)与矢量E_A的简单乘积来计算。在通常方法中使用的傅里叶变换已经被该矩阵H_DOE代替。因此，从光电检测器的阵列在平面B中检测的电磁场分布计算在平面A中的电磁场分布，通过该矩阵H_DOE的逆矩阵与在平面B中检测到的强度分布的简单乘积来实现。

根据这样在平面A中计算的电磁场分布，以常规方式计算相位。平面A中的电磁场分布的这种简化计算基本上加快了相位计算算法(＝计算负反馈信号)，例如迭代或搜索最大类型，并且使得即使对于数千个光束，这些用于计算负反馈信号的装置也能实时地实施。作为示例性的迭代相位计算，可以引用在以下公开文本中描述的计算：

-J.Markham和J.A.Conchello，“参数盲解卷积：用于同时估计图像和模糊的鲁棒方法(Parametric blind deconvolution:a robust method for the simultaneousestimation of image and blur)”，J.Opt.Soc.Am.A 16(10)，2377-2391(1999)；

-J.R.Fienup，“相位检索算法：比较(Phase retrieval algorithms:acomparison)”，Appl.Opt.21(15)，2758-2769(1982)。

在示例中，合成DOE通过传输来工作，但是根据本发明的系统在利用反射DOE时保持有效。

Claims (7)

1.一种用于调整具有以λ₀为中心的相同波长的M个激光源的相位的系统，所述M个激光源具有周期性的空间配置，M为大于2的整数，该系统包括：

-用于将从源产生的M个光束准直和引导到具有周期性相位光栅的合成衍射光学元件(1)上的装置，其中入射角θ_2k在每个光束之间不同，这些入射角根据光栅的周期来确定；以及

-用于基于从合成光束产生的负反馈信号来控制所述源的相位的装置；

-用于抽取合成光束的一部分(12)的装置(5)；

-在合成光束的该部分的路径上的傅里叶透镜(6)，所述傅里叶透镜(6)具有物平面和像平面，其中合成衍射光学元件(1)在其物平面中；

-傅里叶透镜(6)的像平面中的检测器阵列(7)，其能够检测合成光束的该部分的强度分布；

其特征在于，该系统包括：

-用于基于这些强度分布来计算负反馈信号的装置(8)，其包括用于通过如下限定的矩阵的逆矩阵来计算在检测器阵列的平面中检测到的强度分布的乘积的装置：矩阵由通过在一个周期上将合成衍射光学元件的相位展开成傅里叶级数而获得的系数限定，如果M是奇数则矩阵的大小为(2M-1)×(2M-1)，如果M为偶数则矩阵的大小为2M×2M。

2.根据权利要求1所述的用于调整具有以λ₀为中心的相同波长的M个激光源的相位的系统，其特征在于，激光源为脉冲式。

3.根据权利要求2所述的用于调整具有以λ₀为中心的相同波长的M个激光源的相位的系统，其特征在于，脉冲宽度小于10^-12秒。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的用于调整具有以λ₀为中心的相同波长的M个激光源的相位的系统，其特征在于，M>100。

5.根据权利要求1所述的用于调整具有以λ₀为中心的相同波长的M个激光源的相位的系统，其特征在于，抽取部分<1/M。

6.根据权利要求1所述的用于调整具有以λ₀为中心的相同波长的M个激光源的相位的系统，其特征在于，源布置成一维或者二维空间配置。

7.根据权利要求1所述的用于调整具有以λ₀为中心的相同波长的M个激光源的相位的系统，其特征在于，当从激光源产生的光束具有同一出射平面时，所述系统包括另一个傅里叶透镜(14)，所述另一个傅里叶透镜(14)具有激光源的出射平面所在的物平面和合成衍射光学元件(1)所在的像平面。