CN107870441B - 一种基于数字全息的光纤激光相干合成方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于数字全息的光纤激光相干合成方法，其技术要点是：探测激光器出射激光束，通过第一半波片和激光扩束准直系统，被第一偏振分束棱镜分为两束，两束激光干涉，本振激光器出射激光，在掺铒光纤组束中被放大后，通过光纤耦合系统，被第二偏振分束棱镜反射后向上输出，实现相干合成；采用该技术方案，只需要一个探测CCD相机，即可实现多路光纤激光相干合成，若激光路数增加导致截面积过大，可通过改变光束口径匹配系统，将截面缩束到CCD相机可探测区域内，不需要进行迭代算法，避免了算法无法收敛或收敛速度过慢，反馈速度快，无需对强激光波前进行相位控制，避免了光学元件的热畸变和热损伤，适合高功率激光系统中的应用。

Description

一种基于数字全息的光纤激光相干合成方法
技术领域
本发明涉及激光相干合成技术领域，具体的说是一种基于数字全息的光纤激光相干合成方法。
背景技术
光束合成的方式主要有四种，即光谱合成、偏振合成、非相干合成和相干合成。光谱合成是将波长间有细微差别的多路激光同轴简单叠加输出，达到提高激光输出功率的目的；偏振合成是使用镀有特殊膜系的分光镜，让偏振相互垂直的两束光，一路透射，一路反射，通过相位锁定使透射光和反射光的振幅矢量稳定叠加，从而达到合成的目的；非相干合成是控制各路光束的指向性，使其在目标处进行简单的光强叠加而提高目标处的输出功率；相干合成在控制各路光束指向性的同时锁定光束间的相位，从而使波长一致、偏振相同的多路激光在远场以相干的方式叠加，在远场输出平面同时得到高功率和高亮度的激光输出。
激光相干合成的方法有外差法、随机并行梯度下降算法、多抖动法等。其中外差法是各阵列光束与频移的参考光束进行差拍干涉，通过探测各阵列光束的相位来实时控制各光束的相位；随机并行梯度下降算法不需要参考光，只需要一个探测器探测合成光强变化，软件自动寻优补偿相位偏差而获得稳定的最大干涉光强输出；多抖动法对各阵列光束施加不同频率的小幅相位调制，利用电学相关检测的方法分离出相位控制信号，该方法同样不需要参考光，并且只需要一个探测器。
在现有技术中，外差法是应用最广泛、成熟度最高的激光相干合成技术。用外差法进行激光相干合成，当合成光束的路数增多时，不论在光学单元，还是在电学单元增加的都只是相应独立的系统，由于系统过于庞大，虽然以随机并行梯度下降算法为代表的方法，不论多少路激光，只需要一个探测器进行探测，非常适合多光束合成使用。但是，由于激光不稳定、电干扰、算法出错等诸多因素，实际使用中算法不易收敛，导致相干合成失败。同时，由于受到热损伤和非线性效应等的影响，单台光纤激光器输出单模激光的理论最大功率有限。若在此基础上继续提高单台激光器的输出功率，由于介质的热效应和非线性效应等的影响，其输出光束的光束质量会越来越差而很难在实际中直接应用。
发明内容
本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种基于数字全息的光纤激光相干合成方法。
一种基于数字全息的光纤激光相干合成方法，探测激光器出射激光束，通过第一半波片和激光扩束准直系统，被第一偏振分束棱镜分为两束，两束激光干涉，本振激光器出射激光，在掺铒光纤组束中被放大后，通过光纤耦合系统，被第二偏振分束棱镜反射后向上输出，实现相干合成。
进一步地，被第一偏振分束棱镜分为两束激光中的一束依次经过第二偏振分束棱镜、光纤耦合系统、掺铒光纤束组、光束口径匹配系统、第三偏振分束棱镜、分束棱镜，进入CCD相机；另一束依次经过反射镜和第二半波片，被分束棱镜反射后进入CCD相机。
进一步地，CCD相机记录干涉形成的数字全息图，并将记录下来的数字全息图经过数据转换器加载到反射式液晶空间光调制器上。
进一步地，本振激光器出射激光依次通过第三偏振分束棱镜和1/4波片后，被反射式液晶空间光调制器反射，再次通过1/4波片后，被第三偏振分束棱镜反射向上，经过光束口径匹配系统。
进一步地，通过旋转第一半波片，可以调整第一偏振分束棱镜之后两束激光的光强。
进一步地，本振激光器输出激光偏振态为平行方向，能够全部透射第三偏振分束棱镜，两次经过1/4波片后，偏振状态变为垂直方向，被第三偏振分束棱镜和第二偏振分束棱镜反射。
本发明的优点：
1，只需要一个探测CCD相机，即可实现多路光纤激光相干合成，若激光路数增加导致截面积过大，可通过改变光束口径匹配系统，将截面缩束到CCD相机可探测区域内；
2，不需要进行迭代算法，避免了算法无法收敛或收敛速度过慢；
3，反馈速度快；
4，无需对强激光波前进行相位控制，避免了光学元件的热畸变和热损伤，适合高功率激光系统中的应用。
附图说明
图1是本发明的原理结构示意简图。
具体实施例
为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细说明。
实施例1
如图1所示，一种基于数字全息的光纤激光相干合成方法，探测激光器1出射激光束，通过第一半波片2和激光扩束准直系统3，被第一偏振分束棱镜4分为两束，一束依次经过第二偏振分束棱镜5、光纤耦合系统6、掺铒光纤束组7、光束口径匹配系统8、第三偏振分束棱镜14、分束棱镜13，进入CCD相机12，另一束依次经过反射镜17和第二半波片16，被分束棱镜13反射后进入CCD相机12，两束激光干涉，CCD相机12记录干涉形成的数字全息图，并将记录下来的数字全息图经过数据转换器11加载到反射式液晶空间光调制器10上，本振激光器15出射激光依次通过第三偏振分束棱镜14和1/4波片9后，被反射式液晶空间光调制器10反射，再次通过1/4波片9后，被第三偏振分束棱镜14反射向上，经过光束口径匹配系统8，在掺铒光纤组束7中被放大后，通过光纤耦合系统6，被第二偏振分束棱镜5反射后向上输出，实现相干合成。
实施例2
如图1所示，一种基于数字全息的光纤激光相干合成方法，采用1550nm、功率50mW的探测激光器1出射激光束，通过第一半波片2和激光扩束准直系统3，被第一偏振分束棱镜4分为两束，通过旋转第一半波2片，可以调整第一偏振分束棱镜4之后两束激光的光强，一束依次经过第二偏振分束棱镜5、光纤耦合系统6、掺铒光纤束组7、光束口径匹配系统8、第三偏振分束棱镜14、分束棱镜13，进入CCD相机12，另一束依次经过反射镜17和第二半波片16，被分束棱镜13反射后进入CCD相机12，两束激光干涉，CCD相机12记录干涉形成的数字全息图，并将记录下来的数字全息图经过数据转换器11加载到反射式液晶空间光调制器10上，本振激光器15出射激光依次通过第三偏振分束棱镜14和1/4波片9后，被反射式液晶空间光调制器10反射，再次通过1/4波片9后，被第三偏振分束棱镜14反射向上，经过光束口径匹配系统8，在掺铒光纤组束7中被放大后，通过光纤耦合系统6，被第二偏振分束棱镜5反射后向上输出，实现相干合成。其中，也可以将本振激光器15输出激光偏振态为平行方向，能够全部透射第三偏振分束棱镜14，两次经过1/4波片9后，偏振状态变为垂直方向，被第三偏振分束棱镜14和第二偏振分束棱镜5反射。

Claims (3)

1.一种基于数字全息的光纤激光相干合成方法，其特征在于：探测激光器出射激光束，通过第一半波片和激光扩束准直系统，被第一偏振分束棱镜分为两束，两束激光中的一束依次经过第二偏振分束棱镜、光纤耦合系统、掺铒光纤束组、光束口径匹配系统、第三偏振分束棱镜、分束棱镜，进入CCD相机；另一束依次经过反射镜和第二半波片，被分束棱镜反射后进入CCD相机；两束激光干涉，CCD相机记录干涉形成的数字全息图，并将记录下来的数字全息图经过数据转换器加载到反射式液晶空间光调制器上；本振激光器出射激光依次通过第三偏振分束棱镜和1/4波片后，被反射式液晶空间光调制器反射，再次通过1/4波片后，被第三偏振分束棱镜反射向上，经过光束口径匹配系统，在掺铒光纤束组中被放大后，通过光纤耦合系统，被第二偏振分束棱镜反射后向上输出，实现相干合成。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字全息的光纤激光相干合成方法，其特征在于：通过旋转第一半波片，可以调整第一偏振分束棱镜之后两束激光的光强。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字全息的光纤激光相干合成方法，其特征在于：本振激光器输出激光偏振态为平行方向，能够全部透射第三偏振分束棱镜，两次经过1/4波片后，偏振状态变为垂直方向，被第三偏振分束棱镜和第二偏振分束棱镜反射。
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