CN108507688B - 大数目激光阵列的相位探测与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大数目激光阵列的相位探测装置与控制方法，该装置包括：可透激光的阵列分光件和光学信息采集装置；阵列分光件包括出光面，出光面上设置至少一个子模块，激光从子模块出光后被分为至少4束子激光，且任意相邻的两束子激光在离出光面距离为Z处形成干涉，Z>0；光学信息采集装置与出光面光路连接，获取干涉条纹信息。该装置结构简单、实现容易、相位控制带宽高。本发明还提供了该探测装置的控制方法。

Description

大数目激光阵列的相位探测与控制方法

技术领域

本发明涉及一种大数目激光阵列的相位探测装置与控制方法，属于激光的相干合成领域。

背景技术

单路激光的输出功率受限于热效应、非线性效应、泵浦功率和光学损伤等物理现象，仅依靠单路激光以达到较高的输出功率。利用多路激光构建激光阵列，并进行相干合成，是实现高功率、高亮度激光系统的重要方法。基于主动相位控制的主振荡功率放大器(英文名称为Master Oscillator Power Amplifier，简称MOPA)，该放大器结构普遍采用一种激光相干合成系统。该系统结构如图1所示，主要包含种子激光1’、激光分束器2’、多个相位调制器3’、多个激光放大器4’、多个激光准直器5’、激光合束器6’、分光镜7’、相位探测模块8’和相位控制模块9’。种子激光1’发射的激光经激光分束器2’进行分束后，各束激光分别进入相位调制器3’。各相位调制器3’分别与各对应的激光放大器4’光路连接。各激光放大器4’分别与激光准直器5’光路连接。各激光准直器5’出射的激光均入射激光合束器6’。低功率激光从激光合束器6’离开后，经分光镜7’分光后携带光学信息的占总功率<1％的激光进入相位探测模块8’。相位探测模块8’探测得到激光信号后，反馈至相位控制模块9’。相位控制模块9’与各相位调制器3’控制连接。

为了消除该MOPA系统中激光放大器等部件引入的相位噪声，需要利用相位探测模块8’对各路激光的相位噪声进行测量，再通过相位控制模块9’对各路激光的相位噪声进行控制，从而实现激光阵列的同相位输出。

对于图1所示的系统，目前常用的相位探测控制方法包括：第一类是间接探测相位控制方法，该方法利用光电探测器探测合成主光束的光强起伏，再从中提取出相位噪声信息，并利用相位控制电路进行主动相位控制，从而实现激光阵列的同相输出。目前应用较为广泛的相位控制算法有随机并行梯度下降算法和抖动算法。第二类是直接探测相位控制方法，该方法通过直接探测各路激光的相位差并进行相位补偿控制。目前报道的方法主要有外差干涉法和剪切干涉仪探测法。

间接探测相位控制方法具有结构简单的特点，但是相位控制带宽随着激光阵列数目的增加而迅速下降，影响了相干合成系统的激光路数扩展能力。直接探测相位控制方法可以有效控制带宽高，但是其系统较为复杂、技术难度较大，例如，外差干涉法中的参考光需要进行扩束和准直调节；剪切干涉仪探测法需要进行大面积光栅的制作，且信号解算较为复杂，计算效率较低，控制反馈时间较长。

发明内容

为了解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种实现容易、相位控制带宽高的大数目激光阵列的相位探测装置。该装置可以探测出每一路激光与相邻激光之间的相位差，从而有效推算出任意两路激光之间的相位差。该方法无需对现有系统进行结构改进即可实现相位控制带宽高的优点。

所述大数目激光阵列的相位探测装置，包括：可透激光的阵列分光件和光学信息采集装置；

所述阵列分光件包括出光面，所述出光面上设置至少一个子模块，激光从所述子模块出光后被分为至少4束子激光，且任意相邻的两束所述子激光在离所述出光面距离为Z处形成干涉，Z>0；

所述光学信息采集装置与所述出光面光路连接，获取所述干涉条纹信息。

进一步地，子激光束为4束。

进一步地，出光面向所述阵列分光件内凹陷形成所述子模块。

进一步地，子模块包括至少4个三角形倾斜面，各所述倾斜面的一端围成所述子模块的边缘，所述倾斜面的顶角相接。各所述倾斜面与所述阵列分光件侧壁的夹角<90°。

进一步地，子模块为正方形区域。

进一步地，正方形区域的边长与两相邻入射激光的间距相等。

进一步地，阵列分光件还包括相对所述出光面设置于所述阵列分光件上的入光面，所述入光面为平面。

进一步地，光学信息采集装置为成像装置，所述成像装置为CCD相机、靶面相机或相机阵列中的至少一种。

本发明的又一方面提供了一种基于主动相位控制的主振荡功率放大器，包括：相位探测模块，所述相位探测模块中包括如上述的大数目激光阵列的相位探测装置。

进一步地，所述基于主动相位控制的主振荡功率放大器包括：种子激光、激光分束器、多个相位调制器、多个激光放大器、多个激光准直器、激光合束器、分光镜和相位控制模块，所述种子激光入射所述激光分束器，所述激光分束器与多个所述相位调制器光路连接；各所述相位调制器分别与各所述激光放大器光路连接；各所述激光放大器分别与各所述激光准直器光路连接；各所述激光准直器均与所述激光合束器光路连接；所述激光合束器与所述分光镜光路连接；所述分光镜的反射光与所述大数目激光阵列的相位探测装置光路连接；所述大数目激光阵列的相位探测装置与相位控制模块数据连接；所述相位控制模块分别与各所述相位调制器控制连接。

本发明的又一方面还提供了一种如上述的大数目激光阵列的相位探测装置用的激光同相位控制方法，所述激光为M行N列的阵列激光，包括以下步骤：

步骤S100：将第一列的i行激光的相位控制为同相，i为0～M范围内的任意整数；

步骤S200：将第e列激光中的M行激光均控制为同相，e为0～N范围内的任意整数。

本发明的有益效果包括但不限于：

(1)本发明所提供的大数目激光阵列的相位探测装置，该装置可以探测出每一路激光与相邻激光之间的相位差，从而能够快速推算出任意两路激光之间的相位差，为相位调节，提供可靠依据。而且该装置结构简单，容易实现，易于实现较高相位控制带宽。

(2)本发明所提供的激光阵列相干合成系统，能有效避免相位控制带宽随着激光阵列数目的增加而迅速下降，能保持合成后激光的相位控制带宽较高。而且结构简单，仅需对相位探测模块进行改进，无需增加过多的光学器件，降低光路的复杂程度。可完全避免对参考光进行扩束和准直调节；也能避免制作大面积光栅，保持所处理信号的解算复杂度较低，提高调整效率。

附图说明

图1是现有技术中基于主动相位控制的主振荡功率放大器的结构示意框图；

图2是本发明提供的大数目激光阵列的相位探测装置使用状态投影示意图；

图3是本发明提供的大数目激光阵列的相位探测装置立体示意图；

图4是本发明提供的大数目激光阵列的相位探测装置的工作原理(右侧透视)示意图；

图5是本发明提供的阵列分光件俯视示意图；

图6是本发明提供的阵列分光件主视示意图；

图7是本发明提供的阵列分光件侧视示意图；

图8是本发明提供的大数目激光阵列的相位探测装置激光合成过程示意图。

图例说明：

81、输入激光阵列；82、阵列分光件；83、输出激光阵列；84、光学信息采集装置。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

参见图2，本发明提供的大数目激光阵列的相位探测装置，包括：可透激光的阵列分光件82和光学信息采集装置84，所述阵列分光件82包括出光面，所述出光面上设置至少一个子模块，激光从所述子模块出光后被分为至少4束子激光，且任意相邻的两束所述子激光在离所述出光面距离为Z处形成干涉，Z>0；所述光学信息采集装置84与所述出光面光路连接，获取所述干涉条纹信息。

该相位探测装置可直接用于激光阵列相干合成系统中，根据所获取的干涉条纹形态，通过现有的方法(如P Yang,等.发表的Coherent combination of two ytterbiumfiber amplifier based on an active segmented mirror[J].Opt.Commun.,2009,282(7):1349-1353)获得单路激光与相邻4路激光的相位差，经过数据处理后，即可生成对相位调制器进行相位控制的控制信号。保证控制后的激光的相位控制带宽较高，避免相位控制带宽随着激光阵列数目的增加而迅速下降。而且无需对现有相干合成系统进行改变。无需增加其他光学器件和光栅。避免增加系统的复杂性。此处的干涉条纹信息包括但不限于干涉条纹图案。光学信息采集装置84仅需至少能够探测完整的干涉条纹即可。两路激光干涉条纹的形态能够反映两路激光的相位信息，通过获取干涉条纹信息，就能按现有推算方法反推出两路激光之间的相位差。

在一具体实施例中，参见图2，输入激光阵列81垂直阵列分光件82入射阵列分光件82的一面，并从阵列分光件82的出光面离开，离开后每一束激光均被子模块分为4束激光，并在出光面一侧形成输出激光阵列83。两两相邻的激光在距离阵列分光件82Z处发生干涉。干涉条纹信息被光信息采集装置获取。

参见图3，本文中的至少4束子激光是指，分束后的激光数量。此处分束后的激光为了能实现干涉，分束后子激光光束与阵列分光件82的水平面形成锐角。

参见图4，优选的，所述子激光束为4束。此时阵列分光件82的加工难度最小，且干涉条纹信息，分析效果最优。

参见图5～7，优选的，所述出光面向所述阵列分光件82内凹陷形成所述子模块。

优选的，所述子模块包括至少4个三角形倾斜面，各所述倾斜面的一端围成所述子模块的边缘，所述倾斜面的顶角相接。各所述倾斜面与所述阵列分光件82侧壁的夹角<90°。倾斜面与所述阵列分光件82侧壁的夹角可根据距离Z进行调节。

优选的，所述子模块为正方形区域。优选的，所述正方形区域的边长与两相邻入射激光的间距相等。

优选的，所述子模块为阵列式排布。例如可以形成M行N列的子模块阵列。从而更好的处理阵列激光。

优选的，所述阵列分光件82还包括相对所述出光面设置于所述阵列分光件82上的入光面，所述入光面为平面。入光面设置为平面能放置入射激光的传播方向发生改变，影响干涉条纹的成像距离。

优选的，所述光学信息采集装置84为成像装置，所述成像装置为CCD相机、靶面相机或相机阵列中的至少一种。相机阵列为多个相机按阵列结构排布组成。成像装置仅需能保证捕捉所需量的干涉条纹信息即可。

本发明的另一方面还提供了一种基于主动相位控制的主振荡功率放大器，包括相位探测模块，所述相位探测模块中包括如上述任一的大数目激光阵列的相位探测装置。

优选的，基于主动相位控制的主振荡功率放大器包括：所述基于主动相位控制的主振荡功率放大器包括：种子激光1’、激光分束器2’、多个相位调制器3’、多个激光放大器4’、多个激光准直器5’、激光合束器6’、分光镜7’和相位控制模块8’，所述种子激光1’入射所述激光分束器2’，所述激光分束器2’与多个所述相位调制器3’光路连接；各所述相位调制器3’分别与各所述激光放大器4’光路连接；各所述激光放大器4’分别与各所述激光准直器5’光路连接；各所述激光准直器5’均与所述激光合束器6’光路连接；所述激光合束器6’与所述分光镜7’光路连接；所述分光镜7’的反射光与所述大数目激光阵列的相位探测装置光路连接；所述大数目激光阵列的相位探测装置与相位控制模块9’数据连接；所述相位控制模块9’分别与各所述相位调制器3’控制连接。

在一具体实施例中，参见图1，基于主动相位控制的主振荡功率放大器包括种子激光1’、激光分束器2’、多个相位调制器3’、多个激光放大器4’、多个激光准直器5’、激光合束器6’、分光镜7’、相位探测模块8’和相位控制模块9’。种子激光1’与激光分束器2’光路连接。激光分束器2’将种子激光1’分束为多束激光。以下为描述简便，以第i束激光为例进行说明，第i束激光入射第i个相位调制器3’。第i个相位调制器3’的出光端与第i个激光放大器4’光路连接。第i个激光放大器4’的出光端与第i个激光准直器5’光路连接。多个激光准直器5’均与激光合束器6’光路连接。之后激光合束器6’将多束激光合束形成包含M×N路单元激光的激光阵列。激光阵列经过分光镜7’分束后，占激光总功率>99％的激光发射到目标靶面，占总功率<1％的激光入射到相位探测模块8’。相位探测模块8’的电信号输出端口和相位控制模块9’的电信号输入端口相连。相位控制模块9’包括多个控制信号输出端口，各控制信号输出端口分别与各相位调制器3’控制连接。相位控制模块9’的第i个控制信号输出端口与第i个相位调制器3’的控制信号输入端口相连。

采用包括上述大数目激光阵列的相位探测装置的相位探测模块8’，即可输出激光阵列中各束激光的干涉条纹信息供相位控制模块9’进行算法分析处理。能保证控制后输出的激光阵列中相位控制带宽较高，从而实现大阵列激光的输出。

参见图2，图中两两相邻的入射激光的间距为L。子模块的边长为L。L≥光斑直径。相位控制系统的带宽为1/T，T为完成阵列激光单次同相控制过程所需的时间。Z与输出激光阵列83中各路子激光出射的角度相关，Z处相邻子激光正好实现较好的重合，并实现干涉。

通过使用该装置，克服了现有基于主动相位控制的主振荡功率放大器使用中存在的各类问题，提高了适应性，而且无需改动系统基本器件，也无需增加其他光学器件，为实现该放大器的小型化提供可能。

本发明的又一方面提供了一种上述大数目激光阵列的相位探测装置用的相位控制方法，所述激光为M行N列的阵列激光，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：将第一列的i行激光的相位控制为同相，i为0～M范围内的任意整数；

步骤S200：将第e列激光中的M行激光均控制为同相，e为0～N范围内的任意整数。

在一具体实施例中，参见图8，首先将1-11,1-21,1-31,1-41四路激光控制到同相；再将1-e2,1-e3,1-e4和1-e1控制同相，e＝1,2,3,4，此时所有激光相位相同。

以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种大数目激光阵列的相位探测装置，其特征在于，包括：可透激光的阵列分光件和光学信息采集装置；

所述阵列分光件包括出光面，所述出光面上设置至少一个子模块，激光从所述子模块出光后被分为至少4束子激光，且分别来自相邻两子模块的相邻的两束所述子激光在离所述出光面距离为Z处形成干涉，Z>0；

所述光学信息采集装置与所述出光面光路连接，获取所述干涉条纹信息。

2.根据权利要求1所述的大数目激光阵列的相位探测装置，其特征在于，所述出光面向所述阵列分光件内凹陷形成所述子模块。

3.根据权利要求2所述的大数目激光阵列的相位探测装置，其特征在于，所述子模块包括至少4个三角形倾斜面，各所述倾斜面的一端围成所述子模块的边缘，所述倾斜面的顶角相接,各所述倾斜面与所述阵列分光件侧壁的夹角<90°。

4.根据权利要求1所述的大数目激光阵列的相位探测装置，其特征在于，所述子模块为正方形区域。

5.根据权利要求4所述的大数目激光阵列的相位探测装置，其特征在于，所述正方形区域的边长与两相邻入射激光的间距相等。

6.根据权利要求1所述的大数目激光阵列的相位探测装置，其特征在于，所述阵列分光件还包括相对所述出光面设置于所述阵列分光件上的入光面，所述入光面为平面。

7.根据权利要求1所述的大数目激光阵列的相位探测装置，其特征在于，所述光学信息采集装置为成像装置，所述成像装置为CCD相机、靶面相机或相机阵列中的至少一种。

8.一种基于主动相位控制的主振荡功率放大器，包括：相位探测模块，其特征在于，所述相位探测模块中包括如权利要求1～7中任一项所述的大数目激光阵列的相位探测装置。

9.根据权利要求8所述的基于主动相位控制的主振荡功率放大器，其特征在于，所述基于主动相位控制的主振荡功率放大器包括：种子激光、激光分束器、多个相位调制器、多个激光放大器、多个激光准直器、激光合束器、分光镜和相位控制模块，所述种子激光入射所述激光分束器，所述激光分束器与多个所述相位调制器光路连接；

各所述相位调制器分别与各所述激光放大器光路连接；各所述激光放大器分别与各所述激光准直器光路连接；

各所述激光准直器均与所述激光合束器光路连接；所述激光合束器与所述分光镜光路连接；

所述分光镜的反射光与所述大数目激光阵列的相位探测装置光路连接；

所述大数目激光阵列的相位探测装置与相位控制模块数据连接；

所述相位控制模块分别与各所述相位调制器控制连接。

10.一种如权利要求1～7中任一项所述的大数目激光阵列的相位探测装置用的激光同相位控制方法，所述激光为M行N列的阵列激光，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：将第一列的i行激光的相位控制为同相，i为0～M范围内的任意整数；

步骤S200：将第e列激光中的M行激光均控制为同相，e为0～N范围内的任意整数。