CN109212772A - 一种激光相干偏振合成方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光相干偏振合成方法及系统，合成方法包括本振激光经过分束器后被分成N路激光，其中的一路激光作为参考光分别经过声光移频器、准直镜进行准直生成空间光，所述空间光光经合束镜的反射进入光电探测器；N‑1路分别经过相位控制器、激光准直器、激光放大级、偏振分束棱镜作用进行偏振合成输出；N‑1路待偏振分束激光经所述第一偏振分束棱镜、合束镜、光电探测器、相位检测与控制电路、相位控制器作用进行相位锁定。本发明为增加偏振合成方法的合成路数，突破传统偏振合成方法的限制，通过对合成对子光束进行相位锁定，实现每两束激光偏振合成后仍为线偏振光，并对合成后的线偏振光进行偏振方向进行控制，实现更多数量激光偏振合成。
Description
技术领域
本发明涉及激光合成技术领域，特别是指一种激光相干偏振合成方法及其系统。
背景技术
激光合成分为相干合成和非相干合成两类，两种激光合成方法各有利弊，由于应用防线、使用限制、实现途径的不同而发展出了多种合成方案。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，利用电学相关检测方法分离出相位控制信号，同样不需要参考光且仅需要一个探测器。目前，外差法是应用最广泛、成熟度最高的激光相干合成技术。
激光非相干合成方法主要包括偏振合成方案、光谱合成方案和空间组束方案。偏振合成方案实现共孔径输出，利用偏振方向正交的两束激光通过偏振合束器件进行合成，由于正交偏振方向只有两种，因此传统偏振合成方法只能进行两束激光合成。光谱合成方案也是实现共孔径输出，利用多束激光在波长上的差别，利用棱镜、光栅等色散元件进行激光合成。空间组束方案实现多个子孔径并束输出，并通过精确控制激光指向在目标处重叠进行激光合成。由于系统简单空间组束方案使用最多，若采用共孔径输出偏振合成技术最为成熟且常用。然而，传统的激光偏振合成技术，是将两束线偏振光通过偏振合束器合成为一束，合成后的光束为非偏振光，理论上只能进行两束激光的合成。拓展应用性能有限，一般认为不是获得大功率激光输出的有效途径。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种无需进行大规模计算迭代过程，具有多链路、大功率的激光相干偏振合成方法及其系统。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：
一方面，提供一种激光相干偏振合成方法，包括：
本振激光经过分束器后被分成N路激光，其中的一路激光作为参考光分别经过声光移频器、准直镜进行准直生成空间光，所述空间光光经合束镜的反射进入光电探测器；其中，N为大于1的奇数；
除所述参考光之外的N-1路分别经过相位控制器、激光准直器、激光放大级作用后分别生成N-1路待偏振分束激光，所述N-1路待偏振分束激光透过对应的第一偏振分束棱镜后每相邻第一预设路数激光在第二偏振分束棱镜处合成一路激光，每相邻第二预设路数合成后的激光在第三偏振分束棱镜处进行偏振合成输出；
所述N-1路待偏振分束激光经所述第一偏振分束棱镜反射后透过所述合束镜进入对应的光电探测器生成N-1个信号，所述N-1个信号经过相位检测与控制电路后进入相位控制器，以进行所述N-1路激光的相位锁定。
优选地，所述每相邻第二预设路数合成后的激光在第三偏振分束棱镜处进行偏振合成输出之前，还包括：每相邻第二预设路数合成后的激光分别经过相应的半波片调整后在第三偏振分束棱镜处合成并进行偏振合成输出。
优选地，所述本振激光采用1064nm的光纤激光器。
优选地，所述参考光由光纤进入所述声光移频器，所述光纤模场直径为6.6μm、包层直径125μm、涂覆层直径245μm、衰减为2.5dB/km；所述声光移频器光学工作波长为1064nm，可承受的光学功率密度为3W/mm2，频移量为80MHz，声光效率70％。
优选地，所述光电探测器带宽为125MHz，响应度可达2.4×104V/W，饱和功率120μW，采用AC(交流)耦合模式。
优选地，所述第一偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜以及第三偏振分束棱镜采用高损伤阈值产品。
另一方面，还提供了一种激光相干偏振合成系统，包括：
分束器、声光移频器、准直镜、合束镜、相位控制器、激光准直器、激光放大级、第一偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜、第三偏振分束棱镜以及相位检测与控制电路；
所述分束器，用于将本振激光分成N路激光；其中，N为大于1的奇数；
所述声光移频器和准直镜，用于将所述N路激光中作为参考光的一路激光进行准直生成空间光；
所述合束镜，用于将所述空间光反射后送入光电探测器；
所述相位控制器、激光准直器、激光放大级，用于将除参考光以外的N-1路激光进行作用生成待偏振分束激光后送入N-1个第一偏振分束棱镜；
所述第二偏振分束棱镜，用于将所述待偏振分束激光透过对应的第一偏振分束棱镜后的每相邻第一预设路数激光合成一路激光，每相邻第二预设路数合成后的激光在第三偏振分束棱镜处进行偏振合成输出；
所述相位检测与控制电路，用于接收所述N-1路待偏振分束激光经所述第一偏振分束棱镜反射后透过所述合束镜进入对应的光电探测器生成的N-1个信号，并将形成的相位控制信号送入相位控制器，以进行所述N-1路激光的相位锁定。
优选地，还包括：半波片，所述半波片具体用于每相邻第二预设路数合成后的激光分别经过相应的半波片调整后在第三偏振分束棱镜处合成并进行偏振合成输出。
优选地，所述本振激光采用1064nm的光纤激光器。
本发明的实施例具有以下有益效果：
传统的激光偏振合成技术，是将两束线偏振光通过偏振合束器合成为一束，合成后的光束为非偏振光，理论上只能进行两束激光的合成，拓展应用性能有限，一般认为不是获得大功率激光输出的有效途径。上述方案中，不同于传统的偏振合成，相干偏振合成通过各路光束之间相位的锁定，使得合成后的光束为线偏振光，因此，合成后的光束可以继续参与偏振合成，实现多路光束的偏振合成。本发明基于相干偏振合成原理，引出一路激光移频后作为参考光，外差法实现第二预设路数线偏振激光主动锁相，得到稳定的线偏振光合成输出。该方法实现简单，无需进行大规模算法迭代过程，具有向多链路、大功率发展的可行性和可拓展性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种激光相干偏振合成方法的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
近年来，高亮度固体激光技术取得重大突破，具有结构紧凑、体积小巧、电力驱动、无污染、成本低廉、连续发射能力强等诸多优势，在工业加工、国防军事和科学研究等领域有非常广泛的应用需求。当前，单增益模块的高光束质量固体激光器功率水平在数千瓦量级，即使采用主振荡-功率放大(MOPA)结构技术，单口径近衍射极限输出的固体激光链路平均功率也只能达到数十千瓦量级。
本发明的实施例针对传统的激光偏振合成技术，是将两束线偏振光通过偏振合束器合成为一束，合成后的光束为非偏振光，理论上只能进行两束激光的合成，拓展应用性能有限，一般认为不是获得大功率激光输出的有效途径。提供一种激光相干偏振合成方法，包括：
本振激光经过分束器后被分成N路激光，其中的一路激光作为参考光分别经过声光移频器、准直镜进行准直生成空间光，所述空间光光经合束镜的反射进入所有的光电探测器；其中，N为大于1的奇数；除参考光之外的N-1路分别经过相位控制器、激光准直器、激光放大级作用后分别生成N-1路待偏振分束激光，N-1路待偏振分束激光透过对应的第一偏振分束棱镜(即对应的N-1个第一偏振分束棱镜)后每相邻第一预设路数激光在第二偏振分束棱镜处合成一路激光，每相邻第二预设路数合成后的激光在第三偏振分束棱镜处进行偏振合成输出；N-1路待偏振分束激光经所述第一偏振分束棱镜反射后透过所述合束镜进入对应的N-1个光电探测器生成N-1个信号，N-1个信号经过相位检测与控制电路后生成相位控制信号并进入相位控制器，以进行所述N-1路激光的相位锁定。
具体地，所述每相邻第二预设路数合成后的激光在第三偏振分束棱镜处进行偏振合成输出之前，还包括：每相邻第二预设路数合成后的激光分别经过相应的半波片调整后在第三偏振分束棱镜处合成并进行偏振合成输出。
本发明基于相干偏振合成原理，引出一路激光移频后作为参考光，外差法实现第二预设路数线偏振激光主动锁相，得到稳定的线偏振光合成输出。该方法实现简单，无需进行大规模算法迭代过程，具有向多链路、大功率发展的可行性和可拓展性。
具体地，如图1为本发明实施例提供的一种激光相干偏振合成方法的原理示意图，本发明实施例中N取值为5，即分束器将本振激光分成5路激光，但本领域技术人员应当得知以实现方案方式为主，分成其他多路光束也可以同理实现，并不以此为限制。例如分束后的激光路数N取值为7，第一预设路数取4第二预设路数取2，先进行4路光束的合束再进行2路光束的合束，以此类推。
具体地，如图1中具体所示，将光纤激光器作为本振激光，经过分束器分为5路激光。其中1路作为参考光，经由光纤进入声光移频器，被准直镜准直后变为空间光，空间光被合束镜反射进入光电探测器1～4。其中，参考光相当于基准，每路计算出和参考光的相位差后反馈给相应相位控制器。相位控制器是每一路各有一个，图1中仅用一个相位控制器进行了表示。其他4路分别经过相位控制器、激光准直器、激光放大级，经过偏振分束棱镜1～4后(即4个第一偏振分束棱镜)，两路在偏振分束棱镜5(即2个第二偏振分束棱镜中的一个)处合成一路，另两路在在偏振分束棱镜6(即2个第二偏振分束棱镜中的另一个)处合成一路。合成后的两路激光分别经过半波片精确调整后在偏振分束棱镜7(第三偏振分束棱镜)处合成，形成激光输出。偏振分束棱镜1～4的反射光透过合束镜后分别进入光电探测器1～4。光电探测器1～4的信号送入相位检测与控制电路形成相位控制信号，并将相位控制信号送入4个相位控制器，分别对4路激光进行相位控制，实现4束激光相位锁定。进而实现引出一路激光移频后作为参考光，外差法实现两路线偏振激光主动锁相，得到稳定的线偏振光合成输出。
具体地，本发明实施例采用＝用Anonimics 1064nm光纤激光器作为本振激光，用1×6光纤分束器引出5路激光，光纤采用康宁的PM98-U25A光纤，模场直径为6.6μm，包层直径125μm，涂覆层直径245μm，衰减为2.5dB/km。相位调制器采用LiNbO3光纤相位调制器。声光移频器光学工作波长为1064nm，可承受的光学功率密度为3W/mm2，频移量为80MHz，声光效率70％，保偏光纤输出。光电探测器选用Newfocus公司的1811探测器。带宽为125MHz，响应度可达2.4×104V/W，饱和功率120μW，采用AC(交流)耦合模式，偏振分束棱镜采用高损伤阈值产品。利用该套系统能够实现稳定4束激光偏振合成。
另一方面，还提供了一种激光相干偏振合成系统，包括：
分束器、声光移频器、准直镜、合束镜、相位控制器、激光准直器、激光放大级、第一偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜、第三偏振分束棱镜以及相位检测与控制电路；
所述分束器，用于将本振激光分成N路激光；其中，N为大于1的奇数；
所述声光移频器和准直镜，用于将所述N路激光中作为参考光的一路激光进行准直生成空间光；
所述合束镜，用于将所述空间光反射后送入光电探测器；
所述相位控制器、激光准直器、激光放大级，用于将除参考光以外的N-1路激光进行作用生成待偏振分束激光后送入N-1个第一偏振分束棱镜；
所述第二偏振分束棱镜，用于将所述待偏振分束激光透过对应的第一偏振分束棱镜后的每相邻第一预设路数激光合成一路激光，每相邻第二预设路数合成后的激光在第三偏振分束棱镜处进行偏振合成输出；
所述相位检测与控制电路，用于接收所述N-1路待偏振分束激光经所述第一偏振分束棱镜反射后透过所述合束镜进入所述光电探测器生成的N-1个信号，并将形成的相位控制信号送入相位控制器，以进行所述N-1路激光的相位锁定。
具体地，本发明系统还包括：半波片，所述半波片具体用于每相邻第二预设路数合成后的激光分别经过相应的半波片调整后在第三偏振分束棱镜处合成并进行偏振合成输出。
其中，本发明实施例提供的激光相干偏振合成系统中与方法实施例中实现相一致之中，不再进行赘述。
在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种激光相干偏振合成方法，其特征在于，包括：
本振激光经过分束器后被分成N路激光，其中的一路激光作为参考光分别经过声光移频器、准直镜进行准直生成空间光，所述空间光光经合束镜的反射进入光电探测器；其中，N为大于1的奇数；
除所述参考光之外的N-1路分别经过相位控制器、激光准直器、激光放大级作用后分别生成N-1路待偏振分束激光，所述N-1路待偏振分束激光透过对应的第一偏振分束棱镜后每相邻第一预设路数激光在第二偏振分束棱镜处合成一路激光，每相邻第二预设路数合成后的激光在第三偏振分束棱镜处进行偏振合成输出；
所述N-1路待偏振分束激光经所述第一偏振分束棱镜反射后透过所述合束镜进入对应的光电探测器生成N-1个信号，所述N-1个信号经过相位检测与控制电路后进入相位控制器，以进行所述N-1路激光的相位锁定。
2.根据权利要求1所述的激光相干偏振合成方法，其特征在于，所述每相邻第二预设路数合成后的激光在第三偏振分束棱镜处进行偏振合成输出之前，还包括：每相邻第二预设路数合成后的激光分别经过相应的半波片调整后在第三偏振分束棱镜处合成并进行偏振合成输出。
3.根据权利要求1所述的激光相干偏振合成方法，其特征在于，所述本振激光采用1064nm的光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的激光相干偏振合成方法，其特征在于，所述第一偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜以及第三偏振分束棱镜采用高损伤阈值产品。
5.一种激光相干偏振合成系统，其特征在于，包括：
分束器、声光移频器、准直镜、合束镜、相位控制器、激光准直器、激光放大级、第一偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜、第三偏振分束棱镜以及相位检测与控制电路；
所述分束器，用于将本振激光分成N路激光；其中，N为大于1的奇数；
所述声光移频器和准直镜，用于将所述N路激光中作为参考光的一路激光进行准直生成空间光；
所述合束镜，用于将所述空间光反射后送入光电探测器；
所述相位控制器、激光准直器、激光放大级，用于将除参考光以外的N-1路激光进行作用生成待偏振分束激光后送入N-1个第一偏振分束棱镜；
所述第二偏振分束棱镜，用于将所述待偏振分束激光透过对应的第一偏振分束棱镜后的每相邻第一预设路数激光合成一路激光，每相邻第二预设路数合成后的激光在第三偏振分束棱镜处进行偏振合成输出；
所述相位检测与控制电路，用于接收所述N-1路待偏振分束激光经所述第一偏振分束棱镜反射后透过所述合束镜进入对应的光电探测器生成的N-1个信号，并将形成的相位控制信号送入相位控制器，以进行所述N-1路激光的相位锁定。
6.根据权利要求5所述的激光相干偏振合成系统，其特征在于，还包括：半波片，所述半波片具体用于每相邻第二预设路数合成后的激光分别经过相应的半波片调整后在第三偏振分束棱镜处合成并进行偏振合成输出。
7.根据权利要求5所述的激光相干偏振合成系统，其特征在于，所述本振激光采用1064nm的光纤激光器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190115 |