CN109830882B - 激光阵列的活塞相位控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光阵列的活塞相位控制方法及装置，该方法包括：将入射的激光阵列中每路入射激光分成两束以上衍射激光，每束衍射激光与入射激光呈锐角，且衍射激光在垂直于入射激光的平面上的投影以入射激光的投影以圆心沿径向呈辐射状均布；将位于同一阵列单元中A路入射激光分束后的衍射激光中A束合束后进行相位解析，以将A路入射激光与共用的入射激光的相位锁定，其中A为大于或等于2的整数；按照预设路径依次将所有入射激光锁定在同一相位。解决现有技术中相位控制带宽随着激光阵列数目增加而迅速下降，影响相干合成系统激光路数扩展问题，减小上述影响，并提高相干合成系统的激光路数扩展能力，提高相干合成系统功率和亮度等参数。

Description

激光阵列的活塞相位控制方法及装置

技术领域

本发明涉及激光相干合成技术领域，具体是一种激光阵列的活塞相位控 制方法及装置，实现活塞相位锁定。

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 仪探测等方法需要利用相机进行光斑探测，并从光斑的干涉条纹中提取活塞相位信息，相机数据的读取和处理所需时间较长，影响了控制带宽。

发明内容

本发明提供一种激光阵列的活塞相位控制方法及装置，用于克服现有技 术中间接探测相位控制过程中因带宽随着激光阵列数目的增加而迅速下降影 响相干合成系统的扩展性能等缺陷，通过探测每一路激光与相邻激光之间的 相位差信息，对激光相位进行控制，实现激光阵列的同相位输出，减小相位 控制过程中带宽由于激光阵列数目而受到的影响，并提高相干合成系统的激光路数扩展能力，提高相干合成系统功率和亮度等参数。

为实现上述目的，本发明提供一种激光阵列的活塞相位控制方法，入射 的激光阵列由若干阵列单元按照预设路径布置形成，相邻的两个以上的阵列 单元包含至少一路共用的入射激光包括：

步骤1，将入射的激光阵列中每路入射激光分成两束以上的衍射激光，每 束所述衍射激光与所述入射激光呈锐角，且所述衍射激光在垂直于所述入射 激光的平面上的投影以所述入射激光的投影以圆心沿径向呈辐射状均布；

步骤2，将位于同一阵列单元中A路入射激光分束后的衍射激光中A束合 束后进行相位解析，以将A路入射激光与共用的所述入射激光的相位锁定， 其中A为大于或等于2的整数；

步骤3，按照预设路径依次将所有的入射激光锁定在同一相位。

为实现上述目的，本发明还提供一种激光阵列的活塞相位控制装置，包 括：

激光放大器阵列，用于提供入射激光，由若干激光放大器阵列单元按照 预设路径布置而成，相邻的两个以上的阵列单元包含至少一个共用的激光放 大器；

分束光栅阵列，每个光栅分束器用于接收一路入射激光，并将接收的入 射激光进行分束形成两束以上衍射激光，每束所述衍射激光与所述入射激光 呈锐角，且所述衍射激光在垂直于所述入射激光的平面上的投影以所述入射 激光的投影以圆心沿径向呈辐射状均布；

合束光栅阵列，每个光栅合束器用于将至少两路衍射激光合束，该至少 两衍射激光分别来自于同一阵列单元中A路不同的入射激光；其中A为大于 或等于2的整数；

光电探测器阵列，用于接收合束的激光，并按照合束激光的路数产生探 测信号；

相位控制电路，接收所述探测信号，按照阵列单元产生的A路激光生成 活塞相差信号；并根据所述活塞相差信号生成控制信号输入与A路激光对应 的激光放大器，以将A路入射激光与共用的入射激光的相位锁定，按照预设 路径依次使所有的激光放大器输出的入射激光相位相同。

本发明提供的激光阵列的活塞相位控制方法及装置，通过按照规定的路 径对由激光放大器形成的最小的阵列单元，对激光阵列进行布置，再通过光 栅分束器对每路入射激光按照特定的方向进行分束形成衍射激光，使得光栅 合束器能够最大效率的对相邻的衍射激光进行合束，光电探测器通过合束激 光的光强起伏就反映了相邻的阵列激光之间的相位差信息，通过光电探测器将光强信息转化为电信号，作为相位控制电路的反馈信号，相控控制电路根 据反馈信号生成控制信号并输入激光放大器，将相邻的激光的相位控制到同 相状态，相对于现有技术，一方面能减小相位控制过程中带宽由于激光阵列 数目而受到的影响，并提高相干合成系统的激光路数扩展能力，提高相干合 成系统功率和亮度等参数；另一方面通过紧凑的阵列布局结构，缩小了相位 控制装置的占用空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的 附图。

图1为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为本发明实施例提供的激光阵列的活塞相位控制方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的激光阵列的活塞相位控制的基于透射式光栅 的相位控制系统原理图；

图4为本发明实施例提供的激光阵列的活塞相位控制的基于反射式光栅 的相位控制系统原理图；

图5为本发明实施例一提供的方形激光阵列的活塞相位控制装置的立体 结构示意图；

图6为本发明实施例二提供的六边形激光阵列的活塞相位控制装置的立 体结构示意图；

图7为图5中分束光栅阵列的安装位置结构示意图；

图8a为图7中一部分分束光栅衍射的主视图；

图8b为图8a的右视图；

图9a为图7中另一部分分束光栅衍射的主视图；

图9b为图9a的右视图；

图10为图5中合束光栅阵列的安装位置结构示意图；

图11a为图10中一部分合束光栅合射的主视图；

图11b为图11a的右视图；

图12a为图10中另一部分合束光栅合射的主视图；

图12b为图12a的右视图；

图13图5中光电探测器阵列的安装位置结构视图；

图14为实施例一的各光束在支撑板平面上的投影示意图；

图15为图6中分束光栅阵列的安装位置结构示意图；

图16a为图15中分分束光栅衍射的主视图；

图16b为图16a的右视图；

图17为图6中合束光栅阵列的安装位置结构示意图；

图18a为图17中分合束光栅合射的主视图；

图18b为图18a的右视图；

图19为图6中光电探测器阵列的安装位置结构视图；

图20为实施例二的各光束在支撑板平面上的投影示意图；

图21为本发明实施例三提供的激光阵列的活塞相位控制装置中分束光栅 阵列的安装位置结构示意图；

图22为实施例三提供的合束光栅阵列的安装位置结构示意图；

图23为实施例三提供的光电探测器阵列的安装位置结构示意图；

图24为实施例三提供的各光束在支撑板平面上的投影示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步 说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、 后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位 置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应 地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数 量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少 一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个， 三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等 应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或 成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信 连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的 普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以 本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无 法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范 围之内。

实施例一

如图2所示，一种激光阵列的活塞相位控制方法，入射的激光阵列由若 干阵列单元按照预设路径布置形成，相邻的两个以上的阵列单元包含至少一 路共用的入射激光，包括：

步骤S1，将入射的激光阵列中每路入射激光分成两束以上的衍射激光， 每束所述衍射激光与所述入射激光呈锐角，且所述衍射激光在垂直于所述入 射激光的平面上的投影以所述入射激光的投影以圆心沿径向呈辐射状均布；

步骤S2，将位于同一阵列单元中A路入射激光分束后的衍射激光中A束 合束后进行相位解析，以将A路入射激光与共用的所述入射激光的相位锁定， 其中A为大于或等于2的整数；

步骤S3，按照预设路径依次将所有的入射激光锁定在同一相位。

作为优选实施例一，所述预设路径包括线形路径，线形路径包括直线形、 曲线形中至少一种；曲线包括弧线、波浪线、蛇形线、螺旋线等，在有效的 安装面内延长路径，进而提高激光放大器的阵列数量，达到缩小空间、提高 输出功率和亮度的目的。

所述步骤S3包括：按照线形路径的一端向另一端依次执行步骤S2。

作为优选实施例一的变形，所述预设路径包括交叉线形路径，交叉线形 路径包括多条平行线形路径和至少一条与所有平行线形路径均交叉的贯穿线 形路径；通过贯穿线形路径将平行线形路径上阵列的激光放大器输出的激光 相位搜定在相同的相位。所述步骤S3包括：

步骤S31a，从其中一条平行线形路径的两端开始，按照该平行线形路径 依次向该平行线形路径与贯穿线形路径交叉的位置执行步骤S2，将位于该平 行线形路径上的所有入射激光锁定在与贯穿线形路径交叉的入射激光相位上；

步骤S32a，重复步骤S31a，将所有的平行线形路径上的所有入射激光锁 定在各自与贯穿线形路径交叉的入射激光相位上；

步骤S33a，按照贯穿线形路径的一端向另一端依次执行步骤S2。

这里的平行线路径和贯穿线形路径均为线形路径，可以根据具体的实用 场景设置成上述任意线形，灵活多变，可操作性较强。

作为优选实施例二，为进一步缩小控制装置的占用空间，提高激光放大 器的阵列密度和重复发挥光电探测器的作用，所述预设路径包括星形路径，星形的最小单元包括以中心点为圆心沿径向呈辐射状延伸至同一圆上的B个 边缘点；B为(A-1)的W倍，W为正整数，每相邻的(A-1)个边缘点和中心 点构成一个所述阵列单元；

所述步骤S3包括：

步骤S31b，W次执行步骤S2，分别将相邻的阵列单元中的激光相位锁定 在共用的所述入射激光相位上。

作为优选实施例二的变形，所述星形路径还包括：将所述最小单元分别 作为中心点和边缘点形成的星形结构，其中位于中心的最小单元的B个边缘 点分别与位于SB个边缘的最小单位的一个边缘点相邻；

所述步骤S3还包括：

步骤S32b，将B个位于中心的最小单元的边缘点分别与位于B个边缘的 最小单位的一个相邻的边缘点的入射激光锁定；

步骤S33b，W次执行步骤S2，分别将位于中心的最小单元中的边缘点入 射激光相位锁定在中心点入射激光相位上。

实施例二

参见图3、图4，基于实施例一，本发明实施例还提供一种激光阵列的活 塞相位控制装置，下面结合活塞相位控制装置进一步对上述活塞相位控制方 法进行详细说明，该控制装置包括：

激光放大器阵列，用于提供入射激光1，由若干激光放大器阵列单元按照 预设路径布置而成，相邻的两个以上的阵列单元包含至少一个共用的基准激 光放大器；种子激光分为多束，每一束进行放大，多束入射激光1形成的激光阵列来源于统一种子激光的不同激光放大器；这里的共用激光器是指：以 某一路放大器为基准，其他路放大器控制到和基准激光放大器的相位相同。

分束光栅阵列2，每个光栅分束器用于接收一路入射激光1，并将接收的 入射激光1进行分束形成两束以上衍射激光3，每束所述衍射激光与所述入射 激光呈锐角，且所述衍射激光在垂直于所述入射激光的平面上的投影以所述 入射激光的投影以圆心沿径向呈辐射状均布；

合束光栅阵列4，用于将至少两路衍射激光3合束，该至少两衍射激光分 别来自于同一阵列单元中A路不同的入射激光；其中A为大于或等于2的整 数；

光电探测器阵列6，用于接收合束的激光，并按照合束激光5的路数产生 探测信号；

相位控制电路7，接收所述探测信号，按照阵列单元产生的A路入射激光 1生成活塞相差信号；并根据所述活塞相差信号生成控制信号输入与A路入射 激光1对应的激光放大器，以将A路入射激光1与共用的基准激光放大器的 出射激光的相位锁定，按照预设路径依次使所有的激光放大器输出的如射激 光相位相同。

其中图3为基于透射式光栅的相位控制系统原理图，图4为基于反射式 光栅的相位控制系统原理图，合束光栅阵列6输出的阵列激光中，相邻激光 的光斑中央间距为L。阵列的入射激光1首先入射到分束光栅阵列2，分束光 栅阵列将入射激光1分为X路，X为大于1的整数。为每一路衍射激光3与入射激光1的夹角为θ。分束光栅可以是透射式衍射光栅，也可以是反射式衍 射光栅。

分束后的衍射激光传输距离Z后，到达合束光栅阵列4，Z＝L/2tanθ。

合束光栅阵列4将入射到光栅上的衍射激光3合为一束。

经过合束光栅阵列4合成的激光5入射到光电探测器阵列6。

光电探测器阵列6将探测到的光强信息转换为电信号，输入到相位控制 电路7，相位控制电路根据输入的电信号解算出各路激光的活塞相差，并生成 相应的相位控制信号，输出到相位调制器3'上。

在本发明一实施例中，参见图5、图6，所述激光放大器阵列安装于第一 支撑板上，所述分束光栅阵列2安装于第二支撑板21上，所述合束光栅阵列 42安装于第三支撑板41上，所述光电探测器阵列62安装于第四支撑板61上；

所述第一支撑板、第二支撑板21、第三支撑板42、第四支撑板61均平 行；

所述激光放大器、光栅分束器、光栅合束器、光电探测器呈行线阵列或 面阵列。这里的线阵列指的是按照线性阵列，面阵列指的是按照面域阵列， 几何中关于线和面的概念。

基于上述方法，提出了一种集成化的高效相位控制装置。该装置由第二 支撑板21、分束光栅阵列22、第三支撑板41、合束光栅阵列42、第四支撑 板61和光电探测器阵列62组成。分束光栅阵列22安装在第二支撑板21上， 合束光栅阵列42安装在第三支撑板41上，光电探测器阵列62安装在第四支 撑板61上。为了方便光路调节，还可以将光栅安装在调节架8上，再将调节 剂安装在第二支撑板21或第三支撑板41上。

作为优选实施例一，参见图7-13，所述激光放大器在所述第一支撑板上 按照预设的交叉线形路径阵列；

所述交叉线形路径包括多条平行线形路径和至少一条与所有平行线形路 径均交叉的贯穿线形路径，

所述平行线形路径和贯穿线形路径均包括直线形或曲线形中至少一种；

所述光栅分束器在垂直于入射激光阵列的平面上与所述激光放大器位置 重合；

所述光栅合束器在垂直于入射激光阵列的平面上位于所述平行线形路径 上及贯穿线形路径上相邻两激光放大器之间；

所述光电探测器在垂直于入射激光阵列的平面上与所述光栅合束器位置 重合；

所述相位控制电路，用于从其中一条平行线形路径的两端开始，按照该 平行线形路径依次向该平行线形路径与贯穿线形路径交叉的位置，将位于该 平行线形路径上的所有入射激光锁定在与贯穿线形路径交叉的入射激光相位 上；重复进而将所有的平行线形路径上的所有入射激光锁定在各自与贯穿线 形路径交叉的入射激光相位上；按照贯穿线形路径的一端向另一端依次所有入射激光锁定在同一相位。

本发明提供一具体实施例，【装置1】其中一种装置针对M行N列的方 形排布的阵列光束，相邻光束之间的间距为L。第二支撑板21的长为N×L， 宽为M×L。参见图7，方形排布阵列-第二支撑板21的形态和光栅安装位置； M行N列光栅安装在支撑板21上，光栅阵列呈矩形排布，和相邻光栅的横向 和纵向间距均为L，与支撑板的边沿间距为L/2。

第二支撑板21上分布有M×N-1个通光孔9。其中(M-1)×N个通光孔呈 矩形排布，和相邻通光孔的横向和纵向间距均为L，第一列通光孔的中心与支 撑板一21左侧边沿的距离为L/2，第一行通光孔的中心与支撑板一21上侧边 沿的距离为L。另外N-1个通光孔排成一行，通光孔之间的横向间距为L，通 光孔的中心与支撑板一21上侧边沿的距离为3L/2，第一列通光孔的中心与支 撑板一21左侧边沿的距离为L。

参见图8a、图8b，光栅衍射示意图谱，第二支撑板21上，第2行的N 个光栅可以将入射的激光衍射为四路衍射光3，每一路衍射光3与入射激光1 的夹角为θ，四束衍射光在光栅平面上的投影的夹角为90°。

参见图9a、图9b，光栅衍射示意图谱，第二支撑板21上，其余(M-1)× N个光栅可以将入射的激光衍射为2路激光，每一路衍射光3与入射光1的 夹角为θ，2束衍射光在光栅平面上的投影的夹角为180°。

参见图10，方形排布阵列-第三支撑板42的形态和光栅安装位置，第三 支撑板41的长为N×L，宽为M×L。在支撑板一放置光栅的相应位置打通光 孔，在支撑板一打通光孔的位置放置光栅。其中第二行的N-1个光栅可以将 四束入射光合为一束，其余(M-1)×N个光栅可以将两束入射光合为一束。

参见图11，光栅合束示意图，第三支撑板42上，第2行的N个光栅可 以将入射的四路衍射光3合射为合束激光5，每一路衍射光3与合束激光5的 夹角为θ，四束衍射光在光栅平面上的投影的夹角为90°。

参见图12，光栅合束示意图，第三支撑板42上，其余(M-1)×N个光栅 可以将入射的两路衍射激光3合射为合束激光5，每一路衍射光3与合束激光 5的夹角为θ，两束束衍射激光3在光栅平面上的投影的夹角为180°。

参见图13，方形排布阵列-第四支撑板61的形态和光电探测器安装位置， 第四支撑板61的长为N×L，宽为M×L。在第二支撑板21打通光孔的位置放 置光电探测器。

参见图14，上述实施例适用于大数目激光阵列的相位探测装置同相位控 制方法，所述激光为M行N列的阵列激光，经过光栅衍射后产生衍射激光3， 衍射激光3再通过光栅合束，产生合束激光5。合束激光的光强起伏就反映了 相邻的阵列激光1之间的相位差信息，通过光电探测器将光强信息转化为电信号，作为相位控制电路的反馈信号，相控控制电路将相邻的激光的相位控 制到同相状态。按照步骤S31a～S33a将整个阵列激光锁定到同相。例如：

步骤S31a，从最左端一条竖直的平行线形路径的两端开始，按照该平行 线形路径依次向该平行线形路径与水平的贯穿线形路径交叉的位置执行步骤 S2，将位于该平行线形路径上的所有入射激光锁定在与贯穿线形路径交叉的入射激光相位上；

步骤S32a，重复步骤S31a，将所有竖直的平行线形路径上的所有入射激 光锁定在各自与贯穿线形路径交叉的入射激光相位上；

步骤S33a，按照贯穿线形路径的一端向另一端依次执行步骤S2。

作为优选实施例二，参见图15-图24，所述激光放大器在所述第一支撑 板上按照预设的星形路径阵列；

所述星形路径的最小单元包括以中心点为圆心沿径向呈辐射状延伸至同 一圆上的B个边缘点；B为(A-1)的W倍，W为正整数，每相邻的(A-1)个 边缘点和中心点构成一个所述阵列单元；所述激光放大器分别布置在中心点 和边缘点上；

所述光栅分束器在垂直于入射激光阵列的平面上与所述激光放大器位置 重合；

所述光栅合束器在垂直于入射激光阵列的平面上位于每个所述阵列单元 的中心位置；

所述光电探测器在垂直于入射激光阵列的平面上与所述光栅合束器位置 重合；

所述相位控制电路，用于分别将相邻的W个阵列单元中的激光相位锁定 在共用的所述入射激光相位上。

【装置2】其中一种装置针对7路的正六边形排布的阵列光束，相邻光束 之间的间距均为L。参见图15，正六边形排布阵列-第二支撑板21的形态和 光栅安装位置；第二支撑板21为正六边形，边长为：D＝L[1+tan(30°)]。

7个分束光栅形成的分束光栅阵列22呈正六边形排布，各分束光栅中心 之间的间距均为L；外围的六个分束光栅中心距离其最近的第二支撑板21的 边沿均为L/2。

第二支撑板21上分布有3个通光孔9。三个通光孔9的中心与相邻分束 光栅的中心距离均为：d＝L/2cos(30°)，各通光孔9中心与第二支撑板21 中心的连线的夹角均为120°。

为了便于路数扩展，可以在第二支撑板21的每边开一个半圆形的通光孔， 通光孔中心距离其逆时针方向的正六边形顶点的距离为：x＝Ltan(30°)/2。

参见图16a、图16b，光栅衍射示意图谱，第二支撑板21上，位于中心 的分束光栅可以将入射的激光衍射为三路衍射光3，每一路衍射光3与入射光 1的夹角为θ，3束衍射光在光栅平面上的投影的夹角为120°。

第二支撑板21上，其余6个光栅可以将入射的激光衍射为3路激光(如 图16a、图16b)；也可以将入射激光1衍射为两路衍射激光3，每一路衍射 激光3与入射激光1的夹角为θ，四束衍射激光3在光栅平面上的投影的夹角 为180°(和方形排布时相同)；也可以采用发射镜将入射光反射θ角。

参见图17，正六边形排布阵列-第三支撑板的形态和光栅安装位置，第三 支撑板41为正六边形，边长为：D＝L[1+tan(30°)]。在第二支撑板21放置 分束光栅的相应位置打通光孔9，在正对第二支撑板21打通光孔9的位置放 置合束光栅，每个合束光栅均可以将三束入射的衍射激光3合为一束合束激 光5。参见图18a、图18b，光栅合射示意图，光栅分束与合束的光路可逆。

参见图19，正六边形排布阵列-第四支撑板的形态和光电探测器安装位 置，第四支撑板61为正六边形，边长为：D＝L[1+tan(30°)]。在正对第二支撑板21打通光孔9的位置放置光电探测器。

参见图20，光束在支撑板平面上的投影，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 激光为七路正六边形排布的阵列激光，经过分束光栅阵列2衍射后产生衍射激光3，衍射激光3再通过合束光栅阵列4，产生合束激光5。合束激光5的 光强起伏就反映了相邻的阵列激光之间的相位差信息，通过光电探测器将光 强信息转化为电信号，作为相位控制电路的反馈信号。每一路合成光束的信 息可以将两路激光与中心光束锁定到同相，从而实现七路入射激光的同相输出。

作为优选实施例二的变形，所述星形路径还包括：将所述最小单元分别 作为中心点和边缘点形成的星形结构，其中位于中心的最小单元的B个边缘 点分别与位于B个边缘的最小单位的一个边缘点相邻；

所述光栅合束器还包括阵列在垂直于入射激光阵列的平面上每个位于中 心的最小单元的边缘点与位于B个边缘的最小单位的一个相邻的边缘点之间 的位置；

所述相位控制电路，还用于将B个位于中心的最小单元的边缘点分别与 位于B个边缘的最小单位的一个相邻的边缘点的入射激光锁定；分别将W个 位于中心的最小单元中的边缘点入射激光相位锁定在中心点入射激光相位 上。

【装置3】以七路相位控制装置为模块，还可以扩展到7N路的情况，N 为大于等于1的整数。以49路为例。参见图21，49路正六边形排布阵列-第 二支撑板的形态和分束光栅阵列22安装位置，第二支撑板21为7个7路模 块组成，中间模块和前面描述的7路模块完全相同，周围6个只是正六边形 边线处的通光孔位置不一样。分束光栅有两种，1分3(将一束入射激光1分 为三束衍射激光3)，1分2(将一束入射激光1分为两束衍射激光3)，均 与前面描述的一样。参见图24，49路光束在第二支撑板21平面上的投影图。设置通光孔9的位置用来为第三支撑板42上安装合束光栅阵列提供位置参 考。

参见图22，49路正六边形排布阵列-第三支撑板的形态和合束光栅阵列 42安装位置，第三支撑板41也为7个7路模块组成，中间模块和前面描述的 7路模块完全相同，周围6个只是正六边形边线处的合束光栅安装位置不一样。 合束光栅有两种，3合1(将三束衍射激光3合一束合束激光5)，2合1(将 两束衍射激光3合一束合束激光5)。

参见图23，49路正六边形排布阵列-支撑板三的形态和光电探测器阵列 62安装位置，第四支撑板61也为7个7路模块组成，中间模块和前面描述的 7路模块完全相同，周围6个只是正六边形边线处的探测器安装位置不一样。

参见图24，49路光束在支撑板平面上的投影，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。 按照前面描述的方法，将每一个7路的模块锁定为同相输出。然后，6个周围的模块各选择一路激光，与中间模块中的一路锁定为同相。最终实现了49路 激光的同相输出。具体按照步骤31b～33b的步骤实现49路激光相位锁定：

步骤S31b，W次执行步骤S2，分别将相邻的三个阵列单元中的入射激光 1相位锁定在中心共用的基准激光放大器输出的所述入射激光3相位上；这样 每个正六边形模块中的7路入射激光1均锁定在了同一相位上；

步骤S32b，将六个位于中心的最小单元的边缘点分别与位于六个边缘的 最小单位的一个相邻的边缘点的入射激光锁定；这样既可将中心的正六边形 的六个边缘点的入射激光1锁定在同一相位上，与周围六个正六边形模块中的7路入射激光1的相位相同；

步骤S33b，W次执行步骤S2，分别将位于中心的最小单元中的六个边缘 点的入射激光1相位锁定在中心点入射激光1相位上。这样实现了49路入射 激光1的相位锁定。

本发明的有益效果包括但不限于：

本发明所提供的大数目激光阵列的相位控制方法，该装置可以直接利用 光电探测器解算每一路激光与相邻激光之间的相位差，实现整个激光阵列的 同相输出。由于采用了多个光电探测器，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，易于 实现较高相位控制带宽。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构 变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范 围内。

Claims (4)

1.一种激光阵列的活塞相位控制方法，其特征在于，入射的激光阵列由若干阵列单元按照预设路径布置形成，相邻的两个以上的阵列单元包含至少一路共用的入射激光，包括：

步骤1，将入射的激光阵列中每路入射激光分成两束以上的衍射激光，每束所述衍射激光与所述入射激光呈锐角，且所述衍射激光在垂直于所述入射激光的平面上的投影以所述入射激光的投影以圆心沿径向呈辐射状均布；

步骤2，将位于同一阵列单元中A路入射激光分束后的衍射激光中A束合束后进行相位解析，以将A路入射激光与共用的所述入射激光的相位锁定，其中A为大于或等于2的整数；

步骤3，按照预设路径依次将所有的入射激光锁定在同一相位；

当所述预设路径为交叉线形路径时，所述交叉线形路径包括多条平行线形路径和至少一条与所有平行线形路径均交叉的贯穿线形路径；

所述步骤3包括：

步骤31a，从其中一条平行线形路径的两端开始，按照该平行线形路径依次向该平行线形路径与贯穿线形路径交叉的位置执行步骤2，将位于该平行线形路径上的所有入射激光锁定在与贯穿线形路径交叉的入射激光相位上；

步骤32a，重复步骤31a，将所有的平行线形路径上的所有入射激光锁定在各自与贯穿线形路径交叉的入射激光相位上；

步骤33a，按照贯穿线形路径的一端向另一端依次执行步骤2；

当所述预设路径为星形路径时，星形的最小单元包括以中心点为圆心沿径向呈辐射状延伸至同一圆上的B个边缘点；B为（A-1）的W倍，W为正整数，每相邻的（A-1）个边缘点和中心点构成一个所述阵列单元；

所述步骤3包括：

步骤31b，W次执行步骤2，分别将相邻的阵列单元中的激光相位锁定在共用的所述入射激光相位上。

2.如权利要求1所述的激光阵列的活塞相位控制方法，其特征在于，所述星形路径还包括：将所述最小单元分别作为中心点和边缘点形成的星形结构，其中位于中心的最小单元的B个边缘点分别与位于B个边缘的最小单位的一个边缘点相邻；

所述步骤3还包括：

步骤32b，将B个位于中心的最小单元的边缘点分别与位于B个边缘的最小单位的一个相邻的边缘点的入射激光锁定；

步骤33b，W次执行步骤2，分别将位于中心的最小单元中的边缘点入射激光相位锁定在中心点入射激光相位上。

3.一种激光阵列的活塞相位控制装置，其特征在于，包括：

激光放大器阵列，用于提供入射激光，由若干激光放大器器阵列单元按照预设路径布置而成，相邻的两个以上的阵列单元包含至少一个共用的基准激光放大器；

分束光栅阵列，每个光栅分束器用于接收一路入射激光，并将接收的入射激光进行分束形成两束以上衍射激光，每束所述衍射激光与所述入射激光呈锐角，且所述衍射激光在垂直于所述入射激光的平面上的投影以所述入射激光的投影以圆心沿径向呈辐射状均布；

合束光栅阵列，每个光栅合束器用于将至少两路衍射激光合束，该至少两衍射激光分别来自于同一阵列单元中A路不同的入射激光；其中A为大于或等于2的整数；

光电探测器阵列，用于接收合束的激光，并按照合束激光的路数产生探测信号；

相位控制电路，接收所述探测信号，按照阵列单元产生的A路激光生成活塞相差信号；并根据所述活塞相差信号生成控制信号输入与A路激光对应的激光放大器，以将A路入射激光与共用的基准激光放大器的出射激光的相位锁定，按照预设路径依次使所有的激光放大器输出的入射激光相位相同；

所述激光放大器阵列安装于第一支撑板上，所述分束光栅阵列安装于第二支撑板上，所述合束光栅阵列安装于第三支撑板上，所述光电探测器阵列安装于第四支撑板上；

所述第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板、第四支撑板均平行；

所述激光放大器、光栅分束器、光栅合束器、光电探测器呈行线阵列或面阵列；

当所述激光放大器在所述第一支撑板上按照预设的交叉线形路径形成阵列时；所述交叉线形路径包括多条平行线形路径和至少一条与所有平行线形路径均交叉的贯穿线形路径；

所述平行线形路径和贯穿线形路径均包括直线形或曲线形中至少一种；

所述光栅分束器在垂直于入射激光阵列的平面上与所述激光放大器位置重合；

所述光栅合束器在垂直于入射激光阵列的平面上位于所述平行线形路径上及贯穿线形路径上相邻两激光放大器之间；

所述光电探测器在垂直于入射激光阵列的平面上与所述光栅合束器位置重合；

所述相位控制电路，用于从其中一条平行线形路径的两端开始，按照该平行线形路径依次向该平行线形路径与贯穿线形路径交叉的位置，将位于该平行线形路径上的所有入射激光锁定在与贯穿线形路径交叉的入射激光相位上；重复进而将所有的平行线形路径上的所有入射激光锁定在各自与贯穿线形路径交叉的入射激光相位上；按照贯穿线形路径的一端向另一端依次所有入射激光锁定在同一相位；

当所述激光放大器在所述第一支撑板上按照预设的星形路径阵列时；所述星形路径的最小单元包括以中心点为圆心沿径向呈辐射状延伸至同一圆上的B个边缘点；B为（A-1）的W倍，W为正整数，每相邻的（A-1）个边缘点和中心点构成一个所述阵列单元；所述激光放大器分别布置在中心点和边缘点上；

所述光栅分束器在垂直于入射激光阵列的平面上与所述激光放大器位置重合；

所述光栅合束器在垂直于入射激光阵列的平面上位于每个所述阵列单元的中心位置；

所述光电探测器在垂直于入射激光阵列的平面上与所述光栅合束器位置重合；

所述相位控制电路，用于分别将相邻的W个阵列单元中的激光相位锁定在共用的基准激光放大器的出射激光相位上。

4.如权利要求3所述的激光阵列的活塞相位控制装置，其特征在于，所述星形路径还包括：将所述最小单元分别作为中心点和边缘点形成的星形结构，其中位于中心的最小单元的B个边缘点分别与位于B个边缘的最小单位的一个边缘点相邻；

所述光栅合束器还包括阵列在垂直于入射激光阵列的平面上每个位于中心的最小单元的边缘点与位于B个边缘的最小单位的一个相邻的边缘点之间的位置；

所述相位控制电路，还用于将B个位于中心的最小单元的边缘点分别与位于B个边缘的最小单位的一个相邻的边缘点的入射激光锁定；分别将W个位于中心的最小单元中的边缘点入射激光相位锁定在中心点入射激光相位上。