CN111725696B - 激光相干阵列的活塞相位调控系统及调控方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光相干阵列的活塞相位调控系统及调控方法，激光分束器将种子激光均分为N+1束子激光，第i路子激光的传输路径上依次设有相位调制器、激光放大器、激光准直器、半波片及分光镜，其中i＝1,2，…，N；经第i个分光镜分光后>99％的激光能量传输到第一激光合束器进行合束后输出，<1％的激光能量经第N+i个半波片传输到第二激光合束器合束为阵列激光后传输到激光激光缩束器，再入射到相机；第N+1路子激光作为参考光入射到相机，阵列激光和参考光在相机的靶面处重合并发生干涉，相机输出干涉图像信息到图像采集及相位控制模块，图像采集及相位控制模块对各相位调制器进行控制。通过本发明能够实现高功率相干阵列各路激光偏振方向和活塞相位的灵活调控。

Description

激光相干阵列的活塞相位调控系统及调控方法
技术领域
本发明涉及光学相干合成技术领域，具体是激光相干阵列及调控方法。
背景技术
激光阵列可以广泛应用于激光通信、激光雷达和定向能技术等领域。基于主振荡器功率放大(英文名称为Master Oscillator Power Amplifier，简称MOPA)的激光相干阵列能够实现合成孔径发射，增加系统发射口径，减小激光的传输发散角(参见专利：CA2278071A1，US10250013B2，CN103513428A，CN106451055B，CN103346470B)。如果能够通过光场调控对各路激光的偏振方向和活塞相位进行灵活调控，还能获得涡旋光束等具有特殊传输特性的阵列光束(参见文献：High-power vortex beam generation enabled by aphased beam array fed at the nonfocal-plane,Optics Express,2019,27(4):4046)。
图1为现有技术中的激光相干阵列相位调控系统的结构示意框图。该系统主要包含种子激光101、激光分束器102、多个相位调制器103、多个激光放大器104、多个激光准直器105、激光合束器106、分光镜107、透镜108、小孔光阑109、光电探测器110和相位控制模块111。种子激光101发射的激光经激光分束器102进行分束后，各路激光分别进入相位调制器103。各相位调制器103分别与各对应的激光放大器104光路连接。各激光放大器104分别与激光准直器105光路连接。各激光准直器105出射的激光经过激光合束器106压缩占空比后形成阵列激光传输到分光镜107。>99％的高功率激光经分光镜107分光后发射到作用目标处；<1％的低功率激光经分光镜107分光后携带光学信息入射到相位探测模块，相位探测模块通常由一个透镜108、一个小孔光阑109和一个光电探测器110组成，用于提取合成光束远场光斑的中央主瓣能量。光电探测器110产生的电信号输出到相位控制模块111。相位控制模块111通过预先加载在其上的优化算法产生控制信号并输出到各相位调制器103。相位控制信号调整各路激光的活塞相位，使光电探测器110的输出信号保持最大值，此时阵列激光保持相位相同。
上述激光相干阵列系统能够实现高功率光纤激光的同相位输出，达到提升阵列光束质量的目的。但是，现有的实验系统难以实现高功率相干阵列各路激光偏振方向和活塞相位的灵活调控。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种激光相干阵列的活塞相位调控系统及调控方法。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
激光相干阵列的活塞相位调控系统，包括种子激光、激光分束器、相位调制器、激光放大器、激光准直器、半波片、分光镜、第一激光合束器、第二激光合束器、激光缩束器、相机以及图像采集及相位控制模块；其中相位调制器、激光放大器和分光镜的数量均为N个，激光准直器的数量为N+1个；半波片的数量为2N个，其中N为整数且N≥2。
种子激光的输出端激光分束器的输入端连接，激光分束器将种子激光均分为N+1束子激光，所述激光分束器有N+1个输出端，分别输出一束子激光。
从激光分束器各输出端输出的子激光分别对应一条传输路径，其中激光分束器的第i个输出端输出的第i路子激光的传输路径上依次设有第i个相位调制器、第i个激光放大器、第i个激光准直器、第i个半波片以及第i个分光镜，其中i＝1,2，…，N；第i个分光镜设置在第i个半波片的出射激光与第一激光合束器之间的光路上，用于对第i个半波片的出射激光能量进行分光，分光后>99％的激光能量传输到第一激光合束器进行合束后输出，<1％的激光能量经第N+i个半波片传输到第二激光合束器，经第二激光合束器合束为阵列激光后传输到激光激光缩束器后再入射到相机；
从激光分束器的第N+1输出端输出的第N+1路子激光的传输路径上设有第N+1个激光准直器，经第N+1个激光准直器准直后作为参考光入射到相机，阵列激光和参考光在相机的靶面处重合并发生干涉，相机连接图像采集及相位控制模块，相机输出干涉图像信息到图像采集及相位控制模块，图像采集及相位控制模块连接各相位调制器，对各相位调制器进行控制。
作为本发明的优选方案，所述图像采集及相位控制模块对相机输出的干涉图像信息进行采集，并根据干涉图像信息解算出相机处第i路子激光与参考光的活塞相差，并生成控制信号输出到第i路子激光对应的第i个相位调制器，使第i路子激光与参考光的活塞相差分别为
Figure BDA0002540660680000031
作为本发明的优选方案，所述第i个激光准直器用于将第i个激光放大器输出的激光进行准直，第i个激光准直器输出的激光为线偏振激光，且偏振方向相同。
本发明所述半波片用于改变各路子激光的偏振方向，第i个半波片将第i个激光准直器输出激光的偏振方向改变角度θi；第N+i个半波片将第i个分光镜输出的低功率出射激光的偏振方向改变角度-θi。
作为本发明的优选方案，还包括活塞相位标定系统，活塞相位标定系统包括第二分光镜、相位探测模块、相位控制模块，其中相位探测模块由透镜、小孔光阑和光电探测器组成。
针对上述激光相干阵列的活塞相位调控系统，本发明提供一种激光相干阵列的活塞相位调控方法，包括以下步骤：
(一)活塞相位标定；
第一步，开启第1路激光放大器。图像采集及相位控制模块根据相机采集到的参考光与第1路子激光的干涉图像信息，并对第1路子激光对应的第1个相位调制器施加控制信号，使参考光和第1路子激光在相机处保持相同的活塞相位。
第二步，保持第一步动作，同时开启第k路激光放大器，其中k＝2,3，…，N。设置活塞相位标定系统，活塞相位标定系统包括第二分光镜、相位探测模块、相位控制模块。将第二分光镜置于第一激光合束器输出激光的光路上，提取<1％的激光能量并发射到相位探测模块，相位探测模块由透镜、小孔光阑和光电探测器组成；相位探测模块产生的电信号输入到相位控制模块。相位控制模块产生控制信号并输入到第k路子激光对应的第k个相位调制器，使第1路子激光和第k路子激光保持同相位。图像采集及相位控制模块根据相机采集到的参考光与第k路子激光的干涉图像信息，解算出此时第k路子激光和第1路子激光在相机处的活塞相位差ψk，k＝2,3，…，N。
至此完成活塞相位标定，进入活塞相位控制步骤。
(二)活塞相位控制；
第一步，通过调整各路子激光的传输路径上半波片改变各路子激光的偏振方向。第i路子激光的传输路径上的第i个半波片将激光的偏振方向改变角度θi，第N+i个半波片将激光的偏振方向改变角度-θi，i＝1，2，…，N。
第二步，开启所有激光放大器。图像采集及相位控制模块对相机输出的干涉图像信息进行采集，并根据干涉图像信息解算出相机处第i路子激光与参考光的活塞相差，并生成控制信号输出到第i个相位调制器，使相机处第i路子激光与参考光的活塞相差分别为
Figure BDA0002540660680000051
i＝1,2，…，N。
通过上述步骤，可以对第一激光合束器输出的高功率阵列激光的偏振方向和活塞相差进行灵活调控，使第k路子激光与第1路子激光的偏振方向之差为θk-θ1，第k路子激光与第1路子激光的活塞相位差为
Figure BDA0002540660680000052
其中活塞相位标定过程只需要在系统标定时执行，完成活塞相位标定后的系统在正常工作时只需要执行活塞相位控制过程。
本发明的有益效果如下：
通过本发明能够实现高功率相干阵列各路激光偏振方向和活塞相位的灵活调控。
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为现有技术中的激光相干阵列相位调控系统的结构示意框图。
图2为本发明提供的激光相干阵列的活塞相位调控系统的结构示意图。
图3为增设了活塞相位标定系统的激光相干阵列的活塞相位调控系统的结构示意图。
图4为一实施例中7路相干阵列中第一激光合束器输出的阵列激光示意图。
图5为一实施例中7路相干阵列中相机探测到的干涉图像示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图2，本发明提供的激光相干阵列的活塞相位调控系统的结构示意图，包括种子激光201、激光分束器202、相位调制器203、激光放大器204、激光准直器205、半波片206、分光镜207、激光合束器208、激光缩束器209、相机210、图像采集及相位控制模块211。其中相位调制器203、激光放大器204和分光镜207的数量均为N个，激光准直器205的数量为N+1个。半波片206的数量为2N个。激光合束器208的数量为2个，分别为第一激光合束器和第二激光合束器。其中N为整数且N≥2。
所述种子激光201与激光分束器202输入端连接，激光分束器202有N+1个输出端，种子激光201被激光分束器202分为N+1路子激光，分别从激光分束器202的N+1个输出端输出。
所述激光分束器202的第i输出端与第i个相位调制器203光路连接，i＝1，…，N；第N+1输出端与第N+1个激光准直器205光路连接。
所述相位调制器203用于改变各路子激光的活塞相位。第i个相位调制器203与第i个激光放大器204光路连接，i＝1,2，…，N。
所述激光放大器204用于对激光的功率进行放大。第i个激光放大器204与第i个激光准直器205光路连接，i＝1，2，…，N。
所述激光准直器205用于将激光放大器204输出的激光进行准直，激光准直器205输出的激光为线偏振激光，且偏振方向相同。
所述半波片206用于改变各路激光的偏振方向。第i个半波片206设置在第i个激光准直器205与第i个分光镜207之间的光路上，将激光的偏振方向改变角度θi。第N+i个半波片设置在第i个分光镜207与第二激光合束器之间的光路上，将激光的偏振方向改变角度-θi，i＝1，2，…，N。
第i个分光镜207设置在第i个半波片206的出射激光与第一激光合束器之间的光路上，用于对第i个半波片的出射激光能量进行分光，分光后>99％的激光能量传输到第一激光合束器，<1％的激光能量经第N+i个半波片206传输到第二激光合束器。
所述激光合束器可以减小入射的各路激光之间的间距，形成紧密排布的阵列激光输出。激光合束器具体设计参见专利CN109739026A，CN102566057B。第一激光合束器输出的高功率阵列激光传输到目标处；第二激光合束器输出的低功率阵列激光传输到激光缩束器209的输入端。
所述激光缩束器209使输入的低功率阵列激光的光斑半径减小后再输出。
所述相机210用于接收激光缩束器209输出的阵列激光和第N+1个激光准直器205输出的参考光，阵列激光和参考光在相机的靶面处重合并发生干涉。
所述图像采集及相位控制模块211对相机210输出的干涉图像信息进行采集，并根据干涉图像信息解算出相机210处，第i路子激光与参考光的活塞相差，并生成控制信号输出到第i个相位调制器，使第i路子激光与参考光的活塞相差分别为
Figure BDA0002540660680000071
i＝1,2，…，N。
针对上述激光相干阵列的活塞相位调控系统，本发明提供一种激光相干阵列的活塞相位调控方法，包括以下步骤：
(一)活塞相位标定；
第一步，开启第1路激光放大器。图像采集及相位控制模块211根据相机210采集到的参考光与第1路子激光的干涉图像信息，并对第1路子激光对应的第1个相位调制器施加控制信号，使参考光和第1路子激光在相机处保持相同的活塞相位。
第二步，保持第一步动作，同时开启第k路激光放大器，其中k＝2,3，…，N。设置活塞相位标定系统，活塞相位标定系统包括第二分光镜221、相位探测模块222、相位控制模块223。将第二分光镜221置于第一激光合束器输出激光的光路上，提取<1％的激光能量并发射到相位探测模块222，相位探测模块222由透镜、小孔光阑和光电探测器组成；相位探测模块222产生的电信号输入到相位控制模块223。相位控制模块223产生控制信号并输入到第k路子激光对应的第k个相位调制器，使第1路子激光和第k路子激光保持同相位。图像采集及相位控制模块211根据相机210采集到的参考光与第k路子激光的干涉图像信息，解算出此时第k路子激光和第1路子激光在相机处的活塞相位差ψk，k＝2,3，…，N。
至此完成活塞相位标定，进入活塞相位控制步骤。
(二)活塞相位控制；
第一步，通过调整各路子激光的传输路径上半波片改变各路子激光的偏振方向。第i路子激光的传输路径上的第一半波片将激光的偏振方向改变角度θi；第二半波片将激光的偏振方向改变角度-θi，i＝1，2，…，N。
第二步，开启所有激光放大器。图像采集及相位控制模块对相机输出的干涉图像信息进行采集，并根据干涉图像信息解算出相机处第i路子激光与参考光的活塞相差，并生成控制信号输出到第i个相位调制器，使相机处第i路子激光与参考光的活塞相差分别为
Figure BDA0002540660680000081
i＝1,2，…，N。
通过上述步骤，可以对第一激光合束器输出的高功率阵列激光的偏振方向和活塞相差进行灵活调控，使第k路子激光与第1路子激光的偏振方向之差为θk-θ1，第k路子激光与第1路子激光的活塞相位差为
Figure BDA0002540660680000082
其中活塞相位标定过程只需要在系统标定时执行，完成活塞相位标定后的系统在正常工作时只需要执行活塞相位控制过程。
参照图4，为一实施例中7路相干阵列中第一激光合束器输出的阵列激光示意图。该实施例中的激光相干阵列的活塞相位调控系统的结构图如图2所示，包括种子激光201、激光分束器202、相位调制器203、激光放大器204、激光准直器205、半波片206、分光镜207、激光合束器208、激光缩束器209、相机210、图像采集及相位控制模块211。其中相位调制器203、激光放大器204和分光镜207的数量均为N个，激光准直器205的数量为N+1个。半波片206的数量为2N个。激光合束器208的数量为2个，分别为第一激光合束器和第二激光合束器。其中N＝7。该实施例中第一激光合束器输出的阵列激光如图4所示，其中301表示第1路子激光输出的光斑，302表示第2路子激光输出的光斑；303表示第3路子激光输出的光斑，304表示第4路子激光输出的光斑，305表示第5路子激光输出的光斑，306表示第6路子激光输出的光斑，307表示第7路子激光输出的光斑。相机探测到的干涉图像示意图如图5所示，其中400表示参考光输出到相机靶面的光斑，401表示参考光与第1路子激光输出到相机靶面的干涉光斑，402表示参考光与第2路子激光输出到相机靶面的干涉光斑，403表示参考光与第3路子激光输出到相机靶面的干涉光斑，404表示参考光与第4路子激光输出到相机靶面的干涉光斑，405表示参考光与第5路子激光输出到相机靶面的干涉光斑，406表示参考光与第6路子激光输出到相机靶面的干涉光斑，407表示参考光与第7路子激光输出到相机靶面的干涉光斑。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.激光相干阵列的活塞相位调控系统的活塞相位调控方法，激光相干阵列的活塞相位调控系统包括种子激光、激光分束器、相位调制器、激光放大器、激光准直器、半波片、分光镜、第一激光合束器、第二激光合束器、激光缩束器、相机以及图像采集及相位控制模块；其中相位调制器、激光放大器和分光镜的数量均为N个，激光准直器的数量为N+1个；半波片的数量为2N个，其中N为整数且N≥2；
种子激光的输出端激光分束器的输入端连接，激光分束器将种子激光均分为N+1束子激光，所述激光分束器有N+1个输出端，分别输出一束子激光；
从激光分束器各输出端输出的子激光分别对应一条传输路径，其中激光分束器的第i个输出端输出的第i路子激光的传输路径上依次连接有第i个相位调制器、第i个激光放大器、第i个激光准直器、第i个半波片以及第i个分光镜，其中i＝1,2，…，N；第i个分光镜设置在第i个半波片的出射激光与第一激光合束器之间的光路上，用于对第i个半波片的出射激光能量进行分光，分光后>99％的激光能量传输到第一激光合束器进行合束后输出，<1％的激光能量经第N+i个半波片传输到第二激光合束器，经第二激光合束器合束为阵列激光后传输到激光激光缩束器后再入射到相机；
从激光分束器的第N+1输出端输出的第N+1路子激光的传输路径上设有第N+1个激光准直器，经第N+1个激光准直器准直后作为参考光入射到相机，阵列激光和参考光在相机的靶面处重合并发生干涉，相机连接图像采集及相位控制模块，相机输出干涉图像信息到图像采集及相位控制模块，图像采集及相位控制模块连接各相位调制器，对各相位调制器进行控制，其特征在于：活塞相位调控包括以下步骤：
(一)活塞相位标定；
第一步，开启第1路激光放大器，图像采集及相位控制模块根据相机采集到的参考光与第1路子激光的干涉图像信息，并对第1路子激光对应的第1个相位调制器施加控制信号，使参考光和第1路子激光在相机处保持相同的活塞相位；
第二步，保持第一步动作，同时开启第k路激光放大器，其中k＝2,3，…，N；设置活塞相位标定系统，活塞相位标定系统包括第二分光镜、相位探测模块、相位控制模块；将第二分光镜置于第一激光合束器输出激光的光路上，提取<1％的激光能量并发射到相位探测模块，相位探测模块由透镜、小孔光阑和光电探测器组成；相位探测模块产生的电信号输入到相位控制模块；相位控制模块产生控制信号并输入到第k路子激光对应的第k个相位调制器，使第1路子激光和第k路子激光保持同相位；图像采集及相位控制模块根据相机采集到的参考光与第k路子激光的干涉图像信息，解算出此时第k路子激光和第1路子激光在相机处的活塞相位差ψk，k＝2,3，…，N；
至此完成活塞相位标定，进入活塞相位控制步骤；
(二)活塞相位控制；
第一步，通过调整各路子激光的传输路径上半波片改变各路子激光的偏振方向，第i路子激光的传输路径上的第i个半波片将激光的偏振方向改变角度θi；第N+i个半波片将激光的偏振方向改变角度-θi；
第二步，开启所有激光放大器；图像采集及相位控制模块对相机输出的干涉图像信息进行采集，并根据干涉图像信息解算出相机处第i路子激光与参考光的活塞相差，并生成控制信号输出到第i个相位调制器，使相机处第i路子激光与参考光的活塞相差分别为
Figure FDA0002990489370000021
2.根据权利要求1所述的激光相干阵列的活塞相位调控系统的活塞相位调控方法，其特征在于：所述图像采集及相位控制模块对相机输出的干涉图像信息进行采集，并根据干涉图像信息解算出相机处第i路子激光与参考光的活塞相差，并生成控制信号输出到第i路子激光对应的第i个相位调制器，使第i路子激光与参考光的活塞相差分别为
Figure FDA0002990489370000031
3.根据权利要求1所述的激光相干阵列的活塞相位调控系统的活塞相位调控方法，其特征在于：所述第i个激光准直器用于将第i个激光放大器输出的激光进行准直，第i个激光准直器输出的激光为线偏振激光，且偏振方向相同。
4.根据权利要求1所述的激光相干阵列的活塞相位调控系统的活塞相位调控方法，其特征在于：所述半波片用于改变各路子激光的偏振方向，第i个半波片将第i个激光准直器输出激光的偏振方向改变角度θi；第N+i个半波片将第i个分光镜输出的低功率出射激光的偏振方向改变角度-θi。
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