CN113394653B - 激光相干阵列和控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种激光相干阵列和控制方法，所述激光相干阵列包括：顺次连接的种子激光、激光分束器、2条以上由相位调制器、激光放大器、激光准直器、分光镜、激光扩束器以及空间相位延迟器组成的光通路、激光合束器、相位探测模块、相位控制器。该激光相干阵列无需通过大口径分光镜提取整个激光阵列的光场信息，就能实现激光阵列的相位控制，具有结构紧凑、激光阵列输出口径易于扩展的优点。

Description

激光相干阵列和控制方法

技术领域

本申请涉及光学相干合成技术领域，特别是涉及一种激光相干阵列和控制方法。

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。

图1为现有技术中的激光相干阵列的结构示意框图。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、分光镜111、透镜112、小孔光阑113、光电探测器114和相位控制模块115。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出射的激光形成阵列激光传输到分光镜111。>99％的高功率激光经分光镜111分光后发射到作用目标处；<1％的低功率激光经分光镜111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112、一个小孔光阑113和一个光电探测器114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114产生的电信号输出到相位控制模块115。相位控制模块115解算出各路激光之间的相位误差，生成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差，使输出的阵列激光保持相位相同。

但是，上述激光相干阵列中为了探测各路激光之间的活塞相位，需要一个分光镜111和一个透镜112。随着激光阵列口径的增大，分光镜111和透镜112的口径也会随之增大。分光镜111和透镜112的重量和价格随口径呈非线性增长。同时为了保持小孔光阑113处的光斑大小，需要增加透镜112的焦距。综上，当激光阵列口径增大时，系统的重量和紧凑性等将受限于分光镜111和透镜112。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够用于克服现有激光相干阵列重量和紧凑性等受限于分光镜和透镜等缺陷，能够实现单个光学元件的大小不随激光阵列口径的增大而增大，提高激光相干阵列的紧凑性和可扩展性。

一种激光相干阵列，所述激光相干阵列包括：种子激光、激光分束器、2条以上光通路、激光合束器、相位探测模块以及相位控制器。

所述种子激光，用于产生输入激光光束。

所述激光分束器，用于将所述输入激光光束分为与所述光通路的数量对应的激光束；所述激光分束器的输出端与所述光通路光路连接。

所述光通路，包括相位调制器、激光放大器、激光准直器、分光镜、激光扩束器以及空间相位延迟器。

所述相位调制器，用于改变所述激光分束器输出激光束的活塞相位。

所述激光放大器，用于对所述相位调制器输出的激光的功率进行放大。

所述激光准直器，用于将所述激光放大器输出的激光进行准直。

所述分光镜，设置在每个所述激光准直器的出射激光与所述激光扩束器之间的光路上；所述分光镜用于对每个所述激光准直器的出射激光能量进行分光，将分光后的一部分激光能量传输到所述激光扩束器，并将分光后的另一部分激光能量透过所述空间相位延迟器传输到所述激光合束器。

所述空间相位延迟器，用于通过施加预设的正弦波信号电压，改变透过所述空间相位延迟器的光束的活塞相位。

所述激光扩束器，用于使每路输入激光的光斑半径增大后再输出。

所述激光合束器，用于减小各路入射激光之间的间距，形成紧密排布的阵列激光输出。

所述相位探测模块，用于接收所述激光合束器输出的阵列激光，并探测阵列激光干涉后的远场中央主瓣能量，并所述远场中央主瓣能量转化为电信号。

所述相位控制器，用于接收所述相位探测模块输出的电信号，并将其作为性能评价函数，运行预设的算法，并输出信号控制所述相位调制器。

在其中一个实施例中，所述分光镜用于将所述激光准直器的出射激光能量进行分光，得到第一部分激光和第二部分激光，所述第一部分激光为分光后大于99％的激光能量，所述第二部分激光为分光后小于1％的激光能量。

所述第一部分激光用于传输到所述激光扩束器。

所述第二部分激光用于透过所述空间相位延迟器传输到所述激光合束器。

在其中一个实施例中，所述相位探测模块使用聚焦透镜对接收到的阵列激光进行聚焦，并通过光电探测器探测阵列激光干涉后的远场中央主瓣能量，并将所述远场中央主瓣能量转化为电信号，将所述电信号输送到所述相位控制器。

在其中一个实施例中，所述激光分束器还包括：基座、45度高反镜片、第一高反镜、光程调节座和紧固件。

所述基座上设有台阶，每级台阶上铣有用于镶嵌所述45度高反镜片的凹槽和供所述光程调节座移动的滑槽，所述凹槽与所述台阶前端面成45度夹角，将所述45度高反镜片装到所述基座的凹槽上，所述滑槽与台阶前端面平行，所述光程调节座由底座和粘在底座上的两个所述第一高反镜组成，将所述光程调节座和所述紧固件装到所述基座的滑槽上。

在其中一个实施例中，所述激光分束器至少包括：

入射光束阵列，包括若干平行的入射光束，在垂直于所述入射光束的平面上，入射光束按照从中心到边缘逐层阵列排布，每层光束在垂直平面上均排列呈封闭形状。

一级合成装置，包括一级支撑板及安装在所述一级支撑板上的一级合成单元，所述一级合成单元用于将经过与中心光束相邻且包围所述中心光束的第一层光束在径向上压缩，以聚集在所述中心光束周围。

二级合成装置，包括二级支撑板及安装在所述二级支撑板上的二级合成单元，所述二级合成单元用于将经过与第一层光束相邻且包围所述第一光束的第二层光束在径向上压缩，以聚集在所述第一层光束周围。

所述一级支撑板、二级支撑板均在与入射光束阵列垂直平面上设置。

所述一级合成单元、二级合成单元均包括：数量与所述第一层光束或第二层光束数量相同的外反射镜面，固定在所述一级支撑板

或二级支撑板上，并围绕所述一级支撑板或二级支撑板的中心孔布置；且所述中心孔与所述中心光束的中心重合。

数量与所述外反射镜面数量相同的内反射镜面，固定在所述一级支撑板上或二级支撑板上，并围绕所述一级支撑板或二级支撑板的中心孔布置；且在径向上位于外反射镜面与中心孔之间。

在其中一个实施例中，所述激光相干阵列还包括活塞相位标定系统，所述活塞相位标定系统包括：高反镜和图像采集模块。

所述高反镜，设置在所述激光扩束器的光路上，用于反射所述激光扩束器输出的阵列激光。

图像采集模块，用于对所述高反镜反射的激光进行聚焦，并采集激光聚焦后干涉的图像信息。

一种激光相干阵列的控制方法，所述控制方法用于对上一实施例中所述的激光相干阵列进行标定，所述控制方法包括：

打开第1条光通路和第k条光通路中的激光放大器，将相位探测模块输出的电信号输入到相位控制模块；其中k为大于等于2小于等于光通路条数的整数。

所述相位控制模块根据预设算法产生控制信号，并将所述控制信号输入到第1条光通路和第k条光通路中的相位调制器，使第1束和第k束激光经过扩束器出射的激光保持稳定的相位关系。

对空间相位延迟器施加预设的正弦波信号电压，改变透过所述空间相位延迟器的激光的活塞相位，并改变经过所述激光扩束器出射的激光相位。

通过图像采集模块记录采集第1条光通路与第k条光通路中所述激光扩束器输出激光经过高反镜发射后的激光的干涉图像信息，并同时记录对应的电压信号，将所述电压信号作为相位的标定电压。

在其中一个实施例中，在对上述激光相干阵列进行标定完成后，所述控制方法还包括：

打开所有光通路中的激光放大器，并撤除高反镜和图像采集模块。

对所述空间相位延迟器施加电压信号，使第1条光通路和第k条光通路中的激光扩束器出射激光之间的相位关系与标定时的相位关系一致；所述电压信号的值与所述标定电压的值相同。

上述激光相干阵列和控制方法，所述激光相干阵列包括：顺次连接的种子激光、激光分束器、2条以上由相位调制器、激光放大器、激光准直器、分光镜、激光扩束器以及空间相位延迟器组成的光通路、激光合束器、相位探测模块、相位控制器。该激光相干阵列无需通过大口径分光镜提取整个激光阵列的光场信息，就能实现激光阵列的相位控制，具有结构紧凑、激光阵列输出口径易于扩展的优点。

附图说明

图1为现有技术中的包含大口径分光镜和透镜的激光相干阵列的结构示意框图；

图2为一个实施例中一种激光相干阵列的结构示意框图；

图3为另一个实施例中包含相位标定系统的激光相干阵列的结构示意框图；

图4为一个实施例中一种激光相干阵列标定方法的流程示意图；

图5为另一个实施例中7路相干合成时输出的激光阵列示意图；

图6为另一个实施例中19路相干合成时输出的激光阵列示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种激光相干阵列，激光相干阵列包括：种子激光201、激光分束器202、2条以上光通路、激光合束器209、相位探测模块210以及相位控制器211。

种子激光201，用于产生输入激光光束。

激光分束器202，用于将输入激光光束分为2束以上激光；激光分束器202的输出端与光通路光路连接。

光通路，包括相位调制器203、激光放大器204、激光准直器205、分光镜206、激光扩束器207以及空间相位延迟器208。

相位调制器203，用于改变激光分束器202输出激光的活塞相位。

激光放大器204，用于对相位调制器203输出的激光的功率进行放大。

激光准直器205，用于将激光放大器204输出的激光进行准直。

分光镜206，设置在每个激光准直器205的出射激光与激光扩束器207之间的光路上；分光镜206用于对每个激光准直器205的出射激光能量进行分光，将分光后的一部分激光能量传输到激光扩束器207，并将分光后的另一部分激光能量透过空间相位延迟器208传输到激光合束器209。

激光扩束器207，用于使每路输入激光的光斑半径增大后再输出。

激光合束器209，用于减小各路入射激光之间的间距，形成紧密排布的阵列激光输出。

相位探测模块210，用于接收激光合束器209输出的阵列激光，并探测阵列激光干涉后的远场中央主瓣能量，并远场中央主瓣能量转化为电信号。

相位控制器211，用于接收相位探测模块210输出的电信号，并将其作为性能评价函数，运行预设的算法，并输出信号控制相位调制器203。

空间相位延迟器208，用于通过施加预设的正弦波信号电压，改变透过所述空间相位延迟器的光束的活塞相位。在系统中的实现方式为：在相位控制器211运行的基础上，通过控制空间相位延迟器208上的信号电压大小，从而使激光合束器209输出的阵列激光以及激光扩束器207输出的阵列激光在实现稳定相位的情况下，对透过空间相位延迟器208的激光合束器209输出的阵列激光施加相应活塞相移；进而在通过相位控制器211的再次运行时，相位控制器211控制相位调制器阵列203对经过相位调制器阵列203的激光阵列施加与空间相位延迟器208产生的活塞相移共轭的活塞相位，从而间接重构了透过空间相位延迟器208的激光合束器209输出的阵列激光及激光合束器209输出的阵列激光的波前相位，使激光合束器209输出的阵列激光的相位可以随着空间相位延迟器208产生的活塞相移的变化而变化。

上述激光相干阵列中，所述激光相干阵列包括：顺次连接的种子激光、激光分束器、2条以上由相位调制器、激光放大器、激光准直器、分光镜、激光扩束器以及空间相位延迟器组成的光通路、激光合束器、相位探测模块、相位控制器。该激光相干阵列无需通过大口径分光镜提取整个激光阵列的光场信息，就能实现激光阵列的相位控制，具有结构紧凑、激光阵列输出口径易于扩展的优点。

在其中一个实施例中，分光镜用于将激光准直器的出射激光能量进行分光，得到第一部分激光和第二部分激光，第一部分激光为分光后大于99％的激光能量，第二部分激光为分光后小于1％的激光能量；第一部分激光用于传输到激光扩束器；第二部分激光用于透过空间相位延迟器传输到激光合束器。

在其中一个实施例中，相位探测模块使用聚焦透镜对接收到的阵列激光进行聚焦，并通过光电探测器探测阵列激光干涉后的远场中央主瓣能量，并将远场中央主瓣能量转化为电信号，将电信号输送到相位控制器。

在其中一个实施例中，激光合束器还包括：基座、45度高反镜片、第一高反镜、光程调节座和紧固件；基座上设有台阶，每级台阶上铣有用于镶嵌45度高反镜片的凹槽和供光程调节座移动的滑槽，凹槽与台阶前端面成45度夹角，将45度高反镜片装到基座的凹槽上，滑槽与台阶前端面平行，光程调节座由底座和粘在底座上的两个第一高反镜组成，将光程调节座和紧固件装到基座的滑槽上。

在其中一个实施例中，激光合束器至少包括：入射光束阵列，包括若干平行的入射光束，在垂直于入射光束的平面上，入射光束按照从中心到边缘逐层阵列，每层光束在垂直平面上均排列呈封闭形状；一级合成装置，包括一级支撑板及安装在一级支撑板上的一级合成单元，一级合成单元用于将经过与中心光束相邻且包围中心光束的第一层光束在径向上压缩，以聚集在中心光束周围；二级合成装置，包括二级支撑板及安装在二级支撑板上的二级合成单元，二级合成单元用于将经过与第一层光束相邻且包围第一光束的第二层光束在径向上压缩，以聚集在第一层光束周围；一级支撑板、二级支撑板均在与入射光束阵列垂直的平面上设置；一级合成单元、二级合成单元均包括：数量与第一层光束或第二层光束数量相同的外反射镜面，固定在一级支撑板或二级支撑板上，并围绕一级支撑板或二级支撑板的中心孔布置；且中心孔与中心光束的中心重合；数量与外反射镜面数量相同的内反射镜面，固定在一级支撑板上或二级支撑板上，并围绕一级支撑板或二级支撑板的中心孔布置；且在径向上位于外反射镜面与中心孔之间。

在其中一个实施例中，激光相干阵列还包括活塞相位标定系统，活塞相位标定系统包括：高反镜和图像采集模块。

高反镜，设置在激光扩束器的光路上，用于反射激光扩束器输出的阵列激光。图像采集模块，用于对高反镜反射的激光进行聚焦，并采集激光聚焦后干涉的图像信息。

在一个实施例中，如图4所示，一种激光相干阵列的控制方法，该控制方法用于对上一个实施例中所述的激光相干阵列进行标定，控制方法包括：

步骤400：打开第1条光通路和第k条光通路中的激光放大器，将相位探测模块输出的电信号输入到相位控制模块；其中k为大于等于2小于等于光通路条数的整数。

步骤401：相位控制模块根据预设算法产生控制信号，并将控制信号输入到第1条光通路和第k条光通路中的相位调制器，使第1束和第k束激光经过扩束器出射的激光保持稳定的相位关系。

步骤402：对空间相位延迟器施加预设的正弦波信号电压，改变透过空间相位延迟器的激光的活塞相位，从而间接改变经过激光扩束器出射的激光相位。

步骤403：通过图像采集模块记录采集第1条光通路与第k条光通路中激光扩束器输出激光经过高反镜发射后的激光的干涉图像信息，并同时记录对应的电压信号，将电压信号作为相位的标定电压。

在其中一个实施例中，在对上述激光相干阵列进行标定完成后，控制方法还包括：打开所有光通路中的激光放大器，并撤除高反镜和图像采集模块；对空间相位延迟器施加电压信号，使第1条光通路和第k条光通路中的激光扩束器出射激光之间的相位关系与标定时的相位关系一致；电压信号的值与标定电压的值相同。

应该理解的是，虽然图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图4中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

通过以上步骤，可以达到激光扩束器207阵列输出的N路激光保持一定相位分布的目的。其中N为光通路的条数。

在其中一个实施例中，改变N的数量后输出激光阵列，其激光阵列示意图如图5和图6所示，其中图5为7路相干合成时输出的激光阵列示意图，图6为19路相干合成时输出的激光阵列示意图。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种激光相干阵列，其特征在于，所述激光相干阵列包括：种子激光、激光分束器、2条以上光通路、激光合束器、相位探测模块以及相位控制器；

所述种子激光，用于产生输入激光光束；

所述激光分束器，用于将所述输入激光光束分为与所述光通路的数量对应的激光束；所述激光分束器的输出端与所述光通路光路连接；

所述光通路，包括相位调制器、激光放大器、激光准直器、分光镜、激光扩束器以及空间相位延迟器；

所述相位调制器，用于改变所述激光分束器输出激光束的活塞相位；

所述激光放大器，用于对所述相位调制器输出的激光的功率进行放大；

所述激光准直器，用于将所述激光放大器输出的激光进行准直；

所述分光镜，设置在每个所述激光准直器的出射激光与所述激光扩束器之间的光路上；所述分光镜用于对每个所述激光准直器的出射激光能量进行分光，将分光后的一部分激光能量传输到所述激光扩束器，并将分光后的另一部分激光能量透过所述空间相位延迟器传输到所述激光合束器；

所述激光扩束器，用于使每路输入激光的光斑半径增大后再输出；

所述空间相位延迟器，用于通过施加预设的正弦波信号电压，改变透过所述空间相位延迟器的光束的活塞相位；

所述激光合束器，用于减小各路入射激光之间的间距，形成紧密排布的阵列激光输出；

所述相位探测模块，用于接收所述激光合束器输出的阵列激光，并探测阵列激光干涉后的远场中央主瓣能量，并所述远场中央主瓣能量转化为电信号；

所述相位控制器，用于接收所述相位探测模块输出的电信号，并将其作为性能评价函数，运行预设的算法，并输出信号控制所述相位调制器；

所述激光相干阵列还包括活塞相位标定系统，所述活塞相位标定系统包括：高反镜和图像采集模块；

所述高反镜，设置在所述激光扩束器的光路上，用于反射所述激光扩束器输出的阵列激光；

图像采集模块，用于对所述高反镜反射的激光进行聚焦，并采集激光聚焦后干涉的图像信息。

2.根据权利要求1所述的激光相干阵列，其特征在于，所述分光镜用于将所述激光准直器的出射激光能量进行分光，得到第一部分激光和第二部分激光，所述第一部分激光为分光后大于99％的激光能量，所述第二部分激光为分光后小于1％的激光能量；

所述第一部分激光用于传输到所述激光扩束器；

所述第二部分激光用于透过所述空间相位延迟器传输到所述激光合束器。

3.根据权利要求1所述的激光相干阵列，其特征在于，所述相位探测模块使用聚焦透镜对接收到的阵列激光进行聚焦，并通过光电探测器探测阵列激光干涉后的远场中央主瓣能量，并将所述远场中央主瓣能量转化为电信号，将所述电信号输送到所述相位控制器。

4.根据权利要求1所述的激光相干阵列，其特征在于，所述激光合束器还包括：基座、45度高反镜片、第一高反镜、光程调节座和紧固件；

所述基座上设有台阶，每级台阶上铣有用于镶嵌所述45度高反镜片的凹槽和供所述光程调节座移动的滑槽，所述凹槽与所述台阶前端面成45度夹角，将所述45度高反镜片装到所述基座的凹槽上，所述滑槽与台阶前端面平行，所述光程调节座由底座和粘在底座上的两个所述第一高反镜组成，将所述光程调节座和所述紧固件装到所述基座的滑槽上。

5.根据权利要求1所述的激光相干阵列，其特征在于，所述激光合束器至少包括：

入射光束阵列，包括若干平行的入射光束，在垂直于所述入射光束的平面上，入射光束按照从中心到边缘逐层阵列排布，每层光束在垂直平面上均排列呈封闭形状；

一级合成装置，包括一级支撑板及安装在所述一级支撑板上的一级合成单元，所述一级合成单元用于将经过与中心光束相邻且包围所述中心光束的第一层光束在径向上压缩，以聚集在所述中心光束周围；

二级合成装置，包括二级支撑板及安装在所述二级支撑板上的二级合成单元，所述二级合成单元用于将经过与第一层光束相邻且包围所述第一层光束的第二层光束在径向上压缩，以聚集在所述第一层光束周围；

所述一级支撑板、二级支撑板均在与入射光束阵列垂直平面上设置；

所述一级合成单元、二级合成单元均包括：数量与所述第一层光束或第二层光束数量相同的外反射镜面，固定在所述一级支撑板

或二级支撑板上，并围绕所述一级支撑板或二级支撑板的中心孔布置；且所述中心孔与所述中心光束的中心重合；

数量与所述外反射镜面数量相同的内反射镜面，固定在所述一级支撑板上或二级支撑板上，并围绕所述一级支撑板或二级支撑板的中心孔布置；且在径向上位于外反射镜面与中心孔之间。

6.一种激光相干阵列的控制方法，其特征在于，所述控制方法用于对权利要求1-5任一项所述的激光相干阵列进行标定，所述控制方法包括：

打开第1条光通路和第k条光通路中的激光放大器，将相位探测模块输出的电信号输入到相位控制模块；其中k为大于等于2小于等于光通路条数的整数；

所述相位控制模块根据预设算法产生控制信号，并将所述控制信号输入到第1条光通路和第k条光通路中的相位调制器，使第1束和第k束激光经过扩束器出射的激光保持稳定的相位关系；

对空间相位延迟器施加预设的正弦波信号电压，改变透过所述空间相位延迟器的激光的活塞相位，从而间接改变经过所述激光扩束器出射的激光相位；

通过图像采集模块记录采集第1条光通路与第k条光通路中所述激光扩束器输出激光经过高反镜发射后的激光的干涉图像信息，并同时记录对应的电压信号，将所述电压信号作为相位的标定电压。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在对权利要求1所述的激光相干阵列进行标定完成后，所述控制方法还包括：

打开所有光通路中的激光放大器，并撤除高反镜和图像采集模块；

对所述空间相位延迟器施加电压信号，使第1条光通路和第k条光通路中的激光扩束器出射激光之间的相位关系与标定时的相位关系一致；所述电压信号的值与所述标定电压的值相同。

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