CN114024194B - 光纤激光相干合成系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的光纤激光相干合成系统，包括激光产生装置、环行器、3×3耦合器、相位调制器、光电探测器、锁相控制模块、光纤放大器和光纤输出端，能够实现激光的相干合成。通过3×3耦合器一侧连接的三个光电探测器输出的电信号，计算出两路激光的相位差，并基于此生成精确的相位控制信号加载到相位调制器上以补偿两路激光间的相位差，不需要高频扰动或调制信号，因此可以在不影响锁相系统的控制带宽的情况下，降低对相位调制器的响应频率的要求，提升系统的稳定性。

Description

光纤激光相干合成系统

技术领域

本发明涉及光纤激光相干合成技术领域，特别是涉及一种光纤激光相干合成系统。

背景技术

当前，在光纤激光主动相干合成技术中，普遍采用SPGD算法、抖动法等算法实现相位锁定，为了获得高的控制带宽，这些方法无一例外都要对各路光相位进行高频操作，这给相位调制器的选型带来了困难。如：选择响应频率较高的铌酸锂调制器时，其耐受功率较低，会增加光源的研制难度；选择耐受功率较高的压电陶瓷相位调制器时，又会降低锁相系统的控制带宽，影响相干合成效果。

因此，如何对现有的光纤激光相干合成系统进行优化设计，以使得其在能够不降低锁相系统的控制带宽的前提下，能够降低锁相系统对相位调制器响应频率的需求，这是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术所存在的局限与不足，本发明提供一种光纤激光相干合成系统，可大幅降低锁相系统对相位调制器响应频率的需求，从而进一步降低系统光源的研制难度。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一方面，本发明提供一种光纤激光相干合成系统，包括激光产生装置、环行器、3×3耦合器、相位调制器、光电探测器、锁相控制模块、光纤放大器和光纤输出端；

激光产生装置的输出激光中包含波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光，λ₂为λ₁的2倍；激光产生装置的输出尾纤连接环行器，激光产生装置的输出激光经环行器输入到3×3耦合器的第一侧的一个端口，经3×3耦合器后均分为三路，并从3×3耦合器第二侧的三个端口输出，从3×3耦合器第二侧输出的一路激光的光路上设置有相位调制器、光纤放大器以及光纤输出端，从3×3耦合器第二侧输出的另一路激光的光路上设置有光纤放大器以及光纤输出端，各路光纤输出端对波长为λ₁的第一激光高透，对波长为λ₂的第二激光高反；

3×3耦合器第一侧的另外两个端口以及环行器分别连接一个光电探测器，各光电探测器均连接锁相控制模块，波长为λ₂的第二激光经各光纤输出端反射后沿原路返回至3×3耦合器并发生干涉，经3×3耦合器第一侧的三个端口输出至对应的三个光电探测器，锁相控制模块基于三个光电探测器输出的电信号，生成相应的控制信号加载到相位调制器上以补偿两路激光间的相位差，实现两路激光的相位锁定。

通过上述光纤激光相干合成系统能够实现两路激光的相干合成。上述方案中，通过三个光电探测器输出的电信号，计算出原路返回的两路激光的相位差，并基于此生成精确的相位控制信号加载到相位调制器上以补偿两路激光间的相位差，不需要高频扰动或调制信号，因此对相位调制器的响应频率大幅降低，而不会影响锁相系统的控制带宽。进一步的通过采用压电陶瓷相位调制器，可大大降低系统光源的研制难度，提升全系统的稳定度、降低成本。

另一方面，本发明提供一种级联结构的光纤激光相干合成系统，可实现2ⁿ路阵列光束的相位锁定。具体地，系统由n级相干合成光路级联而成，其中n≥2；第n级相干合成光路具有2ⁿ路输出激光，第n级相干合成光路的2ⁿ路输出激光分别作为第n+1级相干合成光路中2ⁿ个相干合成子光路的输入激光；

第1级相干合成光路中包括激光产生装置、一个环行器、一个3×3耦合器、一个相位调制器、三个光电探测器和一个锁相控制模块，激光产生装置的输出激光中包含波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光，λ₂为λ₁的2倍；激光产生装置的输出尾纤连接环行器，激光产生装置的输出激光经环行器输入到3×3耦合器第一侧的一个端口，经3×3耦合器后均分为三路并从3×3耦合器第二侧的三个端口输出，从3×3耦合器第二侧输出的一路激光输入到相位调制器后输出作为第1级相干合成光路的第1路输出激光，从3×3耦合器第二侧输出的另一路激光作为第1级相干合成光路的第2路输出激光；3×3耦合器第一侧的另外两个端口以及环行器分别连接一个光电探测器，各光电探测器均连接锁相控制模块，锁相控制模块连接相位调制器。

第2级至第n级相干合成光路中分别包含2^n-1个具有相同光路结构的相干合成子光路，各相干合成子光路均包括一个2×2耦合器、一个3×3耦合器、一个相位调制器、三个光电探测器和一个锁相控制模块，相干合成子光路的输入激光经2×2耦合器第一侧的一个端口输入到3×3耦合器第一侧的一个端口，经3×3耦合器后均分为三路并从3×3耦合器第二侧的三个端口输出，从3×3耦合器第二侧输出的一路激光输入到相位调制器后输出作为本级相干合成光路的1路输出激光，从3×3耦合器第二侧输出的另一路激光作为本级相干合成光路的第2路输出激光；各相干合成子光路中的3×3耦合器第一侧的另外两个端口以及2×2耦合器第一侧的另一个端口分别连接一个光电探测器，各光电探测器均连接锁相控制模块，锁相控制模块连接相位调制器。

最后一级相干合成光路中的各输出激光的光路上设置有光纤放大器和光纤输出端，各路光纤输出端对波长为λ₁的第一激光高透，对波长为λ₂的第二激光高反，波长为λ₂的第二激光经各光纤输出端反射后沿原路返回至各级相干合成光路中的3×3耦合器并发生干涉，经各3×3耦合器的第一侧的三个端口输出至对应的三个光电探测器，各锁相控制模块基于对应的三个光电探测器输出的电信号，生成相应的控制信号加载到对应的相位调制器上以补偿各路激光间的相位差，实现所有激光的相位锁定。

通过上述级联结构的光纤激光相干合成系统能够实现2ⁿ激光的相干合成。上述方案中，各锁相控制模块基于对应的三个光电探测器输出的电信号，计算出对应的原路返回的两路激光的相位差，并基于此生成精确的相位控制信号加载到对应的相位调制器上以补偿两路激光间的相位差，不需要高频扰动或调制信号，因此对相位调制器的响应频率大幅降低，而不会影响锁相系统的控制带宽。进一步的通过采用压电陶瓷相位调制器，可大大降低系统光源的研制难度，提升全系统的稳定度、降低成本。

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是本发明一实施例的结构示意图(实现2路光束相干合成)；

图2是本发明一实施例的结构示意图(实现4路光束相干合成)；

图3是本发明一实施例的结构示意图(实现2ⁿ路光束相干合成)；

图4是本发明一实施例中激光产生装置的结构示意图；

图5是本发明一实施例中激光产生装置的结构示意图；

图6是本发明中环行器的结构示意图；

图中各标号表示：

1、激光产生装置；2、环行器；3、3×3耦合器；4、相位调制器；5、光电探测器；6、锁相控制模块；7、光纤放大器；8、光纤输出端；9、2×2耦合器。

本发明的实现、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。

参照图1，本实施例提供一种光纤激光相干合成系统，包括激光产生装置1、环行器2、3×3耦合器3、相位调制器4、光电探测器5、锁相控制模块6、光纤放大器7和光纤输出端8。

激光产生装置1的输出激光中包含波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光，λ₂为λ₁的2倍。波长λ₁为主激光波长，位于光纤放大器7的增益区内，波长为λ₁的第一激光可通过光纤放大器7进行功率放大。波长λ₂为相位测量激光波长，等于λ₁的两倍，位于光纤放大器7的增益区外，不可通过光纤放大器7进行功率放大。

激光产生装置1的输出尾纤连接环行器2，激光产生装置1的输出激光经环行器2输入到3×3耦合器3的第一侧的一个端口，经3×3耦合器3后均分为三路并从3×3耦合器3第二侧的三个端口输出，从3×3耦合器3第二侧输出的一路激光的光路上设置有相位调制器4、光纤放大器7以及光纤输出端8，3×3耦合器3第二侧输出的另一路激光的光路上设置有光纤放大器7以及光纤输出端8，各路光纤输出端8对波长为λ₁的第一激光高透，对波长为λ₂的第二激光高反。

3×3耦合器3第一侧的另外两个端口以及环行器2分别连接一个光电探测器5，各光电探测器5均连接锁相控制模块6，波长为λ₂的第二激光经各光纤输出端8反射后沿原路返回至3×3耦合器3并发生干涉，经3×3耦合器3第一侧的三个端口输出至对应的三个光电探测器5，锁相控制模块6基于三个光电探测器5输出的电信号计算出两路原路返回的激光光束间的精确相位差，生成相应的相位控制信号加载到相位调制器4上以补偿两路激光间的相位差，实现两路激光的相位锁定。

激光产生装置、环行器、3×3耦合器、相位调制器、光纤放大器、光纤输出端以及光电探测器均为光纤器件，彼此之间采用光纤熔接方式连接。光电探测器与锁相控制模块，锁相控制模块与相位调制器之间采用电线连接。

所述激光产生装置可输出波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光，可以通过以下两种方案中的任一种方案实现：

第一种方案，参照图5，激光产生装置包括波长为λ₁的第一光纤激光器101和波长为λ₂的第二光纤激光器102，波长为λ₁和λ₂的两台光纤激光器连接波分复用器103，通过光纤波分复用器103将两台光纤激光器输出的波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光进行合束后输出。所用波长为λ₁的第一光纤激光器101和波长为λ₂的第二光纤激光器102均为商用单频或窄线宽保偏光纤激光器，其中λ₂为λ₁的2倍，λ₁由用户根据系统需要进行确定。

第二种方案，参照图6，所述激光产生装置包括波长为λ₂的第二光纤激光器102和光纤耦合倍频器104，波长为λ₂的第二光纤激光器102连接光纤耦合倍频器104，由光纤耦合倍频器104输出包含波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光的激光，其中λ₂为λ₁的2倍。波长为λ₂的第二光纤激光器102为商用单频或窄线宽保偏光纤激光器。

所述环行器2可采用商用光纤环行器，其工作波段涵盖λ₁和λ₂激光波长。参照图4，其激光传输路径为，a端口→b端口，b端口→c端口，a端口不能输出激光到c端口，能够同时传输波长为λ₁和λ₂的两个波长的激光，光纤环行器中光纤型号需与相连接的其他器件光纤型号相匹配。

所述3×3耦合器3可采用商用3×3光纤耦合器，其第一侧具有三个端口，第二侧同样具有三个端口，同一侧的三个端口间存在一个120°的稳定相位差，能够同时传输λ₁和λ₂两个激光波长。

所述相位调制器4可采用压电陶瓷相位调制器，调制带宽大于相干合成系统中的需要校正的最高相位噪声频率，光纤能够同时传输λ₁和λ₂两个激光波长，输入光纤型号与3×3光纤耦合器输出光纤型号相同。

所述光纤放大器7可采用商用窄线宽保偏光纤激光放大器，输出功率由用户根据需求确定，输入功率与相位调制器输出功率匹配。

所述光纤输出端8可以是经抛光的光纤端面、光纤端帽或光纤准直器。光纤输出端8用于将波长为λ₁的激光输出到空间，对波长为λ₂的激光进行反射使其沿原路返回，因此光纤输出端需镀膜同时满足对波长为λ₁的激光高透和对波长为λ₂的激光高反，其耐受功率大于光纤放大器的输出功率。

所述光电探测器5可采用商用光纤耦合型光电探测器，响应带宽大于锁相控制电路输出的控制信号的最高频率，响应波段涵盖λ₂波长，探测灵敏度与3×3耦合器输出光功率匹配，尾纤型号与3×3耦合器输出光纤型号匹配。

所述锁相控制模块6可采用单片机、FPGA、DSP等信号处理器研制而成，可接收从各光电探测器5传来的电信号，并生成相应的相位控制信号传输给相位调制器，将两路光束相位锁定为同相，其中锁相控制模块6生成相应的相位控制信号的方法，包括：

(1)，初始化，锁相控制模块在对应的相位调制器上加载初始相位控制信号；

(2)，采集锁相控制模块对应的三个光电探测器的电信号，根据电信号计算出对应的原路返回的两路光束间的相位差并将其转换为当前应该加载到对应的相位调制器上的相位控制信号调整量Q；

(3)，如果C_min≤C_i-1+Q≤C_max，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q，如果C_i-1+Q＜C_min，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q+2π*γ；如果C_i-1+Q＞C_max，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q-2π*γ，γ是光纤相位调制器的电光响应系数；

(4)，锁相控制模块将当前的相位控制信号加载到对应的相位调制器上，返回步骤(2)不断循环。

本发明一实施例中，步骤(2)中两路光束间的相位差，通过以下步骤获得：

激光产生装置输出的波长为λ₂的第二激光的功率为I，经3×3耦合器后均分为三路，各路光强分别为I/3，其中一路光束未使用，另外两路光束沿光路传输到光纤输出端后再次反射回3×3耦合器并发生干涉，经3×3耦合器第一侧的三个端口输出至对应的三个光电探测器，由于3×3耦合器在同侧的三个端口间存在一个120°的稳定相位差，三个光电探测器对应光路的光强表达式，为：

其中，I_a为三个光电探测器对应光路的平均光强；I_b是三个光电探测器对应的三路光束干涉后的峰值光强；是两光束间的相位差。

基于三个光电探测器输出的电信号，获得各光电探测器对应光路的光强I₁、I₂和I₃，并基于I₁、I₂和I₃计算三个光电探测器对应光路的平均光强I_a，

其中，α₁、α₂、α₃分别为各光电探测器的光电转换系数，β为环行器的插入损耗。

各光电探测器对应光路的光强表达式减去平均光强I_a，获取各路光强交流量；

对各路光强交流量求导，将每一路光强交流量与另外两路光强交流量的导数的差相乘并相加，得到第一特征量A；

将每一路光强交流量的平方相加，得到第二特征量B；

接着，用A除以得到第三特征量P，/>

对第三特征量P积分，有得到两路光束间的相位差。

由于测得的相位差是往返光程的相位差，输出处的相位差是往返光程相位差的一半，因此当前应该加载到对应的相位调制器上的相位控制信号调整量Q，

参照图2，在本发明一实施例中提供具有两级级联结构的光纤激光相干合成系统，其由2级相干合成光路级联而成，能够实现4路光束相干合成。

第1级相干合成光路中包括激光产生装置1、一个环行器2、一个3×3耦合器3、一个相位调制器4、三个光电探测器5和一个锁相控制模块6，激光产生装置1的输出激光中包含波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光，λ₂为λ₁的2倍；激光产生装置1的输出尾纤连接环行器2，激光产生装置1的输出激光经环行器2输入到3×3耦合器3第一侧的一个端口，经3×3耦合器3后均分为三路并从3×3耦合器3第二侧的三个端口输出，从3×3耦合器3第二侧输出的一路激光输入到相位调制器4后输出作为第1级相干合成光路的第1路输出激光，从3×3耦合器3第二侧输出的另一路激光作为第1级相干合成光路的第2路输出激光；3×3耦合器3第一侧的另外两个端口以及环行器分别连接一个光电探测器5，各光电探测器5均连接锁相控制模块6，锁相控制模块6连接相位调制器4。

第2级相干合成光路中分别包含2个具有相同光路结构的相干合成子光路。第1级相干合成光路的两路输出激光分别作为第2级相干合成光路中2个相干合成子光路的输入激光。

第2级相干合成光路中，各相干合成子光路均包括一个2×2耦合器9、一个3×3耦合器3、一个相位调制器4、三个光电探测器5、一个锁相控制模块6、光纤放大器7和光纤输出端8。相干合成子光路的输入激光经2×2耦合器9第一侧的一个端口输入到3×3耦合器3第一侧的一个端口，经3×3耦合器3后均分为三路并从3×3耦合器3第二侧的三个端口输出，从3×3耦合器3第二侧输出的一路激光输入到相位调制器4后输出作为第2级相干合成光路的1路输出激光，从3×3耦合器3第二侧输出的另一路激光作为第2级相干合成光路的第2路输出激光。即一个相干合成子光路有两路输出激光，第2级相干合成光路中有两个相干合成子光路，即共有四路输出激光。各相干合成子光路中的3×3耦合器3第一侧的另外两个端口以及2×2耦合器9第一侧的另一个端口分别连接一个光电探测器5，各光电探测器5均连接锁相控制模块6，锁相控制模块6连接相位调制器4。

第2级相干合成光路中的各路输出激光的光路上均设置有光纤放大器7和光纤输出端8，各路光纤输出端8对波长为λ₁的第一激光高透，对波长为λ₂的第二激光高反，波长为λ₂的第二激光经各光纤输出端8反射后沿原路返回至第一、二级相干合成光路中的3×3耦合器3并发生干涉，经各3×3耦合器3的第一侧的三个端口输出至对应的三个光电探测器5，各锁相控制模块6基于对应的三个光电探测器5输出的电信号，生成相应的相位控制信号加载到对应的相位调制器4上以补偿各路激光间的相位差，实现4路激光的相位锁定。

参照图2，第1级相干合成光路中激光产生装置输出的波长为λ₂的第二激光，经第1级相干合成光路中的3×3耦合器后均分为三路，其中一路光束未使用，另外两路光束为I₁与I₂。其中I₁光束经过相位调制器输出到2×2耦合器第一侧的一个端口，再经过3×3耦合器分为I₁₁光束与I₁₂光束。另一路I₂光束直接输出到2×2耦合器第一侧的一个端口，再经过3×3耦合器分为I₂₁光束与I₂₂光束。之后，I₁₁光束与I₂₁光束经过对应的相位调制器、光纤放大器输出到对应的光纤输出端，I₁₂光束与I₂₂光束经过对应的光纤放大器输出到对应的光纤输出端。

图2所示实施例中，激光产生装置1、环行器2、3×3耦合器3、相位调制器4、光电探测器5、锁相控制模块6、光纤放大器7和光纤输出端8的性能要求以及选型要求等均与图1中所示实施例中的对应器件相同，在此不再赘述。

图2所示实施例中，所述2×2耦合器9可采用商用分束比为50：50的2×2保偏光纤耦合器，能够同时传输包含波长为λ₁和λ₂两个激光波长的激光。

对于上述系统中的任一锁相控制模块，其生成相应的相位控制信号的方法，包括：

(1)，初始化，锁相控制模块在对应的相位调制器上加载初始相位控制信号；

(2)，锁相控制模块采集对应的三个光电探测器的电信号，根据电信号计算出对应的原路返回的两路光束间的相位差并将其转换为当前应该加载到对应的相位调制器上的相位控制信号调整量Q，/>

(3)，如果C_min≤C_i-1+Q≤C_max，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q，如果C_i-1+Q＜C_min，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q+2π*γ；如果C_i-1+Q＞C_max，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q-2π*γ，γ是相位调制器的电光响应系数；

(4)，锁相控制模块将当前的相位控制信号加载到对应的相位调制器上，返回步骤(2)不断循环。

其中步骤(2)中两路光束间的相位差的获取方法与前面实施例中获取两路光束间的相位差/>的方法相同，在此不再赘述。

参照图3，本发明一实施例提供一种多级级联的光纤激光相干合成系统，其由n级相干合成光路级联而成，其中n≥2；第n级相干合成光路具有2ⁿ路输出激光，第n级相干合成光路的2ⁿ路输出激光分别作为第n+1级相干合成光路中2ⁿ个相干合成子光路的输入激光。

第1级相干合成光路中包括激光产生装置1、一个环行器2、一个3×3耦合器3、一个相位调制器4、三个光电探测器5和一个锁相控制模块6，激光产生装置1的输出激光中包含波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光，λ₂为λ₁的2倍；激光产生装置1的输出尾纤连接环行器，激光产生装置1的输出激光经环行器2输入到3×3耦合器3第一侧的一个端口，经3×3耦合器3后均分为三路并从3×3耦合器3第二侧的三个端口输出，从3×3耦合器3第二侧输出的一路激光输入到相位调制器4后输出作为第1级相干合成光路的第1路输出激光，从3×3耦合器3第二侧输出的另一路激光作为第1级相干合成光路的第2路输出激光；3×3耦合器3第一侧的另外两个端口以及环行器分别连接一个光电探测器5，各光电探测器5均连接锁相控制模块6，锁相控制模块6连接相位调制器4。

第2级至第n级相干合成光路中分别包含2^n-1个具有相同光路结构的相干合成子光路，各相干合成子光路均包括一个2×2耦合器9、一个3×3耦合器3、一个相位调制器4、三个光电探测器5和一个锁相控制模块6，相干合成子光路的输入激光经2×2耦合器9输入到3×3耦合器3第一侧的一个端口，经3×3耦合器3后均分为三路并从3×3耦合器3第二侧的三个端口输出，从3×3耦合器3第二侧输出的一路激光输入到相位调制器4后输出作为本级相干合成光路的1路输出激光，从3×3耦合器3第二侧输出的另一路激光作为本级相干合成光路的第2路输出激光。一个相干合成子光路有两路输出激光，第n级相干合成光路中有2^n-1个相干合成子光路，即有2ⁿ路输出激光。各相干合成子光路中的3×3耦合器3第一侧的另外两个端口以及2×2耦合器9第一侧的另一个端口分别连接一个光电探测器5，各光电探测器5均连接对应的锁相控制模块6，锁相控制模块6连接对应的相位调制器4。

最后一级相干合成光路中的各输出激光的光路上设置有光纤放大器7和光纤输出端8，各路光纤输出端8对波长为λ₁的第一激光高透，对波长为λ₂的第二激光高反，波长为λ₂的第二激光经各光纤输出端反射后沿原路返回至各级相干合成光路中的3×3耦合器3并发生干涉，经各3×3耦合器3的第一侧的三个端口输出至对应的三个光电探测器5，各锁相控制模块6基于对应的三个光电探测器5输出的电信号，生成相应的控制信号加载到对应的相位调制器4上以补偿各路激光间的相位差，实现所有激光的相位锁定。

图3所示实施例中，激光产生装置1、环行器2、3×3耦合器3、相位调制器4、光电探测器5、锁相控制模块6、光纤放大器7和光纤输出端8的性能要求以及选型要求等均与图1、2中所示实施例中的对应器件相同，在此不再赘述。

图3所示实施例中，所述2×2耦合器9可采用商用分束比为50：50的2×2保偏光纤耦合器，能够同时传输包含波长为λ₁和λ₂两个激光波长的激光。

对于上述系统中的任一锁相控制模块，其生成相应的相位控制信号的方法均与图1、2中所示实施例中的方法相同，在此不再赘述。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.光纤激光相干合成系统，其特征在于，包括激光产生装置、环行器、3×3耦合器、相位调制器、光电探测器、锁相控制模块、光纤放大器和光纤输出端；

激光产生装置的输出激光中包含波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光，λ₂为λ₁的2倍；激光产生装置的输出尾纤连接环行器，激光产生装置的输出激光经环行器输入到3×3耦合器的第一侧的一个端口，经3×3耦合器后均分为三路并从3×3耦合器第二侧的三个端口输出，从3×3耦合器第二侧输出的一路激光的光路上设置有相位调制器、光纤放大器以及光纤输出端，从3×3耦合器第二侧输出的另一路激光的光路上设置有光纤放大器以及光纤输出端，各路光纤输出端对波长为λ₁的第一激光高透，对波长为λ₂的第二激光高反；

3×3耦合器第一侧的另外两个端口以及环行器分别连接一个光电探测器，各光电探测器均连接锁相控制模块，波长为λ₂的第二激光经各光纤输出端反射后沿原路返回至3×3耦合器并发生干涉，经3×3耦合器第一侧的三个端口输出至对应的三个光电探测器，锁相控制模块基于三个光电探测器输出的电信号，生成相应的控制信号加载到相位调制器上以补偿两路激光间的相位差，实现两路激光的相位锁定。

2.根据权利要求1所述的光纤激光相干合成系统，其特征在于，激光产生装置、环行器、3×3耦合器、相位调制器、光纤放大器、光纤输出端以及光电探测器均为光纤器件，彼此之间采用光纤熔接方式连接，光电探测器与锁相控制模块之间采用电线连接。

3.根据权利要求1所述的光纤激光相干合成系统，其特征在于，所述激光产生装置包括波长为λ₁和λ₂的两台光纤激光器，波长为λ₁和λ₂的两台光纤激光器连接波分复用器，通过光纤波分复用器将两台光纤激光器输出的波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光进行合束后输出；

或者，所述激光产生装置包括波长为λ₂的光纤激光器和光纤耦合倍频器，波长为λ₂的光纤激光器连接光纤耦合倍频器，由光纤耦合倍频器输出包含波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光的激光。

4.根据权利要求1所述的光纤激光相干合成系统，其特征在于，所述锁相控制模块生成相应的控制信号的方法，包括：

(1)，初始化，锁相控制模块在对应的相位调制器上加载初始相位控制信号；

(2)，采集锁相控制模块对应的三个光电探测器的电信号，根据电信号计算出对应的原路返回的两路光束间的相位差并将其转换为当前应该加载到对应的相位调制器上的相位控制信号调节量Q；

(3)，如果C_min≤C_i-1+Q≤C_max，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q，如果C_i-1+Q＜C_min，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q+2π*γ；如果C_i-1+Q＞C_max，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q-2π*γ，γ是光纤相位调制器的电光响应系数；

(4)，锁相控制模块将当前的相位控制信号加载到对应的相位调制器上，返回步骤(2)不断循环。

5.根据权利要求4所述的光纤激光相干合成系统，其特征在于，步骤(2)中：

6.根据权利要求5所述的光纤激光相干合成系统，其特征在于，步骤(2)中两路光束间的相位差，通过以下步骤获得：

3×3耦合器在同一侧三个端口间存在一个120°的稳定相位差，获得各光电探测器对应光路的光强表达式；

基于三个光电探测器输出的电信号，获得各光电探测器对应光路的光强I₁、I₂和I₃，并基于I₁、I₂和I₃计算三个光电探测器对应光路的平均光强I_a；

各光电探测器对应光路的光强表达式减去平均光强I_a，获取各路光强交流量；

对各路光强交流量求导，将每一路光强交流量与另外两路光强交流量的导数的差相乘并相加，得到第一特征量A；

将每一路光强交流量的平方相加，得到第二特征量B；

A除以得到第三特征量P，对第三特征量P积分，有/>得到两路光束间的相位差。

7.光纤激光相干合成系统，其特征在于，由n级相干合成光路级联而成，其中n≥2；第n级相干合成光路具有2ⁿ路输出激光，第n级相干合成光路的2ⁿ路输出激光分别作为第n+1级相干合成光路中2ⁿ个相干合成子光路的输入激光；

第1级相干合成光路中包括激光产生装置、一个环行器、一个3×3耦合器、一个相位调制器、三个光电探测器和一个锁相控制模块，激光产生装置的输出激光中包含波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光，λ₂为λ₁的2倍；激光产生装置的输出尾纤连接环行器，激光产生装置的输出激光经环行器输入到3×3耦合器第一侧的一个端口，经3×3耦合器后均分为三路并从3×3耦合器第二侧的三个端口输出，从3×3耦合器第二侧输出的一路激光输入到相位调制器后输出作为第1级相干合成光路的第1路输出激光，从3×3耦合器第二侧输出的另一路激光作为第1级相干合成光路的第2路输出激光；3×3耦合器第一侧的另外两个端口以及环行器分别连接一个光电探测器，各光电探测器均连接锁相控制模块，锁相控制模块连接相位调制器；

第2级至第n级相干合成光路中分别包含2^n-1个具有相同光路结构的相干合成子光路，各相干合成子光路均包括一个2×2耦合器、一个3×3耦合器、一个相位调制器、三个光电探测器和一个锁相控制模块，相干合成子光路的输入激光经2×2耦合器第一侧的一个端口输入到3×3耦合器第一侧的一个端口，经3×3耦合器后均分为三路并从3×3耦合器第二侧的三个端口输出，从3×3耦合器第二侧输出的一路激光输入到相位调制器后输出作为本级相干合成光路的1路输出激光，从3×3耦合器第二侧输出的的另一路激光作为本级相干合成光路的第2路输出激光；各相干合成子光路中的3×3耦合器第一侧的另外两个端口以及2×2耦合器第一侧的另一个端口分别连接一个光电探测器，各光电探测器均连接锁相控制模块，锁相控制模块连接相位调制器；

最后一级相干合成光路中的各输出激光的光路上设置有光纤放大器和光纤输出端，各路光纤输出端对波长为λ₁的第一激光高透，对波长为λ₂的第二激光高反，波长为λ₂的第二激光经各光纤输出端反射后沿原路返回至各级相干合成光路中的3×3耦合器并发生干涉，经各3×3耦合器的第一侧的三个端口输出至对应的三个光电探测器，各锁相控制模块基于对应的三个光电探测器输出的电信号，生成相应的控制信号加载到对应的相位调制器上以补偿各路激光间的相位差，实现所有激光的相位锁定。

8.根据权利要求7所述的光纤激光相干合成系统，其特征在于，激光产生装置、环行器、3×3耦合器、2×2耦合器、相位调制器、光纤放大器、光纤输出端以及光电探测器均为光纤器件，彼此之间采用光纤熔接方式连接，光电探测器与锁相控制模块之间采用电线连接。

9.根据权利要求7或8所述的光纤激光相干合成系统，其特征在于，所述激光产生装置包括波长为λ₁和λ₂的两台光纤激光器，波长为λ₁和λ₂的两台光纤激光器连接波分复用器，通过光纤波分复用器将两台光纤激光器输出的波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光进行合束后输出；

或者，所述激光产生装置包括波长为λ₂的光纤激光器和光纤耦合倍频器，波长为λ₂的光纤激光器连接光纤耦合倍频器，由光纤耦合倍频器输出包含波长为λ₁的第一激光和波长为λ₂的第二激光的激光。

10.根据权利要求7所述的光纤激光相干合成系统，其特征在于，各锁相控制模块生成相应的控制信号的方法，包括：

(1)，初始化，锁相控制模块在对应的相位调制器上加载初始相位控制信号；

(2)，锁相控制模块采集对应的三个光电探测器的电信号，根据电信号计算出对应的原路返回的两路光束间的相位差并将其转换为当前应该加载到对应的相位调制器上的相位控制信号调整量Q；

(3)，如果C_min≤C_i-1+Q≤C_max，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q，如果C_i-1+Q＜C_min，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q+2π*γ；如果C_i-1+Q＞C_max，则当前的相位控制信号C_i＝C_i-1+Q-2π*γ，γ是相位调制器的电光响应系数；

(4)，锁相控制模块将当前的相位控制信号加载到对应的相位调制器上，返回步骤(2)不断循环。

11.根据权利要求10所述的光纤激光相干合成系统，其特征在于，步骤(2)中：

12.根据权利要求10或11所述的光纤激光相干合成系统，其特征在于，步骤(2)中两路光束间的相位差，通过以下步骤获得：

3×3耦合器在同一侧三个端口间存在一个120°的稳定相位差，获得各光电探测器对应光路的光强表达式；

基于三个光电探测器输出的电信号，获得各光电探测器对应光路的光强I₁、I₂和I₃，并基于I₁、I₂和I₃计算三个光电探测器对应光路的平均光强I_a；

各光电探测器对应光路的光强表达式减去平均光强I_a，获取各路光强交流量；

对各路光强交流量求导，将每一路光强交流量与另外两路光强交流量的导数的差相乘并相加，得到第一特征量A；

将每一路光强交流量的平方相加，得到第二特征量B；

A除以得到第三特征量P，对第三特征量P积分，有/>得到两路光束间的相位差。