RU2470334C2 - Method of amplifying laser radiation and apparatus for realising said method - Google Patents
Method of amplifying laser radiation and apparatus for realising said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2470334C2 RU2470334C2 RU2010127743/28A RU2010127743A RU2470334C2 RU 2470334 C2 RU2470334 C2 RU 2470334C2 RU 2010127743/28 A RU2010127743/28 A RU 2010127743/28A RU 2010127743 A RU2010127743 A RU 2010127743A RU 2470334 C2 RU2470334 C2 RU 2470334C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- control
- signal
- channel
- phase adjustment
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к способам и устройствам для усиления лазерного излучения на основе волоконной оптики.The invention relates to methods and devices for amplifying laser radiation based on fiber optics.
В настоящее время ведутся интенсивные разработки источников мощного монохроматического лазерного излучения, обладающего хорошими пространственными характеристиками, а именно дифракционной расходимостью лазерного луча, близкой к гауссовскому пучку.Currently, intensive development of sources of powerful monochromatic laser radiation with good spatial characteristics, namely, the diffraction divergence of the laser beam close to the Gaussian beam, is underway.
Оптоволоконные лазеры обладают рядом преимуществ перед остальными типами лазеров, в том числе надежностью, малым весом и высокой энергоэффективностью. Однако мощность монохроматического лазерного излучения, которую можно получить с использованием волоконного лазера, ограничена нелинейными эффектами в волокне и порогом разрушения места вывода излучения из волокна. Для получения пучка лазерного излучения с низкой расходимостью необходимо использование одномодового оптоволокна, диаметр сердцевины которого около 10 микрометров.Fiber optic lasers have several advantages over other types of lasers, including reliability, low weight and high energy efficiency. However, the power of monochromatic laser radiation, which can be obtained using a fiber laser, is limited by nonlinear effects in the fiber and the threshold of destruction of the place of radiation output from the fiber. To obtain a laser beam with low divergence, it is necessary to use a single-mode optical fiber with a core diameter of about 10 micrometers.
Для преодоления данного ограничения, широкое распространение получили способы повышения мощности излучения, связанные с делением исходного излучения от внешнего источника на несколько каналов, их параллельным усилением с помощью лазерных усилителях на основе одномодовых волокон и сведением в один луч усиленного излучения.To overcome this limitation, methods for increasing the radiation power associated with dividing the initial radiation from an external source into several channels, their parallel amplification using laser amplifiers based on single-mode fibers, and combining amplified radiation into one beam have become widespread.
Для осуществления вышеуказанного способа широкое распространение получили лазерные усилители, построенные по следующей схеме: одномодовый (полупроводниковый или волоконный) задающий лазер генерирует излучение, которое затем делится на множество параллельных каналов и направляется на усилители, построенные, например, на активных волокнах, способных усиливать излучение определенной частоты. Усиленное таким образом лазерное излучение далее собирается вместе и направляется на удаленную мишень, обеспечивая на ней более высокую интенсивность лазерного излучения, чем при использовании одиночного усилителя. При этом возникает следующая проблема: в когерентное излучение лазера после прохождения через волоконный усилитель вносится фазовый шум. Наличие фазового шума излучения проявляется в том, что фаза излучения на выходе усилителей испытывает случайное вращение. Величина, скорость и направление вращения фазы в каждом из параллельных каналов различны. Источником такого фазового шума усилителей, как правило, являются термические эффекты в активном волокне усилителей. Нежелательные сдвиги фазы электромагнитных волн приводит к тому, что при сведении лучей суммарная яркость излучения N усилителей на удаленной мишени оказывается пропорциональна не N2, как ожидается при сложении электромагнитных волн, совпадающих по фазе, а значительно меньше. Результатом интерференции лазерных лучей на удаленной мишени является расплывчатая, постоянно меняющаяся дифракционная картина с низкой пиковой интенсивностью. Кроме того, как показано в работе Steven J. Augst, Т.Y.Fan, and Antonio Sanchez, Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbium fiber amplifiers, OPTICS LETTERS / Vol.29, No.5 / March 1, 2004, стр.474, распределение интенсивности фазового шума по частотам носит неоднородный характер. Наибольшая интенсивность фазового шума приходится на низкочастотный интервал.To implement the above method, laser amplifiers built according to the following scheme are widely used: a single-mode (semiconductor or fiber) master laser generates radiation, which is then divided into many parallel channels and sent to amplifiers built, for example, on active fibers capable of amplifying radiation of a certain frequency. The laser radiation thus amplified is then collected together and directed to a distant target, providing a higher laser radiation intensity on it than when using a single amplifier. In this case, the following problem arises: phase noise is introduced into the coherent laser radiation after passing through the fiber amplifier. The presence of phase radiation noise is manifested in the fact that the radiation phase at the output of the amplifiers experiences random rotation. The magnitude, speed and direction of rotation of the phase in each of the parallel channels are different. The source of such phase noise of amplifiers is, as a rule, thermal effects in the active fiber of amplifiers. Undesirable phase shifts of electromagnetic waves leads to the fact that when the rays are reduced, the total brightness of the radiation of N amplifiers on a distant target is proportional not to N 2 , as expected when adding electromagnetic waves that coincide in phase, but much less. The result of interference of laser beams on a distant target is a blurry, constantly changing diffraction pattern with a low peak intensity. In addition, as shown by Steven J. Augst, T. Y. Fan, and Antonio Sanchez, Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbium fiber amplifiers, OPTICS LETTERS / Vol.29, No.5 / March 1, 2004, p. 474, the distribution of the phase noise intensity over frequencies is heterogeneous. The highest phase noise intensity occurs in the low-frequency interval.
Для преодоления данных отрицательных эффектов предлагаются различные схемы построения волоконно-оптических лазеров с многоканальными усилителями, в частности, с пассивной синхронизацией мод в параллельных каналах усиления (В.Wang et al. All-fiber 50 W coherently combined passive laser array. Optics Letters, 34, 863 (2009)). Использование пассивной синхронизации мод не избавляет от фазового шума усилителей и не позволяет добиться полной синхронизации излучения.To overcome these negative effects, various schemes are proposed for constructing fiber-optic lasers with multichannel amplifiers, in particular, with passive mode locking in parallel amplification channels (B. Wang et al. All-fiber 50 W coherently combined passive laser array. Optics Letters, 34 , 863 (2009)). The use of passive mode locking does not eliminate phase noise of amplifiers and does not allow achieving complete synchronization of radiation.
Наиболее близким к заявленному способу является способ, описанный в патенте US 6366356, в соответствии с которым поступающее от внешнего источника поляризованное лазерное излучение разделяется на основное и эталонное. Основное излучение делится на N каналов, в которых осуществляется усиление основного излучения. Усиленное излучение выводится из волокна с помощью коллиматоров, установленных параллельно, и направляется на мишень. Полупрозрачное зеркало, установленное на пути параллельных лучей, отражает часть излучения (контрольное излучение). Обратная связь в предлагаемом способе управления сдвигом фазы работает по принципу гетеродинирования. Для этого контрольное излучение смешивается с эталонным излучением с помощью полупрозрачного зеркала. Эталонное излучение, используемое в предложенной схеме, дополнительно сдвигается на 40 МГц с помощью акустооптического модулятора. Смешанное излучение далее направляется на один из N фотодетекторов. При отсутствии сдвига фазы в усилителе частота модуляции электрического сигнала на фотодетекторе в точности равна частоте электрического сигнала, подаваемого на акустооптический модулятор. При сдвиге фазы контрольного излучения относительно эталонного происходит изменение интенсивности сигнала на фотодетекторе. Далее рассчитывается сдвиг фазы и производится коррекция фазы излучения с помощью модулей подстройки фазы, подаваемого на вход усилителей.Closest to the claimed method is the method described in patent US 6366356, in accordance with which the polarized laser radiation coming from an external source is divided into the main and reference. The main radiation is divided into N channels in which the main radiation is amplified. Amplified radiation is removed from the fiber with the help of collimators installed in parallel, and is directed to the target. A translucent mirror mounted in the path of parallel rays reflects part of the radiation (control radiation). Feedback in the proposed method of controlling the phase shift operates on the principle of heterodyning. To do this, the control radiation is mixed with the reference radiation using a translucent mirror. The reference radiation used in the proposed scheme is additionally shifted by 40 MHz using an acousto-optical modulator. The mixed radiation is then sent to one of the N photodetectors. In the absence of a phase shift in the amplifier, the frequency of modulation of the electrical signal at the photodetector is exactly equal to the frequency of the electrical signal supplied to the acousto-optic modulator. When the phase of the control radiation is shifted relative to the reference, the signal intensity at the photodetector changes. Next, the phase shift is calculated and the radiation phase is corrected using the phase adjustment modules supplied to the input of the amplifiers.
Наиболее близким к заявленному устройству является изобретение по патенту, US 6366356, которое относится к устройствам усиления излучения мощных волоконных лазеров, поступающего из источника поляризованного лазерного излучения, включающее делитель, разделяющий лазерное излучение на основное и эталонное излучение. Затем с помощью оптического N-канального разветвителя основное излучение направляется в N каналов усиления, построенных на основе оптоволоконных усилителей. Усиленное излучение выводится из волокна с помощью коллиматоров, установленных параллельно, и направляется на мишень. Полупрозрачное зеркало, установленное на пути параллельных лучей, отражает контрольное излучение. Схема детектирования сдвига фазы работает по принципу гетеродинирования. Для контроля фазы излучения на выходе усилителей контрольное излучение смешивается с эталонным излучением с помощью полупрозрачного зеркала. Эталонное излучение DFB лазера дополнительно сдвигается на 40 МГц с помощью акустооптического модулятора. Смешанное излучение далее направляется на один из N фотодетекторов. При отсутствии сдвига фазы в усилителе частота модуляции электрического сигнала на фотодетекторе в точности равна частоте электрического сигнала, подаваемого на акустооптический модулятор. При сдвиге фазы контрольного излучения относительно эталонного происходит изменение интенсивности сигнала на фотодетекторе, из которого по XOR схеме рассчитывается сдвиг фазы излучения. Исходя из рассчитанного сдвига фазы, с помощью модулей подстройки фазы производится коррекция фазы основного излучения, подаваемого на вход усилителей.Closest to the claimed device is the invention according to the patent, US 6366356, which relates to devices for amplifying radiation of high-power fiber lasers coming from a polarized laser radiation source, including a divider that divides the laser radiation into the main and reference radiation. Then, using an optical N-channel splitter, the main radiation is directed to N amplification channels built on the basis of fiber-optic amplifiers. Amplified radiation is removed from the fiber with the help of collimators installed in parallel, and is directed to the target. A translucent mirror mounted in the path of parallel rays reflects the control radiation. The phase shift detection circuit operates on the principle of heterodyning. To control the phase of the radiation at the output of the amplifiers, the control radiation is mixed with the reference radiation using a translucent mirror. The reference radiation from the DFB laser is further shifted by 40 MHz using an acousto-optical modulator. The mixed radiation is then sent to one of the N photodetectors. In the absence of a phase shift in the amplifier, the frequency of modulation of the electrical signal at the photodetector is exactly equal to the frequency of the electrical signal supplied to the acousto-optic modulator. When the phase of the control radiation is shifted relative to the reference, the signal intensity at the photodetector changes, from which the phase shift of the radiation is calculated using the XOR scheme. Based on the calculated phase shift, using the phase adjustment modules, the phase of the main radiation supplied to the amplifiers input is corrected.
Вышеуказанный способ и устройство для его осуществления имеет следующие недостатки: коррекция фазы излучения производится на входе усилителя, при этом сигнал коррекции поступает на модуль коррекции фазы с некоторой задержкой, определяемой быстродействием процедуры обработки сигнала. Следствием этой задержки является то, что при быстром изменении производной сдвига фазы или же при наличии интенсивного высокочастотного фазового шума возникает: неустойчивость работы алгоритма коррекции, проявляющаяся в неправильном направлении коррекции сдвига фазы и, как следствие, расфазировке каналов излучения. Другим недостатком является то, что система позволяет только зафиксировать фазы излучения на выходе из усилителей, но отсутствует процедура оптимизации разности фаз излучения N каналов для получения равномерного волнового фронта и достижения максимальной яркости в дальней зоне.The above method and device for its implementation has the following disadvantages: the radiation phase correction is performed at the input of the amplifier, while the correction signal is supplied to the phase correction module with a certain delay determined by the speed of the signal processing procedure. The consequence of this delay is that with a rapid change in the derivative of the phase shift or in the presence of intense high-frequency phase noise, the following arises: the instability of the correction algorithm, which manifests itself in the wrong direction of the correction of the phase shift and, as a result, the phase shift of the radiation channels. Another disadvantage is that the system only allows fixing the radiation phases at the output of the amplifiers, but there is no procedure for optimizing the phase difference of the radiation of N channels to obtain a uniform wavefront and achieve maximum brightness in the far zone.
Необходимо отметить, что при использовании гетеродина к шумам, вносимым усилителями, добавляется шум гетеродина, который при малых частотах сдвига характеризуется законом I~1/f4, где I - интенсивность шума, f - частота сдвига, то есть такая схема подстройки лазерного излучения будет вносить наибольшую погрешность в процедуру коррекции при медленном изменении фазы, т.е. в области наибольшей интенсивности фазового шума. Кроме того, конструкция гетеродинной схемы сложнее, т.к. в ней используется процедура сдвига частоты с помощью акустооптических модуляторов.It should be noted that when using a local oscillator, the noise of the local oscillator is added to the noise introduced by the amplifiers, which at low shear frequencies is characterized by the law I ~ 1 / f 4 , where I is the noise intensity, f is the shear frequency, that is, such a laser tuning scheme will to introduce the greatest error in the correction procedure with a slow phase change, i.e. in the region of highest phase noise intensity. In addition, the design of the heterodyne circuit is more complicated, because it uses a frequency shift procedure using acousto-optical modulators.
Задача, поставленная перед заявляемой группой изобретений, заключается в создании способа и устройства для его реализации, обеспечивающего согласование излучения волоконно-оптических лазерных усилителей для получения монохроматического когерентного излучения высокой мощности.The task posed to the claimed group of inventions is to create a method and device for its implementation, ensuring the coordination of the radiation of fiber-optic laser amplifiers to obtain monochromatic coherent radiation of high power.
Известен способ получения лазерного излучения, при котором поступающее от внешнего источника поляризованное лазерное излучение разделяется на основное и эталонное. При этом основное излучение дополнительно делится на N каналов, в каждом из которых происходит его усиление, после усиления из основного излучения выделяется контрольное излучение для сравнения с эталонным излучением, его преобразование в электрический сигнал и расчет управляющего сигнала, обеспечивающего подстройку фазы в каналах усиления основного излучения, при этом при прохождении основного, контрольного и эталонного излучений через оптическую схему сохраняется его поляризация.A known method of producing laser radiation, in which the polarized laser radiation coming from an external source is divided into the main and reference. In this case, the main radiation is additionally divided into N channels, in each of which its amplification occurs, after amplification, the control radiation is extracted from the main radiation for comparison with the reference radiation, its conversion into an electrical signal and the calculation of a control signal that provides phase adjustment in the main radiation amplification channels in this case, when the main, control and reference radiation passes through the optical circuit, its polarization is preserved.
В соответствии с предлагаемым по изобретению способом подстройка фазы в каждом канале осуществляется после усиления излучения с помощью циклических управляющих сигналов подстройки фазы. Величина управляющего сигнала на каждом цикле для каждого из N каналов определяется отдельно суммированием сигнала, вычисляемого по смещению интерференционных полос в плоскости матрицы фотодетектора, получаемого при попарном сведении в канале лучей контрольного и эталонного излучений, с сигналом, определенным по результатам измерения интенсивности суммарного излучения, получаемого при сведении всех лучей контрольного излучения.In accordance with the method according to the invention, the phase adjustment in each channel is carried out after amplification of the radiation using the cyclic control signals of the phase adjustment. The magnitude of the control signal for each cycle for each of the N channels is determined separately by summing the signal calculated by the offset of the interference fringes in the plane of the photodetector matrix obtained by pairwise combining the beams of the control and reference radiation with a signal determined by measuring the intensity of the total radiation received when reducing all the rays of the control radiation.
По второму варианту изобретения известно устройство для усиления лазерного излучения, включающее делитель лазерного излучения, осуществляющий разделение поступающего от внешнего источника поляризованного излучения на основное и эталонное. Основное излучение направляется на второй делитель, где происходит его разделение на N каналов и усиление с помощью усилителей в каждом канале, при этом часть излучения отбирается с помощью полупрозрачного зеркала(ал) и формируется контрольный пучок, который сравнивается с эталонным излучением и преобразуется в электрический сигнал, по параметрам которого с помощью расчетного блока осуществляется расчет управляющего сигнала модулей подстройки фазы, для прохождения основного, контрольного и эталонного излучений через оптическую схему используется волокно, сохраняющее поляризацию.According to a second embodiment of the invention, there is known a device for amplifying laser radiation, including a laser radiation divider, which separates the polarized radiation coming from an external source into the main and reference ones. The main radiation is directed to the second divider, where it is divided into N channels and amplified by amplifiers in each channel, while part of the radiation is selected using a translucent mirror (al) and a control beam is formed, which is compared with the reference radiation and converted into an electrical signal , according to the parameters of which, with the help of the calculation unit, the control signal of the phase adjustment modules is calculated to pass the main, control and reference radiation through the optical circuit polarization preserving fiber is used.
Заявителем предлагается в известном устройстве подстройку фазы осуществлять с помощью N модулей подстройки фазы, расположенных после усилителей, выполняющих сдвиг фазы в каждом из каналов с помощью циклических управляющих сигналов. Циклические управляющие сигналы формируются с помощью ЭВМ, при этом величина каждого управляющего сигнала в каждом из N каналов определяется отдельно, суммированием сигнала, определяемого по смещению интерференционных полос в плоскости матрицы многоканального фотодетектора, при интерференции лучей контрольного и эталонного излучений, падающих на матричный многоэлементный фотодетектор под небольшим углом друг к другу с сигналом, определенным по результатам измерения интенсивности суммарного излучения, получаемого при фокусировании с помощью линзы на одноканальным фотодетекторе всех лучей контрольного излучения.The applicant proposes, in a known device, phase adjustment to be carried out using N phase adjustment modules located after amplifiers that perform phase shift in each channel using cyclic control signals. Cyclic control signals are generated using a computer, and the magnitude of each control signal in each of the N channels is determined separately by summing the signal determined by the shift of interference fringes in the plane of the multichannel photodetector matrix, when the beams of the reference and reference radiation incident on the matrix multi-element photodetector under a small angle to each other with a signal determined by measuring the intensity of the total radiation obtained by focusing by a lens on a single-channel photodetector of controlling radiation beams.
В предлагаемом способе и устройстве для его реализации модули подстройки фазы расположены после усилителей, что позволяет скомпенсировать изменения длины оптического пути, возникающие в результате термических флуктуации в активном волокне усилителей и добиться синхронизации излучения параллельных каналов усиления, исключив влияние циклических возмущений, возникающих при подстройке фазы в оптических каналах до усилителей. Таким образом, в предлагаемом способе производится коррекция только усиленного излучения, что позволяет резко увеличить устойчивость процедуры коррекции фазы, так как отсутствует вмешательство в работу усилителя, приводящее к изменению параметров усиленного излучения, сопровождающегося дополнительным фазовым шумом.In the proposed method and device for its implementation, the phase adjustment modules are located after the amplifiers, which allows you to compensate for changes in the optical path length resulting from thermal fluctuations in the active fiber of the amplifiers and to achieve synchronization of radiation from parallel amplification channels, eliminating the influence of cyclic disturbances arising from phase adjustment in optical channels to amplifiers. Thus, in the proposed method, only amplified radiation is corrected, which makes it possible to sharply increase the stability of the phase correction procedure, since there is no interference with the amplifier, which leads to a change in the parameters of the amplified radiation, accompanied by additional phase noise.
Полученный в результате использования способа и устройства для его реализации монохроматический когерентный пучок излучения высокой мощности близок по распределению интенсивности к гауссовому и имеет один центральный максимум.The monochromatic coherent high-power radiation beam obtained as a result of using the method and device for its implementation is close in intensity distribution to Gaussian and has one central maximum.
Использование матричных многоэлементных фотодетекторов для детектирования фазы излучения в каждом канале позволяет определять направление сдвига фазы для каждого канала относительно эталонного излучения и непосредственно определять величину сигнала коррекции. Кроме того, использование матричных многоэлементных фотодетекторов позволяет упростить и ускорить процедуру математической обработки детектируемого сигнала и перевести алгоритм подстройки фазы из последовательного в параллельный.The use of matrix multi-element photodetectors for detecting the phase of radiation in each channel makes it possible to determine the direction of the phase shift for each channel relative to the reference radiation and directly determine the value of the correction signal. In addition, the use of matrix multi-element photodetectors allows you to simplify and speed up the mathematical processing of the detected signal and transfer the phase adjustment algorithm from serial to parallel.
Подстройка фазы в устройстве усиления лазерного излучения является многоканальной и может осуществляться путем изменения длины оптического пути с помощью оптоволоконных модулей сдвига фазы, предназначенных для работы с усилителями малой и средней мощности. Сдвиг фазы в оптоволоконных модулях основан на изменении длины оптического пути лазерного излучения в волокне. Использование таких модулей целесообразно для подстройки фазы излучения мощностью до нескольких ватт в канале. Использование волоконных модулей подстройки фазы позволяет скомпенсировать фазовый шум с частотой до 20 кГц.The phase adjustment in the laser amplification device is multi-channel and can be carried out by changing the optical path length using fiber-optic phase shift modules designed to work with low and medium power amplifiers. The phase shift in the fiber modules is based on a change in the optical path length of the laser radiation in the fiber. The use of such modules is appropriate for adjusting the radiation phase with a power of up to several watts in the channel. The use of fiber phase adjustment modules allows you to compensate for phase noise with a frequency of up to 20 kHz.
Подстройка фазы в устройстве для многоканального усиления лазерного излучения также может осуществляться с помощью модулей сдвига фазы на открытой оптике, например с помощью перемещаемых зеркал (адаптивная оптика). Такие модули сдвига фазы обеспечивают меньший частотный диапазон (как правило, до 1-2 кГц), однако позволяют существенно повысить допустимую мощность основного излучения, проходящего через канал.Phase adjustment in a device for multi-channel amplification of laser radiation can also be carried out using phase shift modules in open optics, for example using movable mirrors (adaptive optics). Such phase shift modules provide a smaller frequency range (usually up to 1-2 kHz), however, they can significantly increase the allowable power of the main radiation passing through the channel.
В устройстве для многоканального усиления лазерного излучения коллиматоры, с помощью которых излучение выводится из оптоволокна, предпочтительно собирать в гексагональном порядке в единый модуль с возможностью подстройки - направления оптических осей каждого отдельного коллиматора. Такое размещение коллиматоров позволяет максимально сблизить их оптические оси и тем самым повысить яркость излучения на мишени.In the device for multi-channel amplification of laser radiation, the collimators with which the radiation is extracted from the optical fiber, it is preferable to assemble in a hexagonal order into a single module with the ability to adjust - the direction of the optical axes of each individual collimator. This arrangement of collimators makes it possible to bring their optical axes closer together and thereby increase the brightness of the radiation on the target.
Рис.1. Схема когерентного оптического усилителя лазерного излучения.Fig. 1. Schematic of a coherent optical laser amplifier.
Рис.2. Схематическое изображение коллиматорного модуля с гексагонально-расположенными коллиматорами.Fig. 2. Schematic illustration of a collimator module with hexagonal collimators.
Рис.3. Схема подстройки фазы в когерентном оптическом усилителе.Fig. 3. Phase adjustment circuit in a coherent optical amplifier.
Пример реализации способа усиления лазерного излучения и устройства для его реализации (Рис.1).An example implementation of a method for amplifying laser radiation and a device for its implementation (Fig. 1).
На вход усилителя 2 подается поляризованное излучение с внешнего источника 1, который выполнен на основе монохроматического полупроводникового DFB лазера с волоконным выходом на РМ волокне (волокно с сохранением поляризации). С выхода усилителя 2 основное лазерное излучение попадает на волоконный делитель 3, с помощью которого делится на основное и эталонное излучение. Основное излучение направляется на делитель 4, где происходит его разделение на N каналов и дальнейшее усиление с помощью усилителей 5.The input of amplifier 2 is fed by polarized radiation from an external source 1, which is made on the basis of a monochromatic semiconductor DFB laser with a fiber output on a PM fiber (fiber with preservation of polarization). From the output of amplifier 2, the main laser radiation enters the fiber divider 3, with which it is divided into the main and reference radiation. The main radiation is directed to a divider 4, where it is divided into N channels and further amplified by
После усилителей 5 основное излучение направляется в модули подстройки фазы 6. После модулей подстройки фазы 6 излучение выводится из оптоволокна с помощью коллиматоров 7. Коллиматоры 7 собраны в модуле 8 в гексагональном порядке. На рис.2 приведен пример коллиматорного модуля на 7 каналов. В модуле 8 предусмотрена возможность отклонения лучей в пределах нескольких угловых минут для подстройки параллельности выходящих лучей или незначительного их наклонения для нацеливания лучей на близко расположенную мишень М. Выходящие из коллиматоров лучи приблизительно параллельны. Небольшая часть основного излучения, называемая контрольным излучением, отражается от стеклянной пластины 9 и направляется на матричные многоэлементные фотодетекторы 10, пройдя через полупрозрачные зеркала 11 и 12. Общее количество многоэлементных фотодетекторов 10 равно N.After
Лучи контрольного излучения, отраженные от полупрозрачного зеркала 11, собираются вместе и фокусируются с помощью линзы 13 на диафрагме 14, расположенной перед одноканальным фотодетектором 15.The rays of the control radiation reflected from the translucent mirror 11 are collected together and focused using a lens 13 on the diaphragm 14 located in front of the single-channel photodetector 15.
Оптоволоконные усилители и пассивные оптоволоконные элементы, используемые в данной схеме, изготовлены на основе РМ волокна, сохраняющего поляризацию излучения.Fiber optic amplifiers and passive fiber optic elements used in this circuit are made on the basis of PM fiber, which preserves the polarization of radiation.
Способ когерентного усиления лазерного излучения на примере предлагаемого устройства осуществляется в следующем порядке.The method of coherent amplification of laser radiation on the example of the proposed device is carried out in the following order.
Внешний источник поляризованного лазерного излучения 1 генерирует основное лазерное излучение высокой степени когерентности с шириной спектральной линии 10 кГц. Далее основное лазерное излучение подается на вход предварительного волоконного усилителя мощности 2. С выхода усилителя 2 основное лазерное излучение попадает на волоконный делитель 3, с помощью которого делится на основное и эталонное излучение.An external source of polarized laser radiation 1 generates the main laser radiation of a high degree of coherence with a spectral line width of 10 kHz. Next, the main laser radiation is fed to the input of the preliminary fiber power amplifier 2. From the output of the amplifier 2, the main laser radiation enters the fiber divider 3, with which it is divided into the main and reference radiation.
Основное излучение направляется на делитель 4, где происходит его разделение на N каналов и дальнейшее усиление с помощью усилителей 5. После усилителей 5 основное излучение направляется в модули подстройки фазы 6. После модулей подстройки фазы 6 излучение выводится из оптоволокна с помощью коллиматоров 7. Коллиматоры 7 собраны в едином модуле 8 с минимальным расстоянием между оптическими осями и имеют возможность подстройки направления оптических осей.The main radiation is directed to a divider 4, where it is divided into N channels and further amplified by
Выходящие из коллиматоров 7 лучи основного излучения проходят сквозь стеклянную пластину 9 и фокусируются на удаленной мишени М. Кроме того, контрольное излучение отражается от стеклянной пластины 9 и, пройдя через полупрозрачные зеркала 11 и 12, направляется на матричные многоэлементные фотодетекторы 10, в которых осуществляется их преобразование в электрический сигнал.The rays of the main radiation emerging from the
Лучи контрольного излучения, отраженные от полупрозрачного зеркала 11, собираются вместе и фокусируются с помощью линзы 13 на диафрагме 14, расположенной перед одним одноканальным фотодетектором 15.The rays of the control radiation reflected from the translucent mirror 11 are collected together and focused using a lens 13 on the diaphragm 14 located in front of one single-channel photodetector 15.
Эталонный сигнал с выхода волоконного делителя 3 направляется на делитель 16, с помощью которого эталонный сигнал делится на N каналов и с помощью коллиматоров 17 выводится из волокна. Эталонный сигнал проходит через светофильтры с переменной плотностью 18 и направляется с помощью полупрозрачного зеркала 12 на матричные многоэлементные фотодетекторы 10. С помощью светопоглощающего блока 19 происходит гашение части контрольного и эталонного излучения, отраженного от полупрозрачного зеркала 12 и не используемого для детектирования.The reference signal from the output of the fiber divider 3 is sent to the divider 16, with which the reference signal is divided into N channels and with the help of collimators 17 is derived from the fiber. The reference signal passes through filters with a variable density 18 and is sent using a translucent mirror 12 to the array of multi-element photodetectors 10. With the help of the light-absorbing unit 19, a part of the control and reference radiation reflected from the translucent mirror 12 and not used for detection is suppressed.
Для получения четкой интерференционной картины абсолютные интенсивности лучей, попадающих на матрицы-фотодетекторы 10, выравниваются с помощью светофильтров 18 с переменной плотностью.To obtain a clear interference pattern, the absolute intensities of the rays incident on the photodetector arrays 10 are aligned using variable-density filters 18.
Оптический сигнал обрабатывается циклически в следующем порядке (рис.3).The optical signal is processed cyclically in the following order (Fig. 3).
В матрицах-фотодетекторах 10 происходит преобразование интерференционной картины, получаемой при сведении контрольного и эталонного лучей на фотодетекторе для каждого канала, в аналоговый электрический сигнал, который показывает распределение интенсивности оптического излучения на матрице фотодетектора 10. Для детектирования предпочтительно использовать матричные многоэлементные фотодетекторы с, по меньшей мере, 128 или 256 каналами. При сдвиге фазы контрольного излучения относительно эталонного полосы интерференции сдвигаются в плоскости матрицы. Аналоговый электрический сигнал с помощью АЦП преобразуется в цифровой сигнал и направляется в ЭВМ, что позволяет при сдвиге фазы контрольного излучения относительно эталонного излучения с помощью ЭВМ регистрировать величину и направление сдвига интерференционной картины.In the photodetector arrays 10, the interference pattern obtained by converting the reference and reference beams on the photodetector for each channel is converted into an analog electrical signal that shows the distribution of the optical radiation intensity on the photodetector matrix 10. For detection, it is preferable to use multi-element matrix photodetectors with at least least 128 or 256 channels. When the phase shift of the control radiation relative to the reference interference band shifts in the plane of the matrix. Using an ADC, an analogue electrical signal is converted into a digital signal and sent to a computer, which allows the magnitude and direction of the shift of the interference pattern to be recorded with a computer using a phase shift of the control radiation relative to the reference radiation.
Параллельно (в этом же цикле) измеряется интенсивность суммарного излучения, получаемого при сведении вместе всех лучей контрольного излучения на фотодетекторе 15. Полученный с фотодетектора 15 аналоговый электрический сигнал с помощью АЦП2 преобразуется в цифровой и направляется в ЭВМ.In parallel (in the same cycle), the intensity of the total radiation obtained by bringing together all the beams of the control radiation at the photodetector 15 is measured. The analogue electrical signal received from the photodetector 15 is converted into a digital signal using ADC2 and sent to a computer.
Затем с помощью ЭВМ осуществляется компьютерная обработка цифрового сигнала (поступившего из АЦП и АЦП2), при этом рассчитывается величина и направление сдвига фазы отдельно для каждого канала и формируются с помощью ЦАП управляющие сигналы U1(t), U2(t)…UN(t), для компенсации сдвига фазы с помощью модулей подстройки фазы 6. В результате подстройки фазы излучения в каждом канале, на выходе коллиматоров 7 мы получаем многоканальное оптическое излучение, стабилизированное для каждого из каналов, фазы которых взаимно подстроены между собой. Это позволяет скомпенсировать фазовый шум, вносимый усилителями 5, и получить когерентное излучение с высокой интенсивностью и хорошим качеством луча.Then, a computer processes the digital signal (received from the ADC and ADC2) using a computer, and the magnitude and direction of the phase shift are calculated separately for each channel and control signals U 1 (t), U 2 (t) ... U N are generated using the DAC (t), to compensate for the phase shift with the help of phase adjustment modules 6. As a result of the adjustment of the radiation phase in each channel, at the output of the
Таким образом, предложенные способ усиления лазерного излучения и устройство для его осуществления позволяют добиться многократного усиления без потери когерентных свойств излучения, что позволяет получить монохроматический пучок лазерного излучения, максимально приближенный по параметрам к гауссовскому пучку. Стабилизация фазы каждого из каналов и их взаимная подстройка в предлагаемой группе изобретений позволяют увеличить долю излучения, присутствующего в главной моде, с примерно 20% при отсутствии подстройки фазы до 90-97% при включенной активной стабилизации.Thus, the proposed method of amplification of laser radiation and a device for its implementation can achieve multiple amplification without loss of coherent radiation properties, which allows to obtain a monochromatic laser beam, as close as possible to the parameters of a Gaussian beam. The phase stabilization of each channel and their mutual adjustment in the proposed group of inventions can increase the fraction of radiation present in the main mode from about 20% in the absence of phase adjustment to 90-97% when active stabilization is turned on.
Предлагаемый способ и устройство могут найти применение, например, в лидарных устройствах, в системах связи и управления космическими летательными аппаратами, передачи информации по лазерному лучу в космических условиях на большие и сверхбольшие расстояния.The proposed method and device can find application, for example, in lidar devices, in communication systems and control of spacecraft, the transmission of information through a laser beam in space conditions over large and very large distances.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010127743/28A RU2470334C2 (en) | 2010-07-05 | 2010-07-05 | Method of amplifying laser radiation and apparatus for realising said method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010127743/28A RU2470334C2 (en) | 2010-07-05 | 2010-07-05 | Method of amplifying laser radiation and apparatus for realising said method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010127743A RU2010127743A (en) | 2012-01-10 |
| RU2470334C2 true RU2470334C2 (en) | 2012-12-20 |
Family
ID=45783546
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010127743/28A RU2470334C2 (en) | 2010-07-05 | 2010-07-05 | Method of amplifying laser radiation and apparatus for realising said method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2470334C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5790721A (en) * | 1995-02-21 | 1998-08-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Low-noise fiber-optic amplifier utilizing polarization adjustment |
| US5946130A (en) * | 1997-10-03 | 1999-08-31 | Mcdonnell Douglas Corporation | Optical fiber amplifier network having a coherently combined output and high-power laser amplifier containing same |
| EP1074108A1 (en) * | 1998-04-21 | 2001-02-07 | Optimight Communications Inc. | Method and system for optical multichannel transmission using coherence division multiplexing with optical filtering |
| US6366356B1 (en) * | 1999-04-01 | 2002-04-02 | Trw Inc. | High average power fiber laser system with high-speed, parallel wavefront sensor |
-
2010
- 2010-07-05 RU RU2010127743/28A patent/RU2470334C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5790721A (en) * | 1995-02-21 | 1998-08-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Low-noise fiber-optic amplifier utilizing polarization adjustment |
| US5946130A (en) * | 1997-10-03 | 1999-08-31 | Mcdonnell Douglas Corporation | Optical fiber amplifier network having a coherently combined output and high-power laser amplifier containing same |
| EP1074108A1 (en) * | 1998-04-21 | 2001-02-07 | Optimight Communications Inc. | Method and system for optical multichannel transmission using coherence division multiplexing with optical filtering |
| US6366356B1 (en) * | 1999-04-01 | 2002-04-02 | Trw Inc. | High average power fiber laser system with high-speed, parallel wavefront sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010127743A (en) | 2012-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7436588B2 (en) | Method and system for hybrid coherent and incoherent diffractive beam combining | |
| US7346085B1 (en) | Multi-stage method and system for coherent diffractive beam combining | |
| US7468832B2 (en) | Method and system for coherent beam combining using an integrated diffractive beam combiner and sampler | |
| US7440174B2 (en) | Coherent fiber diffractive optical element beam combiner | |
| Zhou et al. | Coherent beam combining of fiber amplifiers using stochastic parallel gradient descent algorithm and its application | |
| US7884997B2 (en) | System and method for coherent beam combination | |
| US7756169B2 (en) | Diffractive method for control of piston error in coherent phased arrays | |
| US7733930B2 (en) | Error control for high-power laser system employing diffractive optical element beam combiner with tilt error control | |
| CN107463007B (en) | Dual-channel phase jitter suppression device and method for Raman laser system | |
| US7729398B2 (en) | Error control for high-power laser system employing diffractive optical element beam combiner | |
| US8995049B2 (en) | Method and apparatus for suppression of stimulated brillouin scattering using polarization control with a birefringent delay element | |
| JP2006128692A (en) | Amplified beam source | |
| CN107870441B (en) | Optical fiber laser coherent synthesis method based on digital holography | |
| CN111473873A (en) | Coherent array light beam phase error detection device and coherent synthesis phase-locked system | |
| EP2774228A1 (en) | Multichannel polarization stabilization employing synchronous phase-locking methods | |
| Ma et al. | Coherent beam combination of 137 W fiber amplifier array using single frequency dithering technique | |
| RU2470334C2 (en) | Method of amplifying laser radiation and apparatus for realising said method | |
| US11735885B2 (en) | Laser device | |
| CN112202040B (en) | Laser array piston phase control method | |
| Su et al. | Coherent combing of 60 fiber lasers using stochastic parallel gradient descent algorithm | |
| JP5438576B2 (en) | Laser amplification apparatus and laser amplification method | |
| Saucourt et al. | Random scattering and optimization for phase control of a laser beam array | |
| CN117629426B (en) | Optical wavelength measurement method and system capable of tracing to high-accuracy time-frequency reference | |
| JP5231554B2 (en) | Frequency stabilized laser device and laser frequency stabilizing method | |
| CN114628979A (en) | Laser coherent array phase calibration and regulation method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130706 |