[发明专利]光纤激光阵列活塞相位与倾斜相位同步控制系统及方法

说明书

光纤激光阵列活塞相位与倾斜相位同步控制系统及方法，利用高速相机探测参考光与缩束后的光纤激光阵列在高速相机的靶面处重合并发生干涉后所产生的干涉条纹图像，将干涉条纹图像按照光纤激光阵列中子光束进行光束分离，根据分离出的每一个子光束区域内条纹的分布情况，得到各单元光束的活塞相位误差和倾斜相位误差，进而生成各相位调制器和各自适应光纤准直器的控制信号，使得所有子激光的倾斜相位、活塞相位控制到分别与参考光的倾斜相位、活塞相位一致，驱动对应的相位调制器与自适应光纤准直器，实现倾斜相位与活塞相位的同步控制。本发明实现了从光学层次上倾斜相位误差与活塞相位误差的解耦，进一步提升了相干合成的合成效率。

技术领域

本发明涉及光纤激光相干合成技术领域，特别是涉及一种采用高速相机对光纤激光阵列进行实时倾斜与活塞同步锁定的相位控制系统及方法。

背景技术

激光阵列相干合成技术是获得高功率激光同时保持高的光束质量的重要方法之一，可以广泛应用于激光通信、相控阵激光雷达等领域。

光纤激光相干合成系统多使用主振荡器功率放大结构实现，激光阵列来自于同一路种子激光以保证光束之间的相干性，但是由于激光阵列分别经历了不同光程，子光束之间的活塞相位大相径庭。另外由于子光束之间的发射装置彼此独立，因此出射光轴彼此存在倾斜误差。在相干合成领域，激光阵列的活塞相位与倾斜相位误差是导致合成效果下降、引起合成光斑亮度降低的主要因素，因此在相干合成系统中，要采用闭环控制系统对活塞相位与倾斜相位进行实时矫正，保持合成光束的光束质量。

图1为申请人之前采用的一种光纤激光阵列相位与倾斜闭环控制系统的结构示意图。该系统是基于主振荡器功率放大(英文名称为Master Oscillator Power Amplifier，简称MOPA)结构设计，由种子光纤激光器101、光纤分束器102、多个相位调制器103、多个光纤放大器104、多个自适应光纤准直器105、激光合束器106、活塞相位控制系统107、倾斜相位控制系统108组成。通过该系统的核心思想是将倾斜与活塞分离闭环，实现活塞相位与倾斜相位误差的实施矫正。但是该系统没有从根本上解除倾斜相位与活塞相位的耦合关系，在控制策略上是使用倾斜相位噪声与活塞相位噪声的特征频率不同，使得在控制过程中，活塞相位的控制特性没有受到太大影响，但是在大阵元光纤激光控制系统或者强噪声环境下，两种相位噪声之间的耦合效应将影响相位控制系统的控制效果，因此图1所示的锁相系统方案不适合作为光纤激光阵列在强噪声条件下同时控制激光阵列的倾斜与活塞相位。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种新的光纤激光阵列活塞相位与倾斜相位同步控制系统及方法。本发明基于高速相机实现光纤激光阵列倾斜相位与活塞相位同步控制方，采用本发明实现了从光学层次上倾斜相位误差与活塞相位误差的解耦，完成了只使用一个光学参数探测器件——高速相机就完成倾斜相位误差与活塞相位误差的同步高频控制的系统设计，进一步提升了相干合成的合成效率。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

光纤激光阵列活塞相位与倾斜相位同步控制系统，包括种子激光器、激光分束器、光纤相位调制器、激光放大器、激光扩束准直器、自适应光纤准直器、分光镜、采样控制单元；

种子激光器输出种子激光；激光分束器为1×(N+1)阵列激光分束器，将种子激光分为N+1个子激光，其中N路子激光用于MOPA结构相干合成输出，1路子激光用作参考光；

光纤相位调制器有N个，激光分束器输出的N路子激光的N个输出端分别连接一个光纤相位调制器，N个光纤相位调制器分别用于锁定N路子激光的活塞相位；

激光放大器有N+1个，其中N个激光放大器连接在光纤相位调制器的输出端，对光纤相位调制器输出的子激光进行放大；激光分束器输出参考光的输出端连接一个激光放大器，对参考光进行放大，放大后的参考光输入到激光扩束准直器，用于参考光的扩束与准直，使得参考光的尺寸与高速相机的靶面尺寸相匹配；