[发明专利]高精度活塞相位闭环控制方法及系统

说明书

高精度活塞相位闭环控制方法及系统，包括获得激光阵列中每个单元光束的干涉条纹子图像，对每个单元光束的干涉条纹子图像进行二维傅里叶变换，获得每个单元光束的干涉条纹子图像的二维频谱信息分布，进而得到每个单元光束的干涉条纹子图像的二维频谱信息的模函数和幅角函数；在每个单元光束的干涉条纹子图像的二维频谱信息分布中，通过模函数找到参考光束光轴与激光阵列光轴之间夹角对应的频谱参量，通过幅角函数找到所述频谱参量对应的幅角值，所述幅角值为各单元光束的活塞相位噪声取值，用于对单元光束的活塞相位进行补偿，可以实现更小的锁相残差，从而提升了相干合成的合成效率，进一步提升了合成激光的亮度。

技术领域

本发明涉及强激光技术领域，特别是一种光纤激光相干合成系统中高精度活塞相位闭环控制方法及系统。

背景技术

光纤激光因其紧凑波导结构的严格光场约束，具备了光束质量好、热管理方便等优势，近年来在工业加工与科学研究等领域具有广泛应用。然而，单路光纤激光被束缚在纤芯的极小截面内，功率密度的增大更容易激发非线性效应和模式不稳定等现象，制约了光纤激光在保持光束质量的前提下实现功率的进一步提升。采用主振荡器功率放大(英文名称为Master Oscillator Power Amplifier，简称MOPA)的激光相干阵列能够拓展光纤激光阵列数目，降低单路激光的功率密度需求，将热分散到不同链路，从而突破单路激光的输出功率限制，获得更高功率更高亮度的激光输出，是实现高能激光系统的一种典型方案。

但是，如果仅仅是光纤激光阵列的简单功率叠加，只能实现光纤激光阵列的功率叠加，由于不同光纤会引入不同的相位噪声，因此光斑形态会呈现“类高阶模”的光场分布，无法保证输出激光的亮度。为了有效实现亮度的提升，必须对每一路光纤激光实施相位控制以补偿各路之间的相位噪声，使各路光纤激光在目标平面相干叠加。

针对活塞相位控制，根据不同控制方法和不同控制逻辑，可以分为基于间接测量相位噪声幅度实现闭环控制的间接控制法和基于直接测量相位噪声幅度值并进行补偿的直接控制法。间接控制法主要基于优化算法发展而来，典型代表为随机并行梯度下降算法等，然而，这种方法随着激光阵元数目的拓展存在控制带宽下降的问题。直接控制法可以直接获取每一路激光的活塞相位误差值，根据计算得到的每一路激光的活塞相位值进行闭环控制，典型代表为基于线性强度信号解算的干涉条纹提取法、抖动法等。针对抖动法而言，随着阵元的拓展，抖动法的时域与频域拓展受限，从而影响合成路数的拓展。针对基于线性强度信号解算的干涉条纹提取法而言，其依托于干涉条纹的线性强度信号进行计算条纹极值坐标。该方法的计算结果的精度严重受限于每个单元光束的干涉条纹采样分辨率，因此在大阵元合成系统中，每个单元光束的成像区域有限，计算结果与活塞相位噪声之间的误差较大，通过干涉条纹计算得到的活塞相位取值通过闭环的相位控制回路进行活塞相位矫正时将无法严格抵消活塞相位噪声，最终影响合成路数拓展和效率下降。

发明内容

为提升通过干涉条纹计算活塞相位误差的准确度这一难题，本发明提出了一种高精度活塞相位闭环控制方法及系统，其利用二维图像的所有数据进行组合计算获取精确相位信息，解决传统方法仅仅采用线性强度信号一维数据运算时由采样率不足引入的计算精度不足难题，实现大阵元相干合成系统中高精度活塞相位闭环控制。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

高精度活塞相位闭环控制方法，包括：

将种子激光分为两部分，一部分输入到激光阵列相干合成单元用于产生激光阵列，一部分作为参考光束；

获取参考光束光轴与激光阵列光轴之间的夹角；

采集一部分激光阵列相干合成单元产生的激光阵列并对其进行缩束，利用高速相机探测缩束后的激光阵列与参考光束的干涉条纹图像；

按照激光阵列的排布方式将干涉条纹图像进行区域划分，获得激光阵列中每个单元光束的干涉条纹子图像；