【摘要】：光纖激光陣列技術(shù)作為一種多光束相干合成方法,可實現(xiàn)高亮度、高光束質(zhì)量的激光輸出,是未來高能激光系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。該技術(shù)同時也是自適應光學在光纖激光技術(shù)上的重要應用,隨著新型光纖集成像差校正器件的發(fā)展,光纖激光陣列的像差校正能力得到進一步提升。光纖激光陣列技術(shù)目前還處于實驗室相干合成的研究階段,未來需要面對實際大氣湍流條件下遠距離傳輸?shù)膽锰魬?zhàn),需對光纖激光陣列大氣傳輸過程中的全程像差進行校正。全程像差包括陣列光束本身的相位噪聲、傾斜誤差等像差,還包括陣列至目標路徑上的大氣湍流像差。全程像差校正是實現(xiàn)到達目標上合成光束質(zhì)量和光功率密度最優(yōu)化的必要條件�，F(xiàn)有校正方法以目標在回路的盲優(yōu)化方法為代表,校正效率低和迭代速度慢,不適合遠距離和陣列規(guī)模較大的場景。本文將傳統(tǒng)自適應光學中波前探測和像差預補償校正的辦法與光纖激光陣列結(jié)合起來,探索新的陣列傳輸像差校正辦法。本文主要圍繞光纖激光陣列大氣傳輸像差校正的問題展開系統(tǒng)性研究。主要研究內(nèi)容分為五個部分。首先建立光纖激光陣列大氣傳輸?shù)幕灸Ｐ?分析影響相干合成效果的各種因素;對比研究不同湍流強度及不同單元數(shù)情況下,無湍流補償時相干合成和非相干合成條件下遠場性能指標的變化規(guī)律。在仿真分析湍流像差對陣列大氣傳輸影響的基礎上討論單孔徑像差校正對遠場相干合成的改善作用;分析單孔徑低階湍流像差校正,包括活塞、傾斜像差、離焦,對陣列遠場相干合成性能指標的提升作用;討論單元孔徑高階像差校正對強湍流像差校正的必要性及效益。仿真結(jié)果證明了單元孔徑上活塞像差和傾斜像差的校正的必要性,以及強湍流條件下單孔徑上更高階像差校正的必要性。其次,從耦合接收和光束發(fā)射兩方面入手,對光纖激光陣列單元傾斜像差校正進行仿真分析和實驗驗證。仿真分析傾斜像差校正對陣列整體耦合效率的提升作用,以自適應光纖準直器(AFOC)作為傾斜執(zhí)行器件,并采用隨機并行梯度下降(SPGD)算法,以耦合效率為優(yōu)化的性能指標對傾斜像差進行迭代校正;實驗上進行了兩單元AFOC的共孔徑雙向傳輸,利用SPGD算法實現(xiàn)模擬湍流下波前畸變光束至單模光纖耦合效率的提升,同時增強了陣列出射光束的遠場集中度。結(jié)果證明主動光纖耦合同時起到提升陣列耦合效率和傾斜像差預補償校正的作用。再次,對基于最優(yōu)化光纖耦合的傾斜控制方法應用于7單元AFOC陣列的相干合成進行了實驗研究。建立了最優(yōu)化光纖耦合的傾斜控制方法的模型;利用目標處桶中功率(PIB)作為鎖相控制的性能指標,同時利用各路AFOC耦合接收光功率作為傾斜像差控制的性能指標,采用SPGD算法實現(xiàn)了7單元光纖激光陣列活塞像差和傾斜像差的并行校正。7單元AFOC的歸一化耦合接收光功率從開環(huán)時的0.76提升至閉環(huán)時的0.94,相干合成后PIB提升4.6倍,相位控制殘差小于λ/15。實驗結(jié)果表明,最優(yōu)化光纖耦合能夠?qū)崿F(xiàn)與鎖相并行的傾斜像差校正,且各單元傾斜控制相互獨立,這使得傾斜像差校正擺脫了陣列單元數(shù)的限制,因此具備了實時校正湍流像差的能力。再者,針對現(xiàn)有盲優(yōu)化湍流像差校正方法的收斂速度和控制帶寬隨傳輸距離和單元數(shù)增大而下降的弊端,提出一種能與光纖激光陣列緊密結(jié)合的新架構(gòu)波前傳感器。建立了基于AFOC陣列的波前傳感器結(jié)構(gòu),詳述了其波前復原過程;對該傳感器探測湍流像差的過程進行了數(shù)值仿真,分析了不同湍流條件和不同陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)下模式復原法的最優(yōu)Zernike階數(shù);數(shù)值仿真分析了理想校正復原出的活塞像差和傾斜像差對相干合成遠場性能指標的改善作用。仿真結(jié)果表明,基于AFOC陣列主動波前復原的湍流像差預補償校正能夠極大提升陣列相干合成效率。最后,利用玻璃像差板驗證了7單元AFOC陣列的波前探測。通過像差板加入前后各AFOC上執(zhí)行電壓差來反演像差板在單元孔徑上的斜率,并通過模式法復原出畸變波前。兩像差板除整體傾斜像差外的波前RMS值分別為0.433μm和0.647μm,復原殘差分別小于0.0749μm和0.116μm。實驗同時研究了基于主動波前復原的活塞像差預補償校正,驗證其對AFOC光纖激光陣列經(jīng)像差板傳輸后相干合成遠場性能指標的提升作用,結(jié)果表明該方法能夠同時校正傾斜像差和活塞像差,獲得了與理想校正近乎一致的校正效果。
【圖文】：

合成研究現(xiàn)狀的綜述。充方式方式，一種是準直器陣列直陣列的反射來進行拼接的方式式的優(yōu)點是十分明顯的，其空比，而且很容易集成到傳統(tǒng)的室外應用。其缺點就是有限 年，美國的 Dayton 大學和陸，利用該陣列在 7km 距離上所用的 AFOC 陣列實物圖如圖FOC 陣列，并利用該陣列在物圖如圖 1-3(b)所示。2013 年 7 單元 AFOC 陣列實現(xiàn)了 7 路圖 1-3(c)所示。

光路光程的一種方式，還可以通過空間延遲線等其他的技術(shù)手段實現(xiàn)相同功能，但光纖延遲線較容易與整個光纖系統(tǒng)集成，結(jié)構(gòu)上更為緊湊，因此現(xiàn)有相干合成系統(tǒng)中多以光纖延遲線作為光程匹配器件�，F(xiàn)有商品化的光纖延遲線可以做到調(diào)節(jié)范圍幾個厘米，延遲控制精度達到亞微米量級[74]。相位調(diào)制器是光纖激光相干合成系統(tǒng)中的核心關鍵器件，將光纖激光陣列中各路光束的相位差鎖定在 2π 的整數(shù)倍，以產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉。常見的相位調(diào)制器有鈮酸鋰(LiNbO3)相位調(diào)制器和壓電陶瓷環(huán)相位調(diào)制器。LiNbO3相位調(diào)制器可執(zhí)行帶寬達到 10GHz 量級，是現(xiàn)有的所有像差校正器件中帶寬最高的，是傳統(tǒng)自適應光學系統(tǒng)中變形鏡帶寬(約 10kHz)的 105至 106倍。其缺點就是功率低、損耗大。壓電陶瓷環(huán)相位調(diào)制器在一定尺寸的壓電陶瓷環(huán)上纏繞光纖，通過電壓驅(qū)動壓電陶瓷帶動光纖的伸縮來調(diào)制光纖中激光束的相位，，其優(yōu)點為功率高、損耗低，但帶寬只有幾十kHz。圖13(a)為iXblue公司的一款帶寬為20GMHz的相位調(diào)制器[75]，可工作在 980nm 至 1150nm。圖 13(b)為 OPTIPHASE 公司的一款壓電陶瓷環(huán)相位調(diào)制器[76]，執(zhí)行相位精度為 0.035μm/V，最大可執(zhí)行±17.5μm 的相位偏移，一階諧振頻率約為 55kHz。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN24

【參考文獻】

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本文編號：2570831