一種光參量振蕩器陣列相干組束系統(tǒng)及主動(dòng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高功率光纖激光陣列相干組束技術(shù)，具體是指一種光參量振蕩器陣列 相干組束系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用全固態(tài)激光器或光纖激光器泵浦周期極化晶體實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配（QPM)的光 學(xué)參量振蕩器（Optical Parameter Oscillator-OPO)，是獲得可調(diào)諧中紅外光源的有效途 徑，具有重要的研宄意義和實(shí)用價(jià)值。但是，受到熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)以及周期性極化晶體 物理?yè)p傷閾值的限制，單臺(tái)中紅外光參量振蕩器無(wú)法達(dá)到很高的輸出能量或功率，并同時(shí) 保持高的光束質(zhì)量。而多臺(tái)激光器可以通過(guò)相干合成技術(shù)對(duì)光場(chǎng)施行一定的相干調(diào)控，從 而實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出，同時(shí)改善光束質(zhì)量。
[0003]目前，相干合成技術(shù)在非線性頻率變換領(lǐng)域應(yīng)用的報(bào)道很少，且主要是采用基頻 光合成后再應(yīng)用的方式，其實(shí)質(zhì)依然是基頻光的相干合成。由于相位調(diào)制器和非線性晶體 在熱性能、機(jī)械性能以及抗損傷閾值上均遠(yuǎn)遜于激光介質(zhì)材料，因此這種合成方式限制了 其功率擴(kuò)展性。利用光參量振蕩器陣列光束光場(chǎng)相位的非線性關(guān)聯(lián)性，并結(jié)合高速并行化 的相位控制方法，通過(guò)置于放大器前端的相位調(diào)制器調(diào)芐基頻光相位以鎖定中紅外光參量 振蕩器陣列光束間的相位，實(shí)現(xiàn)中紅外光波主動(dòng)鎖相相干合成，從而提高中紅外波段固體 激光的輸出功率水平和光束質(zhì)量，對(duì)中紅外固體激光的發(fā)展和應(yīng)用具有較大的推動(dòng)作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種光參量振蕩器陣列相干組束系統(tǒng)，達(dá)到通過(guò)置于光纖 放大器前端的相位調(diào)制器來(lái)調(diào)芐基頻光相位以鎖定中紅外光參量振蕩器陣列光束間的相 位的目的，實(shí)現(xiàn)中紅外光波的主動(dòng)鎖相相干合成。
[0005]本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種光參量振蕩器陣列相干組束系統(tǒng)，其特征在于：包括光纖種子源模塊、光纖放 大模塊、光參量振蕩放大模塊、光電探測(cè)模塊以及主動(dòng)相位控制模塊；其中
[0007]光纖種子源模塊：產(chǎn)生種子光并將種子光分為多路子光束；
[0008] 光纖放大模塊：用于將各個(gè)子光束進(jìn)行功率放大；
[0009]光參量振蕩放大模塊：用于產(chǎn)生光參量振蕩子光束并進(jìn)行功率放大；
[0010] 光電探測(cè)模塊：用于將放大后的各個(gè)光參量振蕩子光束進(jìn)行相干合成輸出，并探 測(cè)光束陣列合成的環(huán)圍光強(qiáng)；
[0011] 主動(dòng)相位控制模塊：將光電探測(cè)模塊探測(cè)到的合成光束環(huán)圍光強(qiáng)，作為反饋輸入 信號(hào)，控制光纖放大器陣列的相位，使得各個(gè)光參量振蕩子光束的相位一致，形成閉環(huán)控 制。
[0012] 所述的光纖種子源模塊包括：光纖激光器，作為光纖激光輸入端產(chǎn)生種子光；光 纖分路器，用于將光纖激光器產(chǎn)生的種子光進(jìn)行分束，將一束激光分成多路的子光束。本 發(fā)明的光纖種子源模塊不需要本振參考光作為基準(zhǔn)，利用光纖分路器將光源分成多個(gè)子光 束，這些子光束之間的基本性能相類似，直接可以用于后續(xù)的控制，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的以 本振參考光作為基準(zhǔn)的方式，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，有利于實(shí)現(xiàn)高效輸出。
[0013] 所述光纖放大模塊包括：N路保偏光纖放大器，N為正整數(shù)，用于將經(jīng)過(guò)主動(dòng)相位 控制模塊的各個(gè)子光束進(jìn)行功率放大；準(zhǔn)直器陣列：用于將各放大子光束進(jìn)行準(zhǔn)直，使各 個(gè)子光束的方向相互平行輸出；反射鏡：將光纖準(zhǔn)直輸出的光束進(jìn)行反射；合束棱鏡：用于 將經(jīng)過(guò)反射鏡的各子光束進(jìn)行反射并平行輸出。
[0014] 所述的光參量振蕩放大模塊包括：
[0015] 短焦透鏡：將合束棱鏡輸出的光束進(jìn)行聚焦，并輸出至光參量振蕩放大器前腔 鏡；
[0016] 光參量振蕩放大器前腔鏡：對(duì)短焦透鏡聚焦的光束高透，對(duì)中紅外光參量振蕩光 束尚反；
[0017] 光參量振蕩介質(zhì)晶體：產(chǎn)生并放大中紅外光參量振蕩光束；
[0018] 光參量振蕩放大器后腔鏡：對(duì)光參量振蕩介質(zhì)晶體產(chǎn)生的中紅外光參量振蕩光束 一部分反射，另一部分透過(guò)。
[0019] 所述的光電探測(cè)模塊包括分束鏡、長(zhǎng)焦透鏡、小孔光闌、以及光電探測(cè)器；其中分 束鏡將光參量振蕩放大模塊輸出的中紅外光參量振蕩光束分為透射光束和反射光束，其中 透射光束平行輸出，反射光束被長(zhǎng)焦透鏡聚焦通過(guò)小孔光闌進(jìn)入到光電探測(cè)器。
[0020] 所述的主動(dòng)相位控制模塊包括光學(xué)部分和電路部分，其中光學(xué)部分包括各子光束 經(jīng)過(guò)的光纖波導(dǎo)型鈮酸鋰相位控制器，是光束相位控制的執(zhí)行器件；電路部分包括相位控 制電路，相位控制電路將光電探測(cè)器采集到的環(huán)圍光強(qiáng)信號(hào)作為電路輸入信號(hào)控制鈮酸鋰 相位控制器輸出。
[0021] 所述的相位控制電路包括依次連接的輸入信號(hào)J、衰減電路、AD9244、FPGA，其中 FPGA輸出的2個(gè)通道信號(hào)分別依次經(jīng)過(guò)D/A、IV運(yùn)放、±5V運(yùn)放，±5V運(yùn)放輸出1至2個(gè) 通道至光纖波導(dǎo)型鈮酸鋰相位控制器（3)進(jìn)行相位控制。
[0022] 一種光參量振蕩器陣列相干組束系統(tǒng)的主動(dòng)控制方法，在主動(dòng)控制模塊中u = {+}，Ui代表第i個(gè)子光束相位控制器單玻片上的控制電壓，其控制過(guò)程包括以下步驟：
[0023] (a)對(duì)各控制通道同時(shí)施加隨機(jī)擾動(dòng)S Ui= { S u /，S Ui2}，S屮為統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的隨 機(jī)變量，并且方差相等，均值為零，概率密度關(guān)于均值對(duì)稱，即：
[0024] 〈 8 uj = 0，〈 8 w 8 Uj〉= 〇 2 8 u
[0025] (b)給各個(gè)通道施加正向擾動(dòng)電壓S u，得到評(píng)價(jià)函數(shù)：J+= J(u+ S u);
[0026] (c)施加負(fù)向擾動(dòng)電壓_ S u給各個(gè)通道，得到評(píng)價(jià)函數(shù)：r= J(u- S u);
[0027] (d)每輪迭代過(guò)程中，對(duì)一組隨機(jī)變量{ S UJ分別施加正向和負(fù)向擾動(dòng)之后，得到 評(píng)價(jià)函數(shù)的改變量：
[0028]
[0029] (e)則根據(jù)算法可以得到下一步迭代的控制電壓：
[0030]
[0031] 其中，Yn為第n步的松弛因子即增益系數(shù)；經(jīng)過(guò)多次迭代，評(píng)價(jià)函數(shù)J沿著梯度 方向快速收斂到最大值，從而實(shí)現(xiàn)光參量振蕩光束相位的控制，獲得高效穩(wěn)定地相干合成 輸出。
[0032]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0033] 1本發(fā)明一種光參量振蕩器陣列相干組束系統(tǒng)及主動(dòng)控制方法，根據(jù)光參量振蕩 器陣列光束相位的非線性關(guān)聯(lián)性，利用置于放大器前端的相位調(diào)制器調(diào)芐基頻光相位以鎖 定中紅外波段光參量振蕩器陣列光束間的相位，實(shí)現(xiàn)中紅外光波的主動(dòng)鎖相相干合成，光 路結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性強(qiáng)，體積小，相比于現(xiàn)有中紅外固體激光相干合成技術(shù)中采用基頻光合 成后再應(yīng)用的方式，能夠較大程度地解決相位調(diào)制器和光參量振蕩非線性晶體的強(qiáng)光熱損 傷問(wèn)題，可以極大地提高中紅外合成光束的功率擴(kuò)展性；
[0034] 2本發(fā)明一種光參量振蕩器陣列相干組束系統(tǒng)及主動(dòng)控制方法，不需要相位相關(guān) 檢測(cè)過(guò)程，優(yōu)化算法運(yùn)行控制速度快，合成路數(shù)多，電路簡(jiǎn)單可靠，便于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0035]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部 分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：
[0036] 圖1為本發(fā)明原理框圖旋轉(zhuǎn)90°后的視圖；
[0037] 圖2為本發(fā)明主動(dòng)相位控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖；
[0038] 圖3為本發(fā)明中相位控制電路的電路框圖。
[0039] 附圖中標(biāo)記及相應(yīng)的零部件名稱：
[0040] 1-光纖激光器，2-光纖分路器，3-光纖波導(dǎo)型鈮酸鋰相位控制器，4-保偏光纖放 大器，5-準(zhǔn)直器陣列，6-反射鏡，7-合束棱鏡，8-短焦透鏡，9-光參量振蕩放大器前腔鏡， 1〇-光參量振蕩介質(zhì)晶體，1卜光參量振蕩放大器后腔鏡，12-分束鏡，13-長(zhǎng)焦透鏡，14-準(zhǔn) 直器陣列，15-小孔光闌。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本 發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說(shuō)明僅用于解釋本發(fā)明，并不作 為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0042] 實(shí)施例
[0043]如圖1至3所示，本發(fā)明一種光參量振蕩器陣列相干組束系統(tǒng)，包括光纖種子源模 塊、光纖放大模塊、光參量振蕩放大模塊、光電探測(cè)模塊以及主動(dòng)相位控制模塊；其中光纖 種子源模塊包括：光纖激光器1選用單頻線偏振單模光纖激光器作為種子光源，其輸出功 率為50mW量級(jí)，線寬為1kHz，功率波動(dòng)〈1 % p-p，波長(zhǎng)穩(wěn)定性<10pm，偏振消光比>20dB， 種子光由尾纖輸出；光纖分路器2,用于將光纖激光器產(chǎn)生的激光束進(jìn)行分束，將一束激光 分成多路的子光束，產(chǎn)生的多路子光束輸送至高速鈮酸鋰相位控制器3控制光束陣列的 相位；各子光束分別經(jīng)過(guò)光纖波導(dǎo)鈮酸鋰相位控制器3后，由保偏光纖放大器4進(jìn)行功率 放大，本實(shí)施例中光纖放大模塊由2路保偏光纖放大器4構(gòu)成，根據(jù)不同的分束路數(shù)，可 以采用相匹配的保偏光纖放大模塊；單路輸入功率>10mW