光纖激光主動(dòng)相位與偏振自適應(yīng)控制技術(shù)研究.pdf

1、ResearchonactivephaselockingandadaptivepolarizationcontroltechnologyoffiberlasersCandidate：HuangZhimengSupervisor：ProfLiuCangliProfLiJianfengDISSERTATIONSubmittedinPartia】FulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctoro

2、fPhilosophyOpticalScienceChinaAcademyofEngineeringPhysicsMianyang，Sichuan，PRChinaJune，2014摘要高光束質(zhì)量的高能激光在材料處理、工業(yè)加工、醫(yī)療等方面具有廣泛的應(yīng)用。特別是光纖激光，因其光束質(zhì)量好、體積小、效率高等優(yōu)勢(shì)，近些年得到較快發(fā)展，但由于受到熱效應(yīng)和非線性效應(yīng)的限制，單臺(tái)激光器無(wú)法達(dá)到很高的輸出能量，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)

3、光束相干合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)高能激光輸出，同時(shí)改善光束質(zhì)量。在光束相干組束中，相位與偏振控制技術(shù)是其關(guān)鍵。其中，基于主動(dòng)控制的合成效率會(huì)隨著相位調(diào)制頻率和A／D、D／A轉(zhuǎn)換速度的加快而提高，合成數(shù)目、功率擴(kuò)展性較大。因此研究基于高速、并行化的主動(dòng)相位控制技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)大陣列光纖激光高效優(yōu)質(zhì)相干合成，從而提高激光輸出功率水平和光束質(zhì)量，對(duì)高能激光的發(fā)展和應(yīng)用具有較大的推動(dòng)作用。論文對(duì)光束主動(dòng)相位與偏振控制技術(shù)展開(kāi)了理論和實(shí)驗(yàn)研究。系統(tǒng)分析了各種光

4、纖陣列主動(dòng)相位控制方法與光束合成路數(shù)的關(guān)系以及向大陣列擴(kuò)展的潛力，討論了光束主動(dòng)鎖相技術(shù)在光纖陣列、板條放大相干組束中的應(yīng)用以及激光偏振自適應(yīng)控制技術(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題，為高能光纖(固體)激光實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)展提供了參考和建議。論文針對(duì)目前光束陣列相干組束中主要使用的幾種主動(dòng)相位控制方法，包括隨機(jī)并行梯度下降算法(SPGD)、頻域多抖動(dòng)法和時(shí)域單抖動(dòng)法等，進(jìn)行了理論研究，對(duì)各種方法的控制過(guò)程進(jìn)行了建模分析、給出了優(yōu)化的控制參量，判斷能夠?qū)崿F(xiàn)鎖相的控制

5、時(shí)間和控制對(duì)擾動(dòng)的穩(wěn)定性。對(duì)主動(dòng)控制方法包括SPGD、多抖動(dòng)法、單抖動(dòng)法的控制帶寬、控制時(shí)問(wèn)與合成路數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)各種控制方法應(yīng)用于超大規(guī)模陣列相干合成、光學(xué)相控陣的可行性進(jìn)行了詳細(xì)分析。并且理論模擬了大陣列相干組束情況下，相位控制殘差RaMS、相位噪聲強(qiáng)度與合成光束質(zhì)量、相干度的關(guān)系。對(duì)SPGD算法光纖陣列主動(dòng)相位控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)制作了高速SPGD算法控制器(FPGA模塊處理速度達(dá)到50MHz，單次迭代速率達(dá)到20

6、0kHz)，分別開(kāi)展了5路、lO路光纖陣列主動(dòng)鎖相實(shí)驗(yàn)。提出了變?cè)鲆嫦禂?shù)的優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了10路光纖激光陣列的鎖相閉環(huán)控制，鎖相效率達(dá)到理想值的8968％，相干合成遠(yuǎn)場(chǎng)光斑光強(qiáng)穩(wěn)定在最大值附近。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SPGD算法應(yīng)用于多組束光纖激光主動(dòng)相位控制的可行性。對(duì)基于多相位擾動(dòng)的光束陣列相位控制新算法(multilevelphaseditheringmethodMPD)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。該算法利用方波擾動(dòng)和時(shí)分復(fù)用技術(shù)，經(jīng)過(guò)并行化處理，