自適應(yīng)光纖激光陣列的大氣傳輸全程像差控制技術(shù).pdf

1、光纖激光陣列技術(shù)作為一種多光束相干合成方法，可實(shí)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(shí)也是自適應(yīng)光學(xué)在光纖激光技術(shù)上的重要應(yīng)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(jìn)一步提升。光纖激光陣列技術(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)室相干合成的研究階段，未來需要面對(duì)實(shí)際大氣湍流條件下遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膽?yīng)用挑戰(zhàn)，需對(duì)光纖激光陣列大氣傳輸過程中的全程像差進(jìn)行校正。
　　全程像差包括陣列光束本身的

2、相位噪聲、傾斜誤差等像差，還包括陣列至目標(biāo)路徑上的大氣湍流像差。全程像差校正是實(shí)現(xiàn)到達(dá)目標(biāo)上合成光束質(zhì)量和光功率密度最優(yōu)化的必要條件。現(xiàn)有校正方法以目標(biāo)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(yuǎn)距離和陣列規(guī)模較大的場(chǎng)景。本文將傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)中波前探測(cè)和像差預(yù)補(bǔ)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(gè)部分。
　

3、　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(duì)比研究不同湍流強(qiáng)度及不同單元數(shù)情況下，無湍流補(bǔ)償時(shí)相干合成和非相干合成條件下遠(yuǎn)場(chǎng)性能指標(biāo)的變化規(guī)律。在仿真分析湍流像差對(duì)陣列大氣傳輸影響的基礎(chǔ)上討論單孔徑像差校正對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)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(duì)陣列遠(yuǎn)場(chǎng)相干合成性能指標(biāo)的提升作用；討論單元孔徑高階像差校正對(duì)強(qiáng)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

4、像差和傾斜像差的校正的必要性，以及強(qiáng)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(duì)光纖激光陣列單元傾斜像差校正進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真分析傾斜像差校正對(duì)陣列整體耦合效率的提升作用，以自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器(AFOC)作為傾斜執(zhí)行器件，并采用隨機(jī)并行梯度下降(SPGD)算法，以耦合效率為優(yōu)化的性能指標(biāo)對(duì)傾斜像差進(jìn)行迭代校正；實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了兩單元AFOC的共孔徑雙向傳輸，利用SPGD算法實(shí)現(xiàn)模擬湍

5、流下波前畸變光束至單模光纖耦合效率的提升，同時(shí)增強(qiáng)了陣列出射光束的遠(yuǎn)場(chǎng)集中度。結(jié)果證明主動(dòng)光纖耦合同時(shí)起到提升陣列耦合效率和傾斜像差預(yù)補(bǔ)償校正的作用。
　　再次，對(duì)基于最優(yōu)化光纖耦合的傾斜控制方法應(yīng)用于7單元AFOC陣列的相干合成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(biāo)處桶中功率(PIB)作為鎖相控制的性能指標(biāo)，同時(shí)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(biāo)，采用SPGD算法實(shí)現(xiàn)了7單元光纖

6、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(shí)的0.76提升至閉環(huán)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(dú)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(shí)時(shí)校正湍流像差的能力。
　　再者，針對(duì)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

7、，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(fù)原過程；對(duì)該傳感器探測(cè)湍流像差的過程進(jìn)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(fù)原法的最優(yōu)Zernike階數(shù)；數(shù)值仿真分析了理想校正復(fù)原出的活塞像差和傾斜像差對(duì)相干合成遠(yuǎn)場(chǎng)性能指標(biāo)的改善作用。仿真結(jié)果表明，基于AFOC陣列主動(dòng)波前復(fù)原的湍流像差預(yù)補(bǔ)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

8、板驗(yàn)證了7單元AFOC陣列的波前探測(cè)。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(fù)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(fù)原殘差分別小于0.0749μm和0.116μm。實(shí)驗(yàn)同時(shí)研究了基于主動(dòng)波前復(fù)原的活塞像差預(yù)補(bǔ)償校正，驗(yàn)證其對(duì) AFOC光纖激光陣列經(jīng)像差板傳輸后相干合成遠(yuǎn)場(chǎng)性能指標(biāo)的提升作用，結(jié)果表明該方法能夠同時(shí)校正傾斜像差和活塞像差