[发明专利]一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统

说明书

技术领域

本发明高功率光纤激光阵列相干组束技术，具体是指一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统。

背景技术

在光束相干合成中，相位与偏振控制技术是其关键。其中，基于主动式控制的合成效率随着硬件电路和软件算法速度的加快而提高，合成数目、功率扩展性较大。因此研究基于高速、并行化的主动相位控制技术可以实现大阵列光纤激光高效优质相干合成，从而提高激光输出功率水平和光束质量，对激光的发展和应用具有较大的推动作用。

目前，光纤激光相干合成系统分为保偏光纤系统和非保偏大模场光纤系统。国内外关于光纤激光相干合成的研究大多集中在保偏光纤系统，该方案的优点是光束质量好，只需要进行光纤阵列的相位控制，技术简单易行，但缺点是保偏光纤放大器输出功率低，不利于向高功率光纤合成系统扩展。而后者的优点在于采用非保偏大模场光纤放大器，输出功率更高，加上偏振控制，有利于实现高功率高效优质相干合成。

2012年，美国Northrop Grumman公司Gregory D. Goodno等人利用多抖动法率先实现了5路非保偏光纤激光阵列相位与偏振的同时锁定，相位控制效率达到99%，偏振消光比>20dB，并发表于OPTICS LETTERS / Vol. 37, No. 20。该方案使用双探测器结构，能够对光纤阵列的偏振和相位变化进行实时检测，并实施主动控制，使得各光束偏振与相位同时保持一致，极大提高了合成效率，有利于向高功率光纤相干合成领域扩展。但这种方案为了实现光纤阵列偏振与相位的相关检测，需要：（一）光学结构中，除了接收到光束阵列的环围光强之外，还需要从光纤种子源分出一束光作为参考光；然后在探测端利用一个90°光纤混合器将种子源参考光相移90°，再使得阵列合成光束偏振态旋转90°，最后将二者耦合输出给两个光电探测器，一个含有光束阵列相位信息，另一个含有光束阵列偏振信息；（二）控制电路结构中，需要两个相关检测过程，分别对偏振与相位进行实时检测。这样光学结构和控制电路结构较为复杂，系统可靠性下降，体积重量增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统，克服现有光纤相干组束技术中采用保偏光纤光路合成功率较低或者非保偏光纤光路中需要搭建双探测器、引入种子源参考光和90°光纤混合器、偏振与相位相关检测电路的复杂问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于自适应偏振与相位控制的光纤激光阵列组束系统，其特征在于：包括光纤种子源模块、非保偏光纤放大模块、合束与光电探测模块、以及主动偏振与相位控制模块；其中

光纤种子源模块：产生种子光并将种子光分为多路子光束；

非保偏光纤放大模块：用于将各个子光束进行功率放大；

合束与光电探测模块：用于将放大后的各个子光束进行相干合成输出，并探测光束阵列合成的环围光强；

主动偏振与相位控制模块：将光电探测器探测到的合成光束环围光强，作为反馈输入信号，并控制光纤放大器阵列的相位与偏振，使得各子光束间的相位与偏振一致，形成闭环控制。

所述的光纤种子源模块包括：光纤激光器，作为光纤激光输入端产生种子光；光纤分路器，用于将光纤激光器产生的种子光进行分束，将一束激光分成多路的子光束，各路子光束经过相位与偏振控制器。本发明的光纤种子源模块不需要本振参考光作为基准，利用光纤分路器将光源分成多个子光束，这些子光束之间的基本性能相类似，直接可以用于后续的控制，相对于现有技术中的以本振参考光作为基准的方式，大大简化了系统，有利于实现高效输出。

所述非保偏光纤放大模块，包括N路非保偏光纤放大器，N为正整数，用于将经过主动偏振与相位控制模块的各个子光束进行功率放大。

所述的合束与光电探测模块包括：准直器阵列：用于将各放大子光束进行准直，使各个子光束的方向相互平行输出；长焦透镜：将准直器阵列输出的相干合成光束进行聚焦，并输出至目标；第一分束镜：长焦透镜聚焦后的光束先经过第一分束镜将聚焦后的光束分为两束，透射光束射向靶目标，反射光束经过偏振分束镜PBS分成垂直偏振分量与水平偏振分量，其中垂直偏振分量进入功率计，水平偏振分量进入光电探测器；水平偏振分量进入光电探测器前还依次经过衰减片、第二分束镜，第二分束镜将水平偏振分量分成两束，其中透射部分经过小孔光阑进入到光电探测器，反射部分进入到CCD相机。