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题名:
基于自适应光纤光源准直器的光纤激光相干合成研究
作者: 耿超
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 饶长辉 ; 张小军 ; 李新阳
关键词: 光纤激光 ; 相干合成 ; 自适应光纤光源准直器 ; 随机并行梯度下降算法
学位专业: 光学工程
中文摘要: 基于主振荡功率放大器(MOPA)结构的光纤激光相干合成是同时获取高光
功率和高光束质量的有效手段。目前,光纤激光相干合成的输出功率已突破千瓦
量级。在众多方案中,基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的MOPA 系统仅需
要一个光电探测器,容易实现且扩展性好,受到了越来越多的关注。
实现光纤激光相干合成的关键在于补偿光纤器件本身以及激光受大气湍流
影响产生的相位扰动。在目前绝大多数的相干合成系统中,锁相控制是唯一的考
虑因素。事实上,激光经大气传输会产生倾斜像差;在光纤激光阵列的调节过程
中也存在着倾斜残差,从而影响了光束合成质量。相关研究表明,自适应光纤光
源准直器(AFOC)是在光纤激光相干合成中校正倾斜像差的理想器件。因此,
展开对AFOC 及相应实验系统的研究很有意义。
目前,相干合成还停留在实验室阶段。相干组束的传输距离很短,且需要在
远场放置光电探测器。要实现激光的长距离传输,必须摆脱远场探测器的限制。
目标在回路(Target-in-the-loop,TIL) 技术是一种有效的解决途径。将TIL 技术
应用于光纤激光相干合成的报道不多,有一些理论研究也是针对单孔径光束的传
输问题。因此,目标在回路的相干合成值得深入研究。
本论文紧密围绕着“如何实现相干合成光束的长距离传输与控制”这条主线
展开,从研制器件入手逐渐拓展到整个实验系统。
首先,采用解析法对AFOC 进行结构分析,提出了优化方法,建立了AFOC
的CAD 模型并利用有限元法完成了模态仿真。通过与实测结果进行比较,证明
所推导的理论模型是可信的。
然后,提出了一种基于总体性能指标和局部性能指标优化的光纤激光相干合
成模型。仿真结果表明,需要合理选取SPGD 算法增益系数来提高算法的收敛速
率与精度,而SPGD 算法同时优化总体和局部性能指标可以迅速改善系统性能。
其次,利用不同的合成光束模型,分析了倾斜像差对相干合成的重要影响,
证明了相干合成中校正倾斜的必要性。动态模拟了MOPA 结构光纤激光相干合成系统中时变倾斜像差的校正过程,分析了SPGD 算法控制效果与倾斜像差幅值
和频率的关系。仿真实验表明,校正倾斜像差后的合成效果较未校正时都有改善,
而SPGD 算法的校正能力随着倾斜像差幅值和频率的增加而降低。
再次,设计了一种可同时调整光程与光束倾斜的AFOC,并利用SPGD 算法,
实现了基于该器件的三路光纤激光相干合成。实验表明,经校正光束间的平移和
倾斜像差后,合成光斑的亮度和光束质量都有了极大的提升,实验同时也验证了
倾斜校正的必要性。
最后,实验验证了一种利用目标回光在远场实现相干合成的技术——目标在
回路技术。建立了目标在回路相干合成的物理模型,利用可同时调整光程和光束
倾斜的AFOC,实现了基于目标在回路的三路光纤激光相干合成,获得了接近衍
射极限的合成效果。并在此基础上实现了合成光束于目标上的定位、跟踪等动作,
验证了AFOC 在共形发射体系相控阵系统中的应用潜力。
全文为在实际大气环境中实现相干合成光束的长距离传输打下了基础。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/541
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耿超. 基于自适应光纤光源准直器的光纤激光相干合成研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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