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题名:
基于自适应光学的激光相干合成技术
作者: 郑轶
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: 姜文汉 研究员 ; 沈 锋 研究员
关键词: 自适应光学 ; 能动分块反射镜 ; 主振荡功率放大器 ; 闭环校正
学位专业: 信号与信息处理
中文摘要: 高功率、高光束质量的激光光束在民用、工业以及国防领域具有非常广泛的用途。因此,此类激光的获取技术一直是国内外研究的热点。而单台激光器由于受到激光损伤、热损伤等因素的制约,难于实现大幅度的功率提高。并且,随着功率放大的同时,伴随着将发生光束质量下降。因此,高功率激光技术的发展受到了严重的制约。
相干合成技术为这一矛盾提供了一条可行的解决途径。该技术的基本原理是通过对多路激光进行叠加,以实现功率的进一步提升,同时对光束之间的存在的相位误差进行校正。从而保证系统最终出光质量能维持在较高水平。较之于传统的单链路激光放大技术,相干合成技术在系统成本、热管理、实现效果等方面具有较为明显的优势。
自适应光学是一种对波前动态误差进行实时校正的光机电一体化综合性学科。就物理意义而言,相干合成技术和自适应光学技术并无本质差别。本论文依托中科院光电技术研究所在自适应光学领域方向的自身优势,创新性地将相干合成技术与自适应光学技术结合起来,理论与实验相结合地开展了研究工作,对目前该技术领域中的若干问题进行了探索。全文的主要研究内容包括:
第一,通过对国内外各种相干合成技术进行分析与对比,确立了论文的三大研究方向:相干合成技术在MOPA系统中的应用,相干合成技术在自由空间光通信的应用和相干合成技术在光束控制与光束整形技术中的应用。
第二,对相干合成技术的各种应用进行了全面而详实的理论研究。通过建立光束阵列的远场特性和传输特性数学表达式,从原理上分析了填充因子、平移误差、倾斜误差,单链路相位畸变,单链路强度起伏等主要系统参数的影响效果;分析了光通信技术中合成孔径倾斜校正对大气湍流校正的重要作用;研究了光束阵列的传输特性,由此建立了光束阵列实现无惯性偏转,无透镜聚焦,光束整形等特殊效果的理论模型。
第三,对相干合成技术开展了深入的实验研究。搭建了“两路十瓦级光纤激光相干合成实验平台”和“基于分块反射镜的七路激光相干合成实验平台”。前者承担了实验工作的前期探索任务。通过它,我们分析了光纤激光的相位噪声特性,并确立了切实可行的光束相位探测与控制技术途径。而后者是全文实验工作的最主要部分。通过它,我们开展了大量的研究工作,其中包括:(1)完成了MOPA相干合成系统的模拟,对光束阵列的孔径填充,排布校准,相位探测,闭环控制等技术环节开展了相应的实验研究。(2)完成了对目标在回路大气光通信技术的研究。该部分工作针对美国军方提出的APPLE系统进行了研究和模拟,以分块反射镜配合SPGD算法的伺服回路,实现了对模拟湍流扰动的自适应光学校正。(3)完成了基于相位控制的光束偏转和光束整形技术的研究。相位控制技术以相位干涉测量法和比例控制算法为基础,可对阵元光束的平移相位进行独立操控。以此为基础,我们实现了两个具有明显创新性的实验研究,包括无惯性光束偏转实验和产生空心光实验。其中前者在光相控阵技术领域具有重要应用价值,而后者是国际上首次关于光束阵列实施光束整形的实验报道。
本文以自适应光学技术为基础,对相干合成技术进行了改进和创新,并取得了实际的优化效果。全文内容对理论和实验两个方面都有所涉及,系统地对光束阵列模型中的若干问题进行了探讨。研究结果表明,自适应光学可进一步提升相干合成技术的实现效果和应用范围,它所具备的子孔径倾斜校正本领,可有效地解决大规模MOPA系统中的阵元排布校准问题和合成孔径发射系统中由于湍流扰动所导致的光束质量下降问题。此外,本文提出的光束阵列相位控制技术,为光相控阵、光束控制、光束整形等前沿光电技术提供了一种全新的实现途径。研究成果为后续工作的开展积累了一定的理论基础和工程经验。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/549
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郑轶. 基于自适应光学的激光相干合成技术[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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