变增益随机并行梯度下降算法及其在相干合成中的应用

将一种改进的变增益系数自适应随机并行梯度下降(SPGD)控制算法应用到大阵列光纤激光相干合成中,计算不同增益系数对算法收敛速度的影响程度,分析判断该方法的控制带宽、控制时间与合成光束质量、合成路数的关系以及其应用于大规模阵列相干合成的可行性。计算结果显示,在7束光纤激光相干合成中,该方法由于采用了变增益系数的控制策略,相比于传统的固定增益系数SPGD算法,具有收敛速度快、控制带宽高、适用于多组束光纤激光相干合成等优点。将该方法应用在37束、91束和100束光纤激光阵列锁相中,也得到了快速的收敛效果,采用自适应SPGD算法分别将收敛速率提高了37.8%、63.8%和75.0%,说明该方法在合成路数较大时优势更加明显,进一步表明其具备向大阵列光束相干合成扩展的潜力。     

相干合成中基于SPGD算法的平移误差和倾斜误差控制

随机并行梯度下降算法(SPGD)是控制多路激光束的相位锁定,实现相干合成的一种有效方式。在分析平移误差和倾斜误差对相干合成(CBC)影响的基础上,建立2×2排布的光束模型探讨了该算法中的增益系数和扰动幅值对平移误差和倾斜误差控制的影响,并对增益系数的优化进行了分析。研究结果表明,要提高相干合成的效果,必须同时校正平移误差和倾斜误差;随着增益系数和扰动幅值的增加,SPGD算法的收敛速度加快,但计算精度降低,系统会发生振荡;自适应更新增益系数是一种有效的参数优化方式,可很好平衡算法收敛速度和计算精度问题。为大型固体短脉冲激光装置中基于SPGD算法进行相干合成研究提供了理论参考。     

基于随机并行梯度下降算法的多级波前校正技术

为提高基于随机并行梯度下降(SPGD)箅法的高分辨率自适应光学(AO)系统的有效校正带宽,提出了分级SPGD波前校正的方法.在每一级SPGD波前校正中,将高分辨率波前校正器的控制单元按位置分成多组.每一组都施加相同的控制电压作为一个控制变量.采用的校正级越高,独立的控制变量的数目也越多.多级SPGD自适应光学系统按从低到商的等级顺序对畸变波前进行校正.以一个具有16×16控制单元的分立活塞式波前校正器为基础建立了基于3级SPGD波前校正的自适应光学系统的数值模型,并针对大气湍流引起的某一帧随机相位屏做了模拟校正实验.结果表明采用分级波前校正后收敛速度提高了23%,此方法确实提高了基于随机并行梯度下降算法的自适应光学系统的有效校正带宽.     

相位控制残差对激光阵列合成的影响

在激光阵列相干合成中,由于相位噪声的影响和相位控制系统带宽的限制,相位控制残差无法避免。文中从理论上推导了存在相位残差时激光阵列相干合成中远场光强分布,并结合光束传输因子BPF（beam propagation factor）作为合成效果的评价标准,分析了相位残差对相干合成的影响。     

光纤激光相干合成与非相干合成的比较

对多路光纤激光输出光束进行合成是获得高功率、高光束质量的输出的有效方法.为了比较不同合成方案的远场效果,对聚焦发射的相干合成和非相干合成光束远场分布进行数值计算,从控制相位误差、光束抖动和阵列占空比等三方面对这两种方案的远场特性进行比较研究.计算结果表明,与非相干合成相比,相干合成能够在远场获得更高的能量集中度,但会受到光束抖动和阵列占空比的严重影响.和通常考虑的平行发射相比,聚焦发射体制对相干合成时相位误差的要求宽松了很多,相位误差均方根(RMS)为π/3时,半径为5.6 cm的圆桶内汇聚的能量仍大于完全相干合成情形下的90%.     

低相位噪声微波振荡器设计

针对Ka和Ku波段上、下变频装置对微波振荡器低相位噪声和小型化的要求,该文采用单环锁相式频率合成技术完成了微波振荡器的设计,并对锁相环的相位噪声进行了理论计算。分析了鉴相频率、鉴相器灵敏度和环路带宽对锁相环输出相位噪声的影响,根据分析结果对微波振荡器电路参数合理选择,同时兼顾了低相位噪声与小型化的设计要求。测试结果表明,振荡器的相位噪声指标与理论计算一致,各项指标均达到要求,可满足实际工程应用。     

基于光纤拉伸器锁相实现两路超快激光相干偏振合成EI北大核心CSCD

超快光纤激光相干合成技术是突破飞秒激光单根光纤功率提升受限的有效技术手段。基于光纤拉伸器锁相,并结合随机并行梯度下降(SPGD)算法,成功实现了两路超快激光相干偏振合成。该锁相方案不仅避免了采用常规电光相位调制器对脉冲信号造成的光谱调制,而且可有效降低系统的插入损耗,提高相位调制范围、耐受功率以及前级光源系统的紧凑性与鲁棒性。合成的最高功率为10.9 W,最高功率下合成效率为90.1%,闭环状态下锁相残差为λ/31。实验结果表明,采用光纤拉伸器和SPGD算法组成的相位控制系统,在超快激光相干合成领域具有较强的发展潜力。合成的脉冲在最高功率下可压缩至494 fs,压缩效率为73.3%,对应的单脉冲能量为3.99μJ。     

光纤激光相干合成中的相位控制方法与实验

相位控制技术是光纤激光相干合成技术中的关键技术。主要开展了爬山和外差两种相位控制方法研究。爬山法是根据探测合成光强变化,软件自动寻优补偿相位偏差而获得稳定的最大干涉光强输出。外差法则是利用外差探测得到合成光束间的相位变化从而进行实时校正使各光束相位一致。在七阵元光纤列阵相干合成实验系统中,两种方法均实现了对七路光纤光束的相位控制,获得Streh1为0.91的远场相干合成结果。同时也实现了对10 W光纤放大器的相位控制,获得优于λ/10的相位控制精度,对多路大功率激光放大器相干合成具有一定的参考价值。     

光纤激光相干合成中倾斜和锁相同时控制的实验研究

光纤激光的相干合成是获得高能量密度、高光束质量激光输出的有效方法之一。在相干合成中,各个单元光束的倾斜波前畸变和活塞相位误差对合成的效果具有重要影响。搭建了两路光纤激光相干合成系统,利用光纤自适应准直器和相位调制器对相干合成中倾斜波前畸变和活塞相位误差进行校正。实验系统以高速相机采集的光斑数据作为评价依据,通过计算机程序进行控制,控制算法为随机并行梯度下降算法。在倾斜和锁相控制前,合成光斑的条纹对比度为0.03,桶中功率为8.03;在倾斜和锁相控制后,合成光斑的条纹对比度达到了0.59,桶中功率达到了32.89,说明实验中倾斜和锁相控制显著提高了相干合成的效果。     

基于光纤自适应操控的激光相控阵技术研究进展(特邀)

当前,基于多光束相干合成的激光相控阵技术面临着实际湍流环境下远距离传输的应用需求和挑战,需同时校正系统内部光源噪声和外部动态湍流像差,并解决远距离传输光延迟和系统规模增大导致的有效带宽急剧下降的问题。现有的技术手段如目标在回路技术和延迟SPGD算法无法应对湍流带来的动态倾斜像差,而这一点对在远场目标处获得高质量相干合成光束至关重要。文中介绍了中国科学院光电技术研究所在多孔径激光传输控制技术上的最新研究进展,新技术实现了对光纤阵列激光出射光束倾斜像差的并行和高效校正,并提出了基于主动波前测量的光纤激光阵列外部像差预补偿校正的方法,为光纤激光相控阵技术的实际大气传输应用打下基础。     

线阵光纤激光相干合成角度扫描控制方法研究

基于光的干涉理论,对多芯线阵光纤激光通过相干合成进行角度扫描的原理进行了研究。利用相干合成模型,用MATLAB分别对信号无噪声与含有随机相位噪声时的合成效果进行了数值仿真计算,分析了通过主动相位控制对合成光进行角度扫描的可行性;基于MOPA结构光纤激光线列搭建了相干合成角度扫描控制系统。通过实验验证了在多路光纤激光完成锁相后,若依次等比改变各芯激光的相位可以实现主极大条纹连续的角度扫描,扫描范围与模型中计算所得结果基本一致,实验结果与理论计算相符。该方法的探索研究对线列光纤激光的相干合成应用拓展有一定的指导意义。     

基于光学零差偏振探测和锁相的合束激光偏振控制

激光偏振合束是提升窄线宽光纤激光亮度的重要技术,能实现多路激光的共孔径合束输出,同时维持较高的光束质量和线偏振态。文中探索和研究了基于线性锁相技术的合束激光偏振控制系统,详细分析和建立了光零差偏振检测物理模型和线性锁相控制环路的数学模型。利用高精度的光零差技术对合束激光的偏振相位进行检测,并通过快速实时反馈进行激光锁相,获得了输出功率为279 mW的线偏振态激光。锁相控制后,合束激光的偏振消光比达到19.3 dB,控制带宽高达39.6 kHz,剩余相位噪声为710-4 rad/Hz（1 Hz）和310-4 rad/Hz。当提高激光输出总功率达1 W时,偏振消光比维持在~15 dB,其限制因素在于光功率波动引入的相位噪声和光斑空间模式不匹配。     

激光相干合成的研究进展:2011—2020

本文回顾了过去10年激光相干合成领域取得的重要进展,总结了可合成激光模块性能提升的标志性成果,梳理了相干合成使能技术取得的重要突破,展示了不同类型激光相干合成取得的成果及其多样化应用,并对激光相干合成领域的发展进行了展望。     

两路纳秒脉冲光纤激光相干合成的实验研究

报道了两路纳秒脉冲光纤激光的相干合成(CBC)实验。利用主振荡功率放大(MOPA)结构搭建两路全保偏光纤激光放大器,利用随机并行梯度下降(SPGD)算法对两路放大器进行相干合成,获得了重复频率10MHz、脉冲宽度10ns、平均功率50mW的脉冲激光输出。系统闭环时目标圆孔内能量提高了1.76倍,远场光斑条纹对比度提高了4.38倍。     

基于扩展Prony算法的海杂波循环对消法

在分析海杂波产生机理的基础上,提出了一种基于扩展Prony算法的海杂波循环对消法,在传统的海杂波循环对消法中用扩展Prony方法对频率进行估计,从而提高对正弦信号的频率、幅度、相位的估算精度。在相同数据点数、信噪比的条件下,运用2种对消法对短相干积累条件下的海面背景舰船目标检测情况进行仿真分析。仿真实验验证了基于扩展Prony算法的海杂波循环对消法检测舰船目标的有效性,提高了短相干积累条件下的海面背景下的舰船目标检测性能。     

孔径填充——光纤激光阵列相干合成中的关键技术

光纤激光相干合成能够获得高功率、高光束质量的光束输出。目前国内对于相干合成技术的研究集中于各路激光的相位控制,即光束如何相干。而相干光束的合成,即如何提高相干激光阵列的填充因子,作为影响相干合成光束质量的一个重要因素,则较少受到关注。为了保证相干合成激光的光束质量,需辅以相应的孔径填充技术尽可能增大激光阵列的填充因子。跟踪国外近年来发展的孔径填充技术,如幅相转换、自成像波导、光束整形、衍射光学法、光束截断法等,并对每一种技术加以分析和评判。结果表明,光束截断法不需要复杂的光学设计,实施起来最为简单有效,有可能最终用于多路大功率光纤激光的合成。     

一种基于相位敏感光时域反射计的多参量振动传感器

提出了一种基于数字相干检测和维纳滤波技术的相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)。在该技术中,实时解调出了沿光纤链路散射回的瑞利信号电场的振幅和相位。通过分析解调出的振幅和相位,检测到了位于3.5km传感光纤上的一个由压电陶瓷(PZT)所产生的正弦振动信号的位置、频率和强度。应用维纳滤波降低了由激光器的相位噪声和探测器加性噪声引起的相位波动。系统的空间分辨率为5m。