光纖激光主動相位與偏振自適應(yīng)控制技術(shù)研究.pdf

1、ResearchonactivephaselockingandadaptivepolarizationcontroltechnologyoffiberlasersCandidate：HuangZhimengSupervisor：ProfLiuCangliProfLiJianfengDISSERTATIONSubmittedinPartia】FulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctoro

2、fPhilosophyOpticalScienceChinaAcademyofEngineeringPhysicsMianyang，Sichuan，PRChinaJune，2014摘要高光束質(zhì)量的高能激光在材料處理、工業(yè)加工、醫(yī)療等方面具有廣泛的應(yīng)用。特別是光纖激光，因其光束質(zhì)量好、體積小、效率高等優(yōu)勢，近些年得到較快發(fā)展，但由于受到熱效應(yīng)和非線性效應(yīng)的限制，單臺激光器無法達到很高的輸出能量，并同時保持高的光束質(zhì)量。而多臺激光器可以通過

3、光束相干合成技術(shù)實現(xiàn)高能激光輸出，同時改善光束質(zhì)量。在光束相干組束中，相位與偏振控制技術(shù)是其關(guān)鍵。其中，基于主動控制的合成效率會隨著相位調(diào)制頻率和A／D、D／A轉(zhuǎn)換速度的加快而提高，合成數(shù)目、功率擴展性較大。因此研究基于高速、并行化的主動相位控制技術(shù)有利于實現(xiàn)大陣列光纖激光高效優(yōu)質(zhì)相干合成，從而提高激光輸出功率水平和光束質(zhì)量，對高能激光的發(fā)展和應(yīng)用具有較大的推動作用。論文對光束主動相位與偏振控制技術(shù)展開了理論和實驗研究。系統(tǒng)分析了各種光

4、纖陣列主動相位控制方法與光束合成路數(shù)的關(guān)系以及向大陣列擴展的潛力，討論了光束主動鎖相技術(shù)在光纖陣列、板條放大相干組束中的應(yīng)用以及激光偏振自適應(yīng)控制技術(shù)等關(guān)鍵問題，為高能光纖(固體)激光實現(xiàn)功率擴展提供了參考和建議。論文針對目前光束陣列相干組束中主要使用的幾種主動相位控制方法，包括隨機并行梯度下降算法(SPGD)、頻域多抖動法和時域單抖動法等，進行了理論研究，對各種方法的控制過程進行了建模分析、給出了優(yōu)化的控制參量，判斷能夠?qū)崿F(xiàn)鎖相的控制

5、時間和控制對擾動的穩(wěn)定性。對主動控制方法包括SPGD、多抖動法、單抖動法的控制帶寬、控制時問與合成路數(shù)的關(guān)系進行了數(shù)值模擬，對各種控制方法應(yīng)用于超大規(guī)模陣列相干合成、光學(xué)相控陣的可行性進行了詳細分析。并且理論模擬了大陣列相干組束情況下，相位控制殘差RaMS、相位噪聲強度與合成光束質(zhì)量、相干度的關(guān)系。對SPGD算法光纖陣列主動相位控制進行了實驗研究。設(shè)計制作了高速SPGD算法控制器(FPGA模塊處理速度達到50MHz，單次迭代速率達到20

6、0kHz)，分別開展了5路、lO路光纖陣列主動鎖相實驗。提出了變增益系數(shù)的優(yōu)化算法，實現(xiàn)了10路光纖激光陣列的鎖相閉環(huán)控制，鎖相效率達到理想值的8968％，相干合成遠場光斑光強穩(wěn)定在最大值附近。實驗驗證了SPGD算法應(yīng)用于多組束光纖激光主動相位控制的可行性。對基于多相位擾動的光束陣列相位控制新算法(multilevelphaseditheringmethodMPD)進行了理論和實驗研究。該算法利用方波擾動和時分復(fù)用技術(shù)，經(jīng)過并行化處理，