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光纤激光抖动法相干合成技术研究

作　者: 马阎星
导　师: 赵伊君
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤激光相干合成多抖动法单频抖动法目标在回路分孔径合成
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光纤激光器以其转换效率高、光束质量好、性能稳定、使用方便等诸多优势赢得了人们的广泛青睐，现已被广泛应用于工业加工、医疗美容、国防科研等各领域。但是由于受到非线性效应、热效应等物理因素的限制，光纤激光亮度的提升空间受限。光纤激光相干合成技术可以在保持高光束质量的同时大幅提升输出功率，是目前激光领域的研究热点。论文以抖动法锁相技术为主线，对光纤激光相干合成进行了系统研究，主要包括以下内容：1、系统研究了多抖动法锁相技术。在理论上，从菲涅尔衍射原理出发，对高斯光束阵列多抖动法相干合成进行了理论推导，以此为基础分析了性能评价函数的选取方法，以及单元光束光强起伏对相干合成的影响。在实验上，基于多抖动法锁相原理，采用现场可编程门阵列（FPGA）设计制作了相位控制系统的核心器件——信号处理器，其控制带宽达到10kHz以上，控制精度优于λ/20。采用自制的信号处理器，实现了4路低功率和9路高功率光纤激光相干合成实验，输出总功率分别达到200mW和100W，锁相效果良好。提出了基于双PZT相位调制器的抖动法相干合成新方法，设计并研制了双PZT相位调制器，有效降低了光源系统的复杂程度和成本，拓展了合成光源的波长范围，首次实现了2μm光纤激光的主动相干合成。2、提出了单频抖动法锁相技术。针对多抖动法锁相技术向大阵元数量拓展时存在的频域资源不足等问题，本文借鉴通信领域中的时分复用技术提出了单频抖动法，并对其进行了详细的理论分析和实验验证。采用单频抖动法开展了9路百瓦级光纤激光的相干合成实验，分别获得了1.08kW和1.56kW的总功率输出，锁相精度优于λ/10，在国际上首次实现了输出功率为kW级的光纤激光相干合成。3、提出了单频正交抖动法和多、单抖动法混合锁相技术，并进行了理论分析和实验验证。单频正交抖动法在保证锁相精度的同时，将单频抖动法的相位控制速度提高了1倍。综合多抖动法和单频抖动法的优点，提出了多、单抖动法混合锁相技术，为相干合成技术向大阵元数量扩展提供了有效途径。4、研究了目标在回路相干合成技术。在理论上，分别对光电探测器灵敏度与目标距离的关系、发射距离与相位噪声校正频率的关系、大气湍流对相位调制信号的影响等进行了分析。研究发现大气湍流对相位调制信号的影响很小，但是随着发射距离的增大，能够有效补偿的相位噪声频率越来越低。在实验上，首次实现了9路10W级光纤激光目标在回路相干合成实验，验证了基于静止目标的目标在回路相干合成的可行性，为该研究方向的进一步发展提供了参考。5、理论分析了多种阵列光束分孔径合成方案的效率。计算得出圆形平顶光束排列的六角密积阵列的合成效果最好。在理想情况下，对于高斯光束和超高斯光束，该阵列的BPF因子分别可以达到0.7和0.8以上。基于上述理论，本文提出了高功率、大数量光纤激光合成方案，并设计和研制了台阶状合束器和水冷光阑等关键器件，有效解决了高占空比光束拼接和高功率激光合成时的近场光学污染等问题。

全文目录

摘要  14-16
Abstract  16-18
第一章绪论  18-26
  1.1 光纤激光的发展现状  18-21
  1.2 相干合成的应用需求  21-23
  1.3 光纤激光相干合成的研究现状  23-24
    1.3.1 被动锁相相干合成技术  23
    1.3.2 主动锁相相干合成技术  23-24
  1.4 论文的研究思路  24-26
第二章光纤激光相干合成系统简介  26-45
  2.1 系统结构简介  26-27
  2.2 光纤激光相位噪声特性  27-30
    2.2.1 实验室环境下光纤激光相位噪声的分布  27-30
    2.2.2 光束阵列阵元数量对相位噪声的影响  30
  2.3 相位锁定技术  30-35
    2.3.1 锁相方法  30-33
    2.3.2 锁相系统硬件介绍  33-35
  2.4 光束合成技术  35-41
    2.4.1 阵列光束分孔径合成技术  35-39
    2.4.2 基于衍射光学元件的光束合成  39
    2.4.3 相干偏振合成  39-40
    2.4.4 基于光波导的光束合成  40-41
  2.5 系统性能评价  41-44
    2.5.1 BPF 因子  41-42
    2.5.2 合成效率  42
    2.5.3 远场光斑条纹对比度  42-43
    2.5.4 均方根相位残差  43-44
  2.6 本章小结  44-45
第三章多抖动法锁相技术研究  45-84
  3.1 多抖动法锁相技术原理  45-51
    3.1.1 多抖动法锁相技术简介  45-46
    3.1.2 多抖动法锁相技术的数学推导  46-51
  3.2 阵列光束分孔径合成情况下性能评价函数的选取  51-57
    3.2.1 两路光束合成时相位调制强度随针孔尺寸的变化关系  52-53
    3.2.2 近场光束位置对性能评价函数的影响  53-54
    3.2.3 最优针孔尺寸随阵元数量的变化关系  54
    3.2.4 最优针孔尺寸随光束阵列占空比的变化关系  54-55
    3.2.5 最优针孔尺寸随单元光束光斑尺寸的变化关系  55-56
    3.2.6 最优针孔尺寸随激光波长的变化关系  56
    3.2.7 最小负值强度随占空比和阵元数量的变化关系  56-57
  3.3 单元光束的光强起伏对相干合成的影响  57-62
    3.3.1 理论分析  57-58
    3.3.2 模拟仿真  58-62
  3.4 基于多抖动法的信号处理器  62-68
    3.4.1 原理简介  63-64
    3.4.2 主要参数设置  64-65
    3.4.3 电子器件选择及其电路设计  65-66
    3.4.4 相位控制器性能测试  66-68
  3.5 多抖动法锁相技术实验研究  68-76
    3.5.1 四路光纤激光多抖动法相干合成实验  68-71
    3.5.2 九路 10W 级光纤激光的相干合成  71-72
    3.5.3 单元光束光强起伏对相干合成影响的实验研究  72-76
  3.6 多抖动法相干合成系统的改进  76-82
    3.6.1 压电陶瓷相位调制器  76-78
    3.6.2 双 PZT 相位调制器的性能测试  78
    3.6.3 基于双 PZT 相位调制器相干合成方案的优势  78-80
    3.6.4 2μm 光纤激光的相干合成  80-82
  3.7 本章小结  82-84
第四章单频抖动法锁相技术研究  84-102
  4.1 单频抖动法  84-94
    4.1.1 单频抖动法的提出  84-85
    4.1.2 原理简介  85-86
    4.1.3 理论推导  86-87
    4.1.4 实验验证  87-91
    4.1.5 阵元数量对单频抖动法控制速度的影响  91-94
  4.2 单频正交抖动法  94-98
    4.2.1 原理简介  94-95
    4.2.2 理论推导  95-96
    4.2.3 实验验证  96-98
  4.3 多、单抖动法混合锁相技术  98-101
    4.3.1 原理简介  98-99
    4.3.2 实验验证  99-101
  4.4 本章小结  101-102
第五章基于目标在回路的激光阵列锁相技术研究  102-122
  5.1 目标在回路光纤激光相干合成简介  102-107
    5.1.1 目标在回路光纤激光相干合成原理  103-105
    5.1.2 光电探测器灵敏度与目标距离的关系  105-106
    5.1.3 大气湍流对发射距离的影响  106-107
  5.2 大气湍流对相位调制信号影响的理论计算  107-115
    5.2.1 理论推导  107-110
    5.2.2 数值仿真  110-115
    5.2.3 对实际工作的指导建议  115
  5.3 目标在回路相干合成的实验验证  115-121
    5.3.1 两路 4W 目标在回路相干合成实验  116-117
    5.3.2 九路 10W 级目标在回路相干合成实验  117-121
  5.4 本章小结  121-122
第六章阵列光束分孔径合成技术  122-137
  6.1 阵列光束分孔径合成技术简介  122-123
  6.2 基于高斯光束的分孔径合成  123-127
    6.2.1 高斯光束分孔径合成的理论推导  123-124
    6.2.2 数值仿真分析  124-127
  6.3 基于超高斯光束的分孔径合成  127-135
    6.3.1 圆形超高斯光束分孔径合成  127-130
    6.3.2 方形超高斯光束分孔径合成  130-133
    6.3.3 阵列排列形式对合成效果的影响  133-135
  6.4 基于分孔径合成方式的光束合成系统  135-136
  6.5 本章小结  136-137
第七章总结与展望  137-141
  7.1 论文主要工作及其相关成果  137-138
  7.2 论文主要创新工作  138-139
  7.3 后续工作展望  139-141
致谢  141-143
参考文献  143-155
作者在学期间取得的学术成果  155-160

光纤激光抖动法相干合成技术研究

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