基于干涉条纹的激光阵列活塞相位控制方法及系统与流程

1.本发明涉及强激光技术领域，特别是一种基于干涉条纹的激光阵列活塞相位控制方法及系统。


背景技术：

2.光纤激光具有结构紧凑、光束质量好、热管理方便等优势，被广泛应用于工业加工、材料成型、高能激光系统构建等重要领域。随着单路光纤激光输出功率的不断提升，泵浦源亮度、非线性效应、热致模式不稳定等效应制约了光纤激光功率与亮度的进一步提升。目前，相干合成和光谱合成是突破单路光纤激光亮度提升受限的两种主要技术手段。
3.针对相干合成系统而言，为了实现系统亮度的提升，必须实施闭环相位控制有效补偿系统的动态相位噪声，使各路光纤激光在目标平面稳定干涉。为了补偿系统的动态相位噪声，则必须通过一个相位闭环控制系统对阵列的相位噪声实施实时的闭环控制。
4.近年来，随着高速相机硬件性能和图像处理技术软件性能的快速发展，基于二维光强信息的光场信息提取和相位控制成为新的发展趋势。然而，现有的控制系统仅仅根据每一帧图像提取的数据进行下一帧相位控制，活塞相位噪声时刻变化导致两个数值并不完全相同。在实际系统中，高速相机的运行帧率与相位噪声的特征频率处在相同量级，因此在控制策略上，需要更高效率的控制策略以保证每次相位控制的准确性，以保证整个系统在对相位进行闭环控制时能获得更高亮度的激光输出。总体而言，如何根据采样率与噪声频率相当的高速相机探测信号实现实时准确的活塞相位控制成为提高相位控制精度的关键。本发明通过控制器控制策略层面优化，根据高速相机探测信号的时域变化，提出一种基于二维光场信息的更高精度的激光阵列活塞相位控制方法及系统。


技术实现要素：

5.为解决基于干涉条纹控制活塞相位的采样率低而导致的控制效果下降这一难题，本发明提出了一种基于干涉条纹的激光阵列活塞相位控制方法及系统，其是一种采用高速相机对干涉条纹进行高效率活塞相位时序控制的方法及系统，可以在高速相机相同运行帧率的前提下提高闭环控制阶段的光斑能量集中度，从而提升合成激光的亮度，进一步提升了相干合成的合成效率。
6.为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
7.本发明提供的基于干涉条纹的激光阵列活塞相位控制方法，包括：
8.将种子激光分为两部分，一部分输入到激光阵列相干合成单元用于产生激光阵列，一部分作为参考光束；
9.采集一部分激光阵列相干合成单元产生的激光阵列并对其进行缩束；
10.利用高速相机探测缩束后的激光阵列与参考光束的干涉条纹图像，根据干涉条纹图像测量得到高速相机处激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差，获取激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差在一段时间内的时域分布；
11.根据激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差在一段时间内的时域分布，对激光阵列中各单元光束的活塞相位进行控制。
12.进一步地，本发明中，对于激光阵列中的任一单元光束，根据以下控制策略生成当前k时刻单元光束对应的相位调制器两端施加的电压，从而对其活塞相位进行控制：
[0013][0014]
对于激光阵列中的任一单元光束，δu(k)为相对于k
‑
1时刻，k时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压的改变量，u(k
‑
1)为k
‑
1时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压，u(k)为k时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压；k
p
为比例参数，k
i
为积分参数，k
d
为微分参数，e(k)为k时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差，e(k
‑
1)为k
‑
1时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差，e(k
‑
2)为k
‑
2时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差。
[0015]
进一步地，本发明中的种子激光来源于种子激光器，将种子激光器输出的激光先经预放大器进行功率放大之后，由1
×
2光纤分束器分为两部分，一部分输入到激光阵列相干合成单元用于产生激光阵列，一部分作为参考光束。
[0016]
进一步地，本发明中的所述激光阵列相干合成单元包括1
×
n光纤分束器、n个相位调制器、n个主放大器和n个准直器组成的准直器阵列，输入激光阵列相干合成单元的种子激光先经1
×
n光纤分束器均分为n路单元光束，各路单元光束分别对应一路传输路径，各路传输路径中依次设有相位调制器、主放大器和准直器，各路单元光束依次经相位调制器、主放大器进行相位调制和功率放大之后经准直器阵列中的准直器准直输出。
[0017]
进一步地，本发明中由采样镜采集激光阵列到光学缩束器，得到缩束后的激光阵列。
[0018]
进一步地，本发明中，缩束后的激光阵列入射到半透半反镜，参考光束经参考光放大器、参考光准直透镜后入射到半透半反镜，分别经半透半反镜透射、反射后入射到高速相机。
[0019]
进一步地，本发明提供一种基于干涉条纹的激光阵列活塞相位控制系统，包括：
[0020]
种子激光产生单元，用于产生种子激光，并将其分为两部分，一部分输入到激光阵列相干合成单元用于产生激光阵列，一部分作为参考光束；
[0021]
激光阵列相干合成单元，包括1
×
n光纤分束器、n个相位调制器、n个主放大器和n个准直器组成的准直器阵列，输入激光阵列相干合成单元的种子激光先经1
×
n光纤分束器均分为n路单元光束，各路单元光束分别对应一路传输路径，各路传输路径中依次设有相位调制器、主放大器和准直器，各路单元光束依次经相位调制器、主放大器进行相位调制和功率放大之后经准直器阵列中的准直器准直输出；
[0022]
激光阵列采样单元，包括采样镜和光学缩束器，由采样镜采集激光阵列到光学缩束器，得到缩束后的激光阵列；
[0023]
图像采集单元，利用高速相机探测缩束后的激光阵列与参考光束的干涉条纹图像；
[0024]
干涉条纹解算模块根据干涉条纹图像测量得到高速相机处激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差，获取激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差在一段时间内的时域分布；
[0025]
相位控制单元，根据激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差在一段时间内的时域分布，对激光阵列中各单元光束的活塞相位进行控制。
[0026]
进一步地，在本发明提供的基于干涉条纹的激光阵列活塞相位控制系统中，对于激光阵列中的任一单元光束，相位控制单元根据以下控制策略生成当前k时刻单元光束对应的相位调制器两端施加的电压，从而对其活塞相位进行控制：
[0027][0028]
对于激光阵列中的任一单元光束，δu(k)为相对于k
‑
1时刻，k时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压的改变量，u(k
‑
1)为k
‑
1时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压，u(k)为k时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压；k
p
为比例参数，k
i
为积分参数，k
d
为微分参数，e(k)为k时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差，e(k
‑
1)为k
‑
1时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差，e(k
‑
2)为k
‑
2时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差。
[0029]
进一步地，在本发明提供的基于干涉条纹的激光阵列活塞相位控制系统中，种子激光产生单元包括种子激光器、预放大器和1
×
2光纤分束器，种子激光器输出的激光经预放大器进行功率放大之后，由1
×
2光纤分束器分为两部分，一部分输入到激光阵列相干合成单元用于产生激光阵列，一部分作为参考光束。
[0030]
进一步地，在本发明提供的基于干涉条纹的激光阵列活塞相位控制系统中，图像采集单元，包括参考光放大器、参考光准直透镜、半透半反镜和高速相机，缩束后的激光阵列入射到半透半反镜，参考光束经参考光放大器、参考光准直透镜后入射到半透半反镜，分别经半透半反镜透射、反射后入射到高速相机，由高速相机探测到缩束后的激光阵列与参考光束的干涉条纹图像。
[0031]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0032]
本发明可以对激光阵列相干合成单元中每一路单元光束的活塞相位进行更精确的控制，从而提升合成系统的合成效率，解决了传统基于干涉条纹的活塞相位控制系统中由于采样频率低导致的合成效果不高的不足，为实际应用系统提供了一个更高效的控制系统。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0034]
图1为本发明一实施例的结构示意图；
[0035]
图2为本发明中活塞相位漂移对条纹影响的示意图，其中(a)为活塞相位误差φ＝0时对应的干涉条纹图像；(b)为活塞相位误差φ＝π/2时对应的干涉条纹图像；(c)为活塞相位误差φ＝π时对应的干涉条纹图像；(d)为活塞相位误差φ＝3π/2时对应的干涉条纹图像；
[0036]
图3为本发明中干涉条纹解算模块的解算流程图；
[0037]
图4为本发明一实施例中相位控制单元控制原理图；
[0038]
图5为本发明一实施例中控制流程图；
[0039]
图6为本发明一实施例中控制效果对比图，其中(a)代表激光阵列活塞相位控制系统中采用传统的干涉条纹锁相方法进行闭环控制所对应的控制效果图，(b)代表激光阵列活塞相位控制系统中采用本技术提出的时域相位控制方法进行闭环控制所对应的控制效果图。
[0040]
图1中标号：
[0041]
1、种子激光器；2、预放大器；3、1
×
2光纤分束器；4、1
×
n光纤分束器；5、相位调制器；6、主放大器；7、准直器阵列；8、采样镜；9、光学缩束器；10、参考光放大器；11、参考光准直透镜；12、半透半反镜；13、高速相机；14、干涉条纹解算模块；15、相位控制单元。
具体实施方式
[0042]
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0043]
本发明一实施例提供一种基于干涉条纹的激光阵列活塞相位控制方法，包括：
[0044]
将种子激光分为两部分，一部分输入到激光阵列相干合成单元用于产生激光阵列，一部分作为参考光束；
[0045]
采集一部分激光阵列相干合成单元产生的激光阵列并对其进行缩束；
[0046]
利用高速相机探测缩束后的激光阵列与参考光束的干涉条纹图像，根据干涉条纹图像测量得到高速相机处激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差，获取激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差在一段时间内的时域分布；
[0047]
根据激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差在一段时间内的时域分布，对激光阵列中各单元光束的活塞相位进行控制。
[0048]
通过分析计算高速相机探测缩束后的光纤激光阵列与参考光束的干涉条纹的位置信息，可获得位置信息的时域分布，同时根据位置信息与活塞相位的线性对应关系获得激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差在一段时间内的时域分布。分析这一参量的时域分布特性，设计针对活塞相位的控制策略，最大限度地提升控制器的控制效能。
[0049]
对于激光阵列中的任一单元光束，根据以下控制策略生成当前k时刻单元光束对应的相位调制器两端施加的电压，从而对其活塞相位进行控制：
[0050][0051]
对于激光阵列中的任一单元光束，δu(k)为相对于k
‑
1时刻，k时刻单元光束对应
的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压的改变量，u(k
‑
1)为k
‑
1时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压，u(k)为k时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压；k
p
为比例参数，k
i
为积分参数，k
d
为微分参数，e(k)为k时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差，e(k
‑
1)为k
‑
1时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差，e(k
‑
2)为k
‑
2时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差。
[0052]
本发明是由原本的直接加载根据实时条纹位置施加相位调制器的控制信号改变为根据条纹位置的一段时间内的时域分布来计算相位调制器的控制量。因此，在对时域信号的解算过程中，可根据时域信号的分布特性调整控制策略中的参数，从而提升系统闭环时的合成效率。
[0053]
参照图1，本发明一实施例中，先搭建基于干涉条纹的激光阵列活塞相位控制系统，包括：
[0054]
种子激光产生单元，包括种子激光器1、预放大器2和1
×
2光纤分束器3，种子激光器1输出的激光经预放大器2进行功率放大之后，由1
×
2光纤分束器3分为两部分，一部分输入到激光阵列相干合成单元用于产生激光阵列，一部分作为参考光束。
[0055]
激光阵列相干合成单元，包括1
×
n光纤分束器4、n个相位调制器5、n个主放大器6和n个准直器组成的准直器阵列7，输入激光阵列相干合成单元的种子激光先经1
×
n光纤分束器4均分为n路单元光束，各路单元光束分别对应一路传输路径，各路传输路径中依次设有相位调制器5、主放大器6和准直器，各路单元光束依次经相位调制器5、主放大器6进行相位调制和功率放大之后经准直器阵列7中的准直器准直输出；
[0056]
激光阵列采样单元，包括采样镜8和光学缩束器9，由采样镜8采集激光阵列到光学缩束器9，得到缩束后的激光阵列；
[0057]
图像采集单元，包括参考光放大器10、参考光准直透镜11、半透半反镜12和高速相机13，缩束后的激光阵列入射到半透半反镜12，参考光束经参考光放大器10、参考光准直透镜后11入射到半透半反镜12，分别经半透半反镜12透射、反射后入射到高速相机13，由高速相机3探测到缩束后的激光阵列与参考光束的干涉条纹图像；
[0058]
干涉条纹解算模块14根据干涉条纹图像测量得到高速相机处激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差，获取激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差在一段时间内的时域分布；
[0059]
相位控制单元15，根据激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差在一段时间内的时域分布，对激光阵列中各单元光束的活塞相位进行控制。
[0060]
图1所示实施例中基于光纤激光阵列搭建mopa(master oscillator power
‑
amplifier，主控振荡器的功率放大器)结构的相干合成系统，并利用采样镜采集一部分激光阵列到光学缩束器，得到缩束后的激光阵列，以匹配高速相机的靶面尺寸。
[0061]
图1所示实施例中，参考光束经参考光放大器10、参考光准直透镜11后入射到半透半反镜12。参考光束经参考光放大器10、参考光准直透镜11调整参考光束的功率、倾斜角度，使得在高速相机靶面上获得稳定、清晰的干涉条纹，干涉条纹的条纹位置随着光纤激光阵列单元的活塞相位变化而在空间上发生移动，高速相机13负责将条纹数据由光信号转化为电信号，并将电信号传输给干涉条纹解算模块。
[0062]
干涉条纹解算模块14由高速并行处理的电路芯片——fpga构成，实现对高速图像的实时计算，干涉条纹解算模块通过fpga计算每路单元光束的干涉条纹，得到高速相机处激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差，并通过数据传输传递给相位控制单元。
[0063]
相位控制单元15获取激光阵列中各单元光束与参考光束的活塞相位误差在一段时间内的时域分布。相位控制单元接收每个单元光束的相位时域变化信息，通过分析每个单元光束的相位时域信号对每个单元光束的活塞相位进行闭环控制，实现激光阵列的相干合成。具体地，相位控制单元记录每个各单元光束时域分布的活塞相位误差，生成一个多维矩阵。以7路光纤激光阵列为例，相位控制单元将会生成一个7
×
n(n为信号的时域长度)的矩阵空间，用来存储每个单元光束时域分布的活塞相位误差。相位控制单元每次控制某一单元光束的活塞相位时，不再仅仅根据该单元光束当前时刻的相位信息，而是根据该单元光束相位在时域上的演变规律进行拟合控制，这种控制方法可以更准确、更高效地实现每路激光的相位锁定。
[0064]
对于激光阵列中的任一单元光束，根据以下控制策略生成当前k时刻单元光束对应的相位调制器两端施加的电压，从而对其活塞相位进行控制：
[0065][0066]
对于激光阵列中的任一单元光束，δu(k)为相对于k
‑
1时刻，k时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压的改变量，u(k
‑
1)为k
‑
1时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压，u(k)为k时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压；k
p
为比例参数，k
i
为积分参数，k
d
为微分参数，e(k)为k时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差，e(k
‑
1)为k
‑
1时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差，e(k
‑
2)为k
‑
2时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差。
[0067]
上述实施例中，每次进行相位控制时，都会参考近三次的相位误差信号进行综合控制，基于这种控制策略，控制器能更准确地控制活塞相位，对抗系统的噪声。
[0068]
在本发明一实施例中搭建如图1所示的基于干涉条纹的激光阵列活塞相位控制系统，高速相机13负责测量缩束后的激光阵列与参考光束的干涉条纹图像，获得如图2所示的条纹图像。图2中不同标号的图像对应不同的相位噪声取值分布下的干涉条纹图像，其中(a)为活塞相位误差φ＝0时对应的干涉条纹图像；(b)为活塞相位误差φ＝π/2时对应的干涉条纹图像；(c)为活塞相位误差φ＝π时对应的干涉条纹图像；(d)为活塞相位误差φ＝3π/2时对应的干涉条纹图像。
[0069]
高速相机13将图2中的干涉条纹由光信号转化为电信号并传递给干涉条纹解算模块14，干涉条纹解算模块14是由高性能fpga构成的高速图像并行处理系统。干涉条纹解算模块14负责计算每一帧由高速相机传递的干涉条纹图像，处理流程如图3所示，首先对图像根据光纤激光阵列进行分割，得到与光纤激光阵列中单元光束数目相等的单元光束子图像，再对每一个单元光束子图像进行条纹计算，得到条纹的位置坐标；每个单元光束子图像的条纹位置坐标由干涉条纹解算模块14传递给相位控制单元15，相位控制单元15将根据位
置坐标对相位调制器进行闭环控制，以实现光纤激光阵列的同相输出。
[0070]
本发明将相位控制单元15中的锁相控制策略进行了创新性设计，相位控制单元控制原理图如图4所示，相位控制单元15为图4虚线所框区域，具有两个输入端口与一个输出端口。一个输入是由用户自定义的相位控制量，在相干合成领域，这个参量一般为相对零相差；另一个输入端口是由干涉条纹解算模块计算得到的条纹位置数据；输出端口是控制相位调制器进行相位控制。对于激光阵列中的任一单元光束，相位控制单元首先将相位控制量转化为条纹位置数据并与干涉条纹解算模块传递来的条纹位置数据f(k)作差，通过条纹位置信息与活塞相位的线性对应关系，得到k时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的相对条纹误差即k时刻利用高速相机测量得到的单元光束与参考光束的活塞相位误差e(k)，误差信息以时域信号形式进行组合计算，获得相位控制量即k时刻单元光束对应的激光阵列相干合成单元中相位调制器两端施加的电压u(k)。组合计算具体执行流程如图5所示。
[0071]
比例、微分和积分的组合控制策略在离散化的条纹数据中的计算流程相对简单，在计算过程中，首先要对控制系统进行初始化，给定相位控制量的具体取值，一般地，在相干合成系统中，相位控制量为2π的整数倍。系统运行过程中，需要获得时序信号，因此变量k用来表征系统循环次数以表示系统运行时长。当k＝1时，控制系统需要对系统进行初始化，包括k
p
、k
d
和k
i
的取值设置，与e(k
‑
1)和e(k
‑
2)两个时序误差量的初始化。完成初始化之后，系统开始接收由高速图像计算系统计算得到的条纹位置信息，系统将条纹位置信息转化为为相位信息之后与设定的相位控制量作差，计算得到e(k)；然后根据控制策略公式改变响应的相位调制器驱动器的电压值；最后根据误差量的传递关系将误差量以时序的形式传递下去；将以上步骤进行循环，实现活塞相位的时序控制。
[0072]
利用图5中的计算流程得到的活塞相位控制量，更符合当前时刻的活塞相位噪声特性，因此在闭环控制阶段，该方法锁相的残差比现有技术更低。图6表示了传统的干涉条纹锁相方法与本发明提出的干涉条纹计算方法在时域控制时的控制性能，通过对频率为50hz的工频干扰进行闭环矫正，表征两种控制方法的控制能力。参见图6，图6中的(a)和(b)，分别代表控制系统采用传统的干涉条纹锁相方法与本技术提出的时域相位控制方法进行闭环控制，通过两张图片中的虚线(残差)取值范围可以明显看出：利用本发明提出的干涉条纹计算方法在进行锁相控制时，具有更低的锁相残差。
[0073]
因此，本发明提出的干涉条纹的活塞相位时序控制方法及系统在相干合成系统中可以缩小闭环控制阶段的锁相残差，实现更高效率的激光合束，以获得更高亮度的激光输出。
[0074]
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。