分布式全光纤激光相控阵系统及其相位控制方法与流程

1.本发明涉及光学相控阵技术领域，具体是分布式全光纤激光相控阵系统及其相位控制方法。


背景技术：

2.激光相控阵技术通过对各路激光的相位进行控制，使阵列激光满足一定的相位分布，从而实现对阵列激光的调控，可以广泛应用于激光通信、激光雷达和定向能技术等领域。目前，激光相控阵系统是主要采用了主振荡器功率放大(英文名称为master oscillatorpoweramplifier，简称mopa)，通过将阵列激光锁定为同相位输出，从而达到提升远场光斑能量集中度的目的。图1为现有技术中的激光相控阵的结构示意框图。该系统主要包含种子激光101、1
×
n激光分束/合束器102、多个相位调制器103、多个激光放大器104、多个光纤端帽105、多个激光准直镜106、激光合束器107、分光镜108、聚焦透镜109、小孔光阑110、光电探测器111和优化算法相位控制模块112。种子激光101经1
×
n激光分束/合束器102进行分束后，各路激光分别进入相位调制器103。各相位调制器103分别与各对应的激光放大器104光路连接。各激光放大器104分别与光纤端帽105光路连接。各光纤端帽105分别与激光准直镜106光路连接。各激光准直镜106出射的激光经过激光合束器107压缩占空比后形成阵列激光传输到分光镜108。>99％的功率激光经分光镜108分光后发射到作用目标处；<1％的功率激光经分光镜108分光后携带光学信息入射到相位探测模块，相位探测模块通常由一个聚焦透镜109、一个小孔光阑110和一个光电探测器111组成，用于提取合成光束远场光斑的中央主瓣能量。光电探测器111产生的电信号输出到优化算法相位控制模块112。优化算法相位控制模块112通过优化算法产生控制信号并输出到各相位调制器103。相位控制信号调整各路激光的活塞相位，使光电探测器111的输出信号保持最大值，此时阵列激光保持相位相同。
3.上述激光相控阵系统能够实现高功率光纤激光的同相位输出，达到提升阵列光束质量的目的。但是，该方法需要利用分光镜对阵列激光进行采样。当激光阵列的光束直径增大时，分光镜108和聚焦透镜109的直径也随之增大，限制了激光相控阵系统的扩展性。此外，由于采用空间光路进行相位误差提取，系统的空间光路调节要求较高，也影响了系统的紧凑性。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种分布式全光纤激光相控阵系统及其相位控制方法，通过全光纤结构实现各路激光的相位探测与控制。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.分布式全光纤激光相控阵系统，包括种子激光源、1
×
2激光分束/合束器、1
×
n激光分束/合束器、相位调制器、激光放大器、2
×
2光纤耦合器、光纤端帽、激光准直镜、环形器、光电探测器以及相位控制模块；
7.种子激光源出射波长为λ1的种子光经1
×
2激光分束/合束器分为2路，其中第一路激光经第一1
×
n激光分束/合束器分为n路子激光，其中第i路子激光经第i个相位调制器进行相位调制、第i个激光放大器进行功率放大后输入到第i个2
×
2光纤耦合器；
8.各2
×
2光纤耦合器具有四个端口，其中第i个2
×
2光纤耦合器的第一端口连接第i个激光放大器，2
×
2光纤耦合器的第二端口连接第i个光纤端帽，第i个光纤端帽连接第i个激光准直镜，其中i＝1，2，
…
，n；对于入射到第i个光纤端帽的激光，其中大部分输出到第i个激光准直镜，其余小部分反射回原光路中；
9.经1
×
2激光分束/合束器输出的第二路激光从环形器的第一端口输入，环形器的第二端口连接第二1
×
n激光分束/合束器的第一端口，第二1
×
n激光分束/合束器的第i个第二端口连接第i个第二相位调制器，第i个第二相位调制器连接第i个2
×
2光纤耦合器的第三端口；环形器的第三端口连接第一光电探测器，第一光电探测器连接第一相位控制模块；其中从环形器的第一端口输入的激光只能从环形器的第二端口输出，从环形器的第二端口输入的激光只能从从环形器的第三端口输出；
10.第i个2
×
2光纤耦合器的第四端口连接第i个第二光电探测器；第i个光电探测器连接第i个第二相位控制模块；
11.所述第一相位控制模块连接n个第一相位调制器，第i个第二相位控制模块连接第i个第二相位调制器；或者，所述第一相位控制模块连接n个第二相位调制器，第i个第二相位控制模块连接第i个第一相位调制器。
12.在本发明的一优选实施例中，所述第一相位控制模块上预先加载有优化算法，通过优化算法产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器；n个第二相位控制模块均运行外差法，经1
×
2激光分束/合束器输出的第二路激光的光路上设置有声光调制器，声光调制器用于产生一个频移，使得1
×
2激光分束/合束器输出的第二路激光经声光调制器后，输出波长为λ1 δλ的激光，声光调制器输出的激光从环形器的第一端口输入。本发明中的优化算法不限，可以采用现有技术中各种相位控制优化算法，如单抖动法、spgd法等等。
13.在本发明的另一优选实施例中，所述第一相位控制模块以及n个第二相位控制模块均预先加载有优化算法，通过优化算法产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器。本发明中的优化算法不限，可以采用现有技术中各种相位控制优化算法，如单抖动法、spgd法等等。进一步地，还可包括n个空间光相位调制器，第i个激光准直器对应连接第i个空间光相位调制器，所述第i个空间光相位调制器用于对第i个激光准直器输出的激光施加固定相位φ
i
。
14.优选地，本发明所述第一相位控制模块连接n个第一相位调制器，第i个第二相位控制模块连接第i个第二相位调制器，通过各第二相位控制模块生成各第二相位调制器的相位控制信号并输出到对应的第二相位调制器，使各第二光电探测器探测到的信号稳定到设定状态，通过第一相位控制模块生成各第一相位调制器的相位控制信号并输出到对应的第一相位调制器，使第一光电探测器探测到的信号稳定到最大值，进而实现输出激光的相位锁定。
15.优选地，本发明所述第一相位控制模块连接n个第二相位调制器，第i个第二相位控制模块连接第i个第一相位调制器，通过各第二相位控制模块生成各第一相位调制器的相位控制信号并输出到对应的第一相位调制器，使各第二光电探测器探测到的信号稳定到
光纤耦合器的第三端口之间的相位；
25.(2)开启第一相位控制模块，第一相位控制模块产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器，使第一光电探测器探测到的信号稳定到最大值，此时，种子激光源发出的激光，经过各光纤端帽反射，再由第二1
×
n激光分束/合束器合束的各路激光的相位保持一致，即满足第二关系式：
26.ψ
1a
2ψ
1b
ψ
1c
＝ψ
2a
2ψ
2b
ψ
2c
＝
…
＝ψ
na
2ψ
nb
ψ
nc
27.其中，ψ
ib
表示第i个2
×
2光纤耦合器的第二端口到第i个光纤端帽的输出端之间的相位；
28.将第一关系式代入第二关系式，得到第三关系式：
29.ψ
1a
ψ
1b
＝ψ
2a
ψ
2b
＝
…
＝ψ
na
ψ
nb
30.第三关系式表示表示种子激光源发出的激光，经过功率放大，由各光纤端帽输出的各路激光彼此间的相位相同，实现了输出激光的相位锁定。
31.进一步地，本发明还包括步骤(3)，利用第i个空间光相位调制器对第i个激光准直器输出的激光施加固定相位φ
i
，使经各空间光相位调制器输出的各路激光的相位相同，即分别为φ1，φ2，
…
，φ
n
，从而实现对阵列光束的相位调控。
32.在本发明一优选方案中，所述第一相位控制模块上预先加载有优化算法，通过优化算法产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器；n个第二相位控制模块均运行外差法，经1
×
2激光分束/合束器输出的第二路激光的光路上设置有声光调制器，声光调制器用于产生一个频移，使得1
×
2激光分束/合束器输出的第二路激光经声光调制器后，输出波长为λ1 δλ的激光，声光调制器输出的激光从环形器的第一端口输入，其相位控制方法如下：
33.(1)开启n个第二相位控制模块，第二相位控制模块运行外差法，各第二相位控制模块产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器，使各第二光电探测器探测到的信号稳定到设定状态，所述设定状态下满足第四关系式：
34.(ψ
x
ψ
ia
)
‑
(ψ
y
ψ
ic
)＝φ
i
35.其中，1
×
2激光分束/合束器的第二端口与第一1
×
n激光分束/合束器的第一端口连接，ψ
x
表示1
×
2激光分束/合束器的第二端口到第一1
×
n激光分束/合束器的第一端口之间的相位；第一1
×
n激光分束/合束器的第i个第二端口与第i个2
×
2光纤耦合器的第一端口连接，ψ
ia
表示第一1
×
n激光分束/合束器的第i个第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器的第一端口之间的相位；ψ
y
表示1
×
2激光分束/合束器的第三端口到第二1
×
n激光分束/合束器的第一端口之间的相位；ψ
ic
表示第二1
×
n激光分束/合束器的第i个第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器的第三端口之间的相位；φ
i
为设定的固定相位，i＝1，2，
…
，n。
36.(2)开启第一相位控制模块，第一相位控制模块产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器，使第一光电探测器探测到的信号稳定到最大值，此时，种子激光源发出的激光，经过各光纤端帽反射，再由第二1
×
n激光分束/合束器合束的各路激光的相位保持一致，即满足第五关系式：
37.ψ
1a
2ψ
1b
ψ
1c
＝ψ
2a
2ψ
2b
ψ
2c
＝
…
＝ψ
na
2ψ
nb
ψ
nc
38.其中，ψ
ib
表示第i个2
×
2光纤耦合器的第二端口到第i个光纤端帽的输出端之间的相位；
39.将第四关系式代入第五关系式，得到第六关系式：
40.ψ
1a
ψ
1b
‑
φ1＝ψ
2a
ψ
2b
‑
φ2＝
…
＝ψ
na
ψ
nb
‑
φ
n
41.第六关系式表示表示种子激光源发出的激光，经过功率放大，由各光纤端帽输出的各路激光输出的相位为φ
i
，即分别为φ1，φ2，
…
，φ
n
，从而实现对阵列光束的相位调控。
42.相对于现有技术，本发明具有的有益技术效果：
43.本发明的光路设计采用全光纤结构，通过全光纤结构实现各路激光的相位探测与控制。
44.本发明不需要利用分光镜对阵列激光进行采样，提高了激光相控阵系统的扩展性和紧凑性。
附图说明
45.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。
46.图1为现有技术中的光纤激光相控阵的结构示意框图；
47.图2为本发明第一实施例中提供的一种分布式全光纤激光相控阵系统；
48.图3为本发明第二实施例中提供的一种分布式全光纤激光相控阵系统；
49.图4为本发明第三实施例中提供的一种分布式全光纤激光相控阵系统；
50.图5为本发明第四实施例中提供的一种分布式全光纤激光相控阵系统；
51.图中的标号说明：
52.201、种子激光源；202
‑
0、1
×
2激光分束/合束器；202
‑
1、第一1
×
n激光分束/合束器；202
‑
2、第二1
×
n激光分束/合束器；203
‑
1、第一相位调制器；203
‑
2、第二相位调制器；204、激光放大器；205、2
×
2光纤耦合器；206、光纤端帽；207、激光准直镜；208、空间光相位调制器；209
‑
1、第一光电探测器；209
‑
2、第二光电探测器；210
‑
1、第一相位控制模块；210
‑
2、第二相位控制模块；211、环形器；212、声光调制器。
53.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
54.为了使本公开发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实时方式中该值可以相应地改变为合适的值。
55.参照图2，本发明一实施例提供一种分布式全光纤激光相控阵系统，包括种子激光源201、1
×
2激光分束/合束器202
‑
0、第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1、第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2、n个第一相位调制器203
‑
1、n个激光放大器204、n个2
×
2光纤耦合器205、n个光纤端帽206、n个激光准直镜207、n个空间光相位调制器208、一个第一光电探测器209
‑
1、n个第二光电探测器209
‑
2、一个第一相位控制模块210
‑
1、n个第二相位控制模块210
‑
2和一个环形器211。所述第一相位控制模块210
‑
1以及n个第二相位控制模块210
‑
2均预先加载有优化算法，通过优化算法产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器。本发明中的优化
算法不限，可以采用现有技术中各种相位控制优化算法，如单抖动法、spgd法等等。
56.种子激光源201用于出射波长为λ1的种子光，种子激光源201与1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第一端口连接，种子光被分为2路后分别从1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口、第三端口输出，1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口与第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第一端口连接，被分为n路子激光，第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第i个第二端口之后的光路上依次连接第i个第一相位调制器203
‑
1、第i个激光放大器204和第i个2
×
2光纤耦合器205，其中第i个激光放大器204与第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口连接，第i个2
×
2光纤耦合器205的第二端口连接第i个光纤端帽206，第i个光纤端帽206连接第i个激光准直镜207，其中i＝1，2，
…
，n。
57.种子激光源201出射波长为λ1的种子光经1
×
2激光分束/合束器202
‑
0分为2路，其中第一路激光经第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1分为n路子激光，其中第i路子激光经第i个相位调制器203
‑
1进行相位调制、第i个激光放大器204进行功率放大后输入到第i个2
×
2光纤耦合器205；各2
×
2光纤耦合器205具有四个端口，其中第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口连接第i个激光放大器204，2
×
2光纤耦合器205的第二端口连接第i个光纤端帽206，第i个光纤端帽206连接第i个激光准直镜207，第i个激光准直器207对应连接第i个空间光相位调制器208，所述第i个空间光相位调制器208用于对第i个激光准直器207输出的激光施加固定相位φ
i
，其中i＝1，2，
…
，n；对于入射到第i个光纤端帽206的激光，其中>99％的功率的激光经第i个光纤端帽206输出到第i个激光准直镜207，其余<1％的功率的激光经第i个光纤端帽206反射回原光路中。
[0058]1×
2激光分束/合束器202
‑
0的第三端口连接环形器环形器的第一端口，经1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第三端口输出的第二路激光从环形器211的第一端口输入。环形器211的第二端口连接第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第一端口，第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第i个第二端口连接第i个第二相位调制器203
‑
2，第i个第二相位调制器203
‑
2连接第i个2
×
2光纤耦合器205的第三端口；环形器211的第三端口连接第一光电探测器209
‑
1，第一光电探测器209
‑
1连接第一相位控制模块210
‑
1，第一相位控制模块210
‑
1连接n个第一相位调制器203
‑
1，其中从环形器211的第一端口输入的激光只能从环形器211的第二端口输出，从环形器211的第二端口输入的激光只能从从环形器211的第三端口输出。
[0059]
第i个2
×
2光纤耦合器205的第四端口连接第i个第二光电探测器209
‑
2，第i个第二光电探测器209
‑
2连接第i个第二相位控制模块210
‑
2，第i个第二相位控制模块210
‑
2连接第i个第二相位调制器203
‑
2。
[0060]
所述2
×
2光纤耦合器205用于对激光进行分束，其具有四个端口，分别为第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。当激光从2
×
2光纤耦合器205的第一端口输入时，大部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输出，其他小部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器205的第四端口输出；当激光从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输入时，优选方案是，所有从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输入的激光全部从2
×
2光纤耦合器205的第四端口输出。当激光从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输入时，优选方案是，所有从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输入的激光全部从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输出。
[0061]
通过各第二相位控制模块210
‑
2生成各第二相位调制器203
‑
2的相位控制信号并输出到对应的第二相位调制器203
‑
2，使各第二光电探测器209
‑
2探测到的信号稳定到最大
值，通过第一相位控制模块210
‑
1生成各第一相位调制器203
‑
1的相位控制信号并输出到对应的第一相位调制器203
‑
1，使第一光电探测器209
‑
1探测到的信号稳定到最大值，进而实现输出激光的相位锁定。
[0062]
图2所示实施例中提供的分布式全光纤激光相控阵系统的相位控制方法，包括以下步骤：
[0063]
(1)开启n个第二相位控制模块210
‑
2，各第二相位控制模块210
‑
2产生相位控制信号并输出到对应的第二相位调制器203
‑
2，使各第二光电探测器209
‑
2探测到的信号稳定到最大值，此时，满足如下关系式：
[0064]
ψ
x
ψ
ia
＝ψ
y
ψ
ic
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0065]
其中，ψ
x
表示1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口到第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第一端口之间的相位；ψ
ia
表示第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第i个第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口之间的相位；ψ
y
表示1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第三端口到第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第一端口之间的相位；ψ
ic
表示第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第i个第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器205的第三端口之间的相位；
[0066]
(2)开启第一相位控制模块210
‑
1，第一相位控制模块210
‑
1产生相位控制信号并输出到各第一相位调制器203
‑
1，使第一光电探测器209
‑
1探测到的信号稳定到最大值，此时，种子激光源201发出的激光，经过各光纤端帽206反射，再由第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2合束的各路激光的相位保持一致，即满足如下关系式：
[0067]
ψ
1a
2ψ
1b
ψ
1c
＝ψ
2a
2ψ
2b
ψ
2c
＝
…
＝ψ
na
2ψ
nb
ψ
nc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0068]
其中，ψ
ib
表示第i个2
×
2光纤耦合器205的第二端口到第i个光纤端帽206的输出端之间的相位；
[0069]
将公式(1)代入公式(2)，可得到如下结果：
[0070]
ψ
1a
ψ
1b
＝ψ
2a
ψ
2b
＝
…
＝ψ
na
ψ
nb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0071]
公式(3)表示表示种子激光源201发出的激光，经过功率放大，由各光纤端帽206输出的各路激光彼此间的相位相同，实现了输出激光的相位锁定。
[0072]
进一步还包括步骤(3)，利用第i个空间光相位调制器208对第i个激光准直器207输出的激光施加固定相位φ
i
，使经各空间光相位调制器输出的各路激光的相位相同，即分别为φ1，φ2，
…
，φ
n
，从而实现对阵列光束的相位调控。
[0073]
参照图3，本发明一实施例提供一种分布式全光纤激光相控阵系统，包括种子激光源201、1
×
2激光分束/合束器202
‑
0、第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1、第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2、n个第一相位调制器203
‑
1、n个激光放大器204、n个2
×
2光纤耦合器205、n个光纤端帽206、n个激光准直镜207、n个空间光相位调制器208、一个第一光电探测器209
‑
1、n个第二光电探测器209
‑
2、一个第一相位控制模块210
‑
1、n个第二相位控制模块210
‑
2和一个环形器211。所述第一相位控制模块210
‑
1以及n个第二相位控制模块210
‑
2均预先加载有优化算法，通过优化算法产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器。本发明中的优化算法不限，可以采用现有技术中各种相位控制优化算法，如单抖动法、spgd法等等。
[0074]
种子激光源201用于出射波长为λ1的种子光，种子激光源201与1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第一端口连接，种子光被分为2路后分别从1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口、第三端口输出，1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口与第一1
×
n激光分束/合束器
202
‑
1的第一端口连接，被分为n路子激光，第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第i个第二端口之后的光路上依次连接第i个第一相位调制器203
‑
1、第i个激光放大器204和第i个2
×
2光纤耦合器205，其中第i个激光放大器204与第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口连接，第i个2
×
2光纤耦合器205的第二端口连接第i个光纤端帽206，第i个光纤端帽206连接第i个激光准直镜207，其中i＝1，2，
…
，n。
[0075]
种子激光源201出射波长为λ1的种子光经1
×
2激光分束/合束器202
‑
0分为2路，其中第一路激光经第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1分为n路子激光，其中第i路子激光经第i个相位调制器203
‑
1相位调制、第i个激光放大器204进行功率放大后输入到第i个2
×
2光纤耦合器205；各2
×
2光纤耦合器205具有四个端口，其中第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口连接第i个激光放大器204，2
×
2光纤耦合器205的第二端口连接第i个光纤端帽206，第i个光纤端帽206连接第i个激光准直镜207，第i个激光准直器207对应连接第i个空间光相位调制器208，所述第i个空间光相位调制器208用于对第i个激光准直器207输出的激光施加固定的相位φ
i
。其中i＝1，2，
…
，n；对于入射到第i个光纤端帽206的激光，其中>99％的功率的激光经第i个光纤端帽206输出到第i个激光准直镜207，其余<1％的功率的激光经第i个光纤端帽206反射回原光路中。
[0076]1×
2激光分束/合束器202
‑
0的第三端口连接环形器环形器的第一端口，经1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第三端口输出的第二路激光从环形器211的第一端口输入。环形器211的第二端口连接第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第一端口，第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第i个第二端口连接第i个第二相位调制器203
‑
2，第i个第二相位调制器203
‑
2连接第i个2
×
2光纤耦合器205的第三端口；环形器211的第三端口连接第一光电探测器209
‑
1，第一光电探测器209
‑
1连接第一相位控制模块210
‑
1，第一相位控制模块210
‑
1连接n个第二相位调制器203
‑
2，其中从环形器211的第一端口输入的激光只能从环形器211的第二端口输出，从环形器211的第二端口输入的激光只能从从环形器211的第三端口输出。
[0077]
第i个2
×
2光纤耦合器205的第四端口连接第i个第二光电探测器209
‑
2，第i个第二光电探测器209
‑
2连接第i个第二相位控制模块210
‑
2，第i个第二相位控制模块210
‑
2连接第i个第一相位调制器203
‑
1。
[0078]
所述2
×
2光纤耦合器205用于对激光进行分束，其具有四个端口，分别为第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。当激光从2
×
2光纤耦合器205的第一端口输入时，大部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输出，其他小部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器205的第四端口输出；当激光从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输入时，优选方案是，所有从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输入的激光全部从2
×
2光纤耦合器205的第四端口输出。当激光从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输入时，优选方案是，所有从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输入的激光全部从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输出。
[0079]
通过各第二相位控制模块210
‑
2生成各第一相位调制器203
‑
1的相位控制信号并输出到对应的第一相位调制器203
‑
1，使各第二光电探测器209
‑
2探测到的信号稳定到最大值，通过第一相位控制模块210
‑
1生成各第二相位调制器203
‑
2的相位控制信号并输出到对应的第二相位调制器203
‑
2，使第一光电探测器209
‑
1探测到的信号稳定到最大值，进而实现输出激光的相位锁定。
[0080]
图3所示实施例中提供的分布式全光纤激光相控阵系统的相位控制方法，包括以
下步骤：
[0081]
(1)开启n个第二相位控制模块210
‑
2，各第二相位控制模块210
‑
2产生相位控制信号并输出到对应的第一相位调制器203
‑
1，使各第二光电探测器209
‑
2探测到的信号稳定到最大值，此时，满足如下关系式：
[0082]
ψ
x
ψ
ia
＝ψ
y
ψ
ic
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0083]
其中，ψ
x
表示1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口到第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第一端口之间的相位；ψ
ia
表示第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第i个第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口之间的相位；ψ
y
表示1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第三端口到第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第一端口之间的相位；ψ
ic
表示第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第i个第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器205的第三端口之间的相位；
[0084]
(2)开启第一相位控制模块210
‑
1，第一相位控制模块210
‑
1产生相位控制信号并输出到各第二相位调制器203
‑
2，使第一光电探测器209
‑
1探测到的信号稳定到最大值，此时，种子激光源201发出的激光，经过各光纤端帽206反射，再由第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2合束的各路激光的相位保持一致，即满足如下关系式：
[0085]
ψ
1a
2ψ
1b
ψ
1c
＝ψ
2a
2ψ
2b
ψ
2c
＝
…
＝ψ
na
2ψ
nb
ψ
nc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0086]
其中，ψ
ib
表示第i个2
×
2光纤耦合器205的第二端口到第i个光纤端帽206的输出端之间的相位；
[0087]
将公式(1)代入公式(2)，可得到如下结果：
[0088]
ψ
1a
ψ
1b
＝ψ
2a
ψ
2b
＝
…
＝ψ
na
ψ
nb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0089]
公式(3)表示表示种子激光源201发出的激光，经过功率放大，由各光纤端帽206输出的各路激光彼此间的相位相同，实现了输出激光的相位锁定。
[0090]
进一步还包括步骤(3)，利用第i个空间光相位调制器208对第i个激光准直器207输出的激光施加固定的相位φ
i
，使经各空间光相位调制器208输出的各路激光的相位为φ
i
，从而实现对阵列光束的相位调控。
[0091]
参照图4，本发明一实施例提供一种分布式全光纤激光相控阵系统，包括种子激光源201、1
×
2激光分束/合束器202
‑
0、第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1、第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2、n个第一相位调制器203
‑
1、n个激光放大器204、n个2
×
2光纤耦合器205、n个光纤端帽206、n个激光准直镜207、一个第一光电探测器209
‑
1、n个第二光电探测器209
‑
2、一个第一相位控制模块210
‑
1、n个第二相位控制模块210
‑
2、一个环形器211和一个声光调制器212。
[0092]
所述第一相位控制模块210
‑
1上预先加载有优化算法，通过优化算法产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器。本发明中的优化算法不限，可以采用现有技术中各种相位控制优化算法，如单抖动法、spgd法等等。所述n个第二相位控制模块均运行外差法。
[0093]
种子激光源201用于出射波长为λ1的种子光，种子激光源201与1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第一端口连接，种子光被分为2路后分别从1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口、第三端口输出，1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口与第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第一端口连接，被分为n路子激光，第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第i个第二端口之后的光路上依次连接第i个第一相位调制器203
‑
1、第i个激光放大器204和第i个2
×
2光纤耦合器205，其中第i个激光放大器204与第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口连接，第
i个2
×
2光纤耦合器205的第二端口连接第i个光纤端帽206，第i个光纤端帽206连接第i个激光准直镜207，其中i＝1，2，
…
，n。
[0094]
种子激光源201出射波长为λ1的种子光经1
×
2激光分束/合束器202
‑
0分为2路，其中第一路激光经第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1分为n路子激光，其中第i路子激光经第i个相位调制器203
‑
1进行相位调制、第i个激光放大器204进行功率放大后输入到第i个2
×
2光纤耦合器205；各2
×
2光纤耦合器205具有四个端口，其中第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口连接第i个激光放大器204，2
×
2光纤耦合器205的第二端口连接第i个光纤端帽206，第i个光纤端帽206连接第i个激光准直镜207，其中i＝1，2，
…
，n；对于入射到第i个光纤端帽206的激光，其中>99％的功率的激光经第i个光纤端帽206输出到第i个激光准直镜207，其余<1％的功率的激光经第i个光纤端帽206反射回原光路中。
[0095]1×
2激光分束/合束器202
‑
0的第三端口连接声光调制器212，声光调制器212用于产生一个频移，使得1
×
2激光分束/合束器202
‑
0输出的第二路激光经声光调制器212后，输出波长为λ1 δλ的激光。声光调制器212连接环形器211的第一端口，1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第三端口输出的第二路激光经声光调制器212后输出的波长为λ1 δλ的激光从环形器211的第一端口输入。环形器211的第二端口连接第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第一端口，第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第i个第二端口连接第i个第二相位调制器203
‑
2，第i个第二相位调制器203
‑
2连接第i个2
×
2光纤耦合器205的第三端口；环形器211的第三端口连接第一光电探测器209
‑
1，第一光电探测器209
‑
1连接第一相位控制模块210
‑
1，第一相位控制模块210
‑
1连接n个第一相位调制器203
‑
1，其中从环形器211的第一端口输入的激光只能从环形器211的第二端口输出，从环形器211的第二端口输入的激光只能从从环形器211的第三端口输出。
[0096]
第i个2
×
2光纤耦合器205的第四端口连接第i个第二光电探测器209
‑
2，第i个第二光电探测器209
‑
2连接第i个第二相位控制模块210
‑
2，第i个第二相位控制模块210
‑
2连接第i个第二相位调制器203
‑
2。
[0097]
所述2
×
2光纤耦合器205用于对激光进行分束，其具有四个端口，分别为第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。当激光从2
×
2光纤耦合器205的第一端口输入时，大部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输出，其他小部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器205的第四端口输出；当激光从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输入时，优选方案是，所有从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输入的激光全部从2
×
2光纤耦合器205的第四端口输出。当激光从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输入时，优选方案是，所有从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输入的激光全部从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输出。
[0098]
通过各第二相位控制模块210
‑
2生成各第二相位调制器203
‑
2的相位控制信号并输出到对应的第二相位调制器203
‑
2，使各第二光电探测器209
‑
2探测到的信号稳定到设定状态，通过第一相位控制模块210
‑
1生成各第一相位调制器203
‑
1的相位控制信号并输出到对应的第一相位调制器203
‑
1，使第一光电探测器209
‑
1探测到的信号稳定到最大值，进而实现输出激光的相位锁定。
[0099]
图4所示实施例中提供的分布式全光纤激光相控阵系统的相位控制方法，包括以下步骤：
[0100]
(1)开启n个第二相位控制模块，第二相位控制模块运算外差法，各第二相位控制
模块产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器，使各第二光电探测器探测到的信号稳定到设定状态，所述设定状态满足如下关系式：
[0101]
(ψ
x
ψ
ia
)
‑
(ψ
y
ψ
ic
)＝φ
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0102]
其中，1
×
2激光分束/合束器的第二端口与第一1
×
n激光分束/合束器的第一端口连接，ψx表示1
×
2激光分束/合束器的第二端口到第一1
×
n激光分束/合束器的第一端口之间的相位；第一1
×
n激光分束/合束器的第i个第二端口与第i个2
×
2光纤耦合器的第一端口连接，ψ
ia
表示第一1
×
n激光分束/合束器的第i个第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器的第一端口之间的相位；ψ
y
表示1
×
2激光分束/合束器的第三端口到第二1
×
n激光分束/合束器的第一端口之间的相位；ψ
ic
表示第二1
×
n激光分束/合束器的第i个第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器的第三端口之间的相位；φ
i
为设定的固定相位，i＝1，2，
…
，n。
[0103]
(2)开启第一相位控制模块，第一相位控制模块产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器，使第一光电探测器探测到的信号稳定到最大值，此时，种子激光源发出的激光，经过各光纤端帽反射，再由第二1
×
n激光分束/合束器合束的各路激光的相位保持一致，即满足如下关系式：
[0104]
ψ
1a
2ψ
1b
ψ
1c
＝ψ
2a
2ψ
2b
ψ
2c
＝
…
＝ψ
na
2ψ
nb
ψ
nc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0105]
其中，ψ
ib
表示第i个2
×
2光纤耦合器的第二端口到第i个光纤端帽的输出端之间的相位；
[0106]
将公式(4)代入公式(5)，可得到如下结果：
[0107]
ψ
1a
ψ
1b
‑
φ1＝ψ
2a
ψ
2b
‑
φ2＝
…
＝ψ
na
ψ
nb
‑
φ
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0108]
公式(6)表示表示种子激光源发出的激光，经过功率放大，由各光纤端帽输出的各路激光输出的相位分别为为φ
i
，即分别为φ1，φ2，
…
，φ
n
，从而实现对阵列光束的相位调控。
[0109]
参照图5，本发明一实施例提供一种分布式全光纤激光相控阵系统，包括种子激光源201、1
×
2激光分束/合束器202
‑
0、第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1、第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2、n个第一相位调制器203
‑
1、n个激光放大器204、n个2
×
2光纤耦合器205、n个光纤端帽206、n个激光准直镜207、一个第一光电探测器209
‑
1、n个第二光电探测器209
‑
2、一个第一相位控制模块210
‑
1、n个第二相位控制模块210
‑
2、一个环形器211和一个声光调制器212。
[0110]
所述第一相位控制模块210
‑
1上预先加载有优化算法，通过优化算法产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器。本发明中的优化算法不限，可以采用现有技术中各种相位控制优化算法，如单抖动法、spgd法等等。所述n个第二相位控制模块均运行外差法。
[0111]
种子激光源201用于出射波长为λ1的种子光，种子激光源201与1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第一端口连接，种子光被分为2路后分别从1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口、第三端口输出，1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口与第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第一端口连接，被分为n路子激光，第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第i个第二端口之后的光路上依次连接第i个第一相位调制器203
‑
1、第i个激光放大器204和第i个2
×
2光纤耦合器205，其中第i个激光放大器204与第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口连接，第i个2
×
2光纤耦合器205的第二端口连接第i个光纤端帽206，第i个光纤端帽206连接第i个激光准直镜207，其中i＝1，2，
…
，n。
[0112]
种子激光源201出射波长为λ1的种子光经1
×
2激光分束/合束器202
‑
0分为2路，其中第一路激光经第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1分为n路子激光，其中第i路子激光经第i个相位调制器203
‑
1相位调制、第i个激光放大器204进行功率放大后输入到第i个2
×
2光纤耦合器205；各2
×
2光纤耦合器205具有四个端口，其中第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口连接第i个激光放大器204，2
×
2光纤耦合器205的第二端口连接第i个光纤端帽206，第i个光纤端帽206连接第i个激光准直镜207，其中i＝1，2，
…
，n；对于入射到第i个光纤端帽206的激光，其中>99％的功率的激光经第i个光纤端帽206输出到第i个激光准直镜207，其余<1％的功率的激光经第i个光纤端帽206反射回原光路中。
[0113]1×
2激光分束/合束器202
‑
0的第三端口连接声光调制器212，声光调制器212用于产生一个频移，使得1
×
2激光分束/合束器202
‑
0输出的第二路激光经声光调制器212后，输出波长为λ1 δλ的激光。声光调制器212连接环形器211的第一端口，1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第三端口输出的第二路激光经声光调制器212后输出的波长为λ1 δλ的激光从环形器211的第一端口输入。环形器211的第二端口连接第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第一端口，第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2的第i个第二端口连接第i个第二相位调制器203
‑
2，第i个第二相位调制器203
‑
2连接第i个2
×
2光纤耦合器205的第三端口；环形器211的第三端口连接第一光电探测器209
‑
1，第一光电探测器209
‑
1连接第一相位控制模块210
‑
1，第一相位控制模块210
‑
1连接n个第二相位调制器203
‑
2，其中从环形器211的第一端口输入的激光只能从环形器211的第二端口输出，从环形器211的第二端口输入的激光只能从从环形器211的第三端口输出。
[0114]
第i个2
×
2光纤耦合器205的第四端口连接第i个第二光电探测器209
‑
2，第i个第二光电探测器209
‑
2连接第i个第二相位控制模块210
‑
2，第i个第二相位控制模块210
‑
2连接第i个第一相位调制器203
‑
1。
[0115]
所述2
×
2光纤耦合器205用于对激光进行分束，其具有四个端口，分别为第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。当激光从2
×
2光纤耦合器205的第一端口输入时，大部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输出，其他小部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器205的第四端口输出；当激光从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输入时，优选方案是，所有从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输入的激光全部从2
×
2光纤耦合器205的第四端口输出。当激光从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输入时，优选方案是，所有从2
×
2光纤耦合器205的第二端口输入的激光全部从2
×
2光纤耦合器205的第三端口输出。
[0116]
通过各第二相位控制模块210
‑
2生成各第一相位调制器203
‑
1的相位控制信号并输出到对应的第一相位调制器203
‑
1，使各第二光电探测器209
‑
2探测到的信号稳定到设定状态，通过第一相位控制模块210
‑
1生成各第二相位调制器203
‑
2的相位控制信号并输出到对应的第二相位调制器203
‑
2，使第一光电探测器209
‑
1探测到的信号稳定到最大值，进而实现输出激光的相位锁定。
[0117]
图5所示实施例中提供的分布式全光纤激光相控阵系统的相位控制方法，包括以下步骤：
[0118]
(1)开启n个第二相位控制模块210
‑
2，第二相位控制模块210
‑
2运算外差法，各第二相位控制模块210
‑
2产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器，使各第二光电探测器209
‑
2探测到的信号稳定到设定状态，所述设定状态满足如下关系式：
[0119]
(ψ
x
ψ
ia
)
‑
(ψ
y
ψ
ic
)＝φ
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0120]
其中，1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口与第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第一端口连接，ψ
x
表示1
×
2激光分束/合束器202
‑
0的第二端口到第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第一端口之间的相位；第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第i个第二端口与第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口连接，ψ
ia
表示第一1
×
n激光分束/合束器202
‑
1的第i个第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口之间的相位；ψ
y
表示1
×
2激光分束/合束器的第三端口到第二1
×
n激光分束/合束器的第一端口之间的相位；ψ
ic
表示第二1
×
n激光分束/合束器的第i个第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器的第三端口之间的相位；φ
i
为设定的固定相位，i＝1，2，
…
，n。
[0121]
(2)开启第一相位控制模块210
‑
1，第一相位控制模块210
‑
1产生相位控制信号并输出到对应的相位调制器，使第一光电探测器209
‑
1探测到的信号稳定到最大值，此时，种子激光源201发出的激光，经过各光纤端帽206反射，再由第二1
×
n激光分束/合束器202
‑
2合束的各路激光的相位保持一致，即满足如下关系式：
[0122]
ψ
1a
2ψ
1b
ψ
1c
＝ψ
2a
2ψ
2b
ψ
2c
＝
…
＝ψ
na
2ψ
nb
ψ
nc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0123]
其中，ψ
ib
表示第i个2
×
2光纤耦合器205的第二端口到第i个光纤端帽206的输出端之间的相位；
[0124]
将公式(4)代入公式(5)，可得到如下结果：
[0125]
ψ
1a
ψ
1b
‑
φ1＝ψ
2a
ψ
2b
‑
φ2＝
…
＝ψ
na
ψ
nb
‑
φ
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0126]
公式(6)表示表示种子激光源201发出的激光，经过功率放大，由各光纤端帽206输出的各路激光输出的相位分别为为φ
i
，即分别为φ1，φ2，
…
，φ
n
，从而实现对阵列光束的相位调控。
[0127]
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。