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 oscillator power amplifier，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：
6.一种全光纤激光相控阵系统，包括种子激光源、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、空间光相位调制器、光电探测器、相位控制模块、探测光源和波分复用器；
7.种子激光源用于出射波长为λ1的种子光，种子激光源与第一1
×
n激光分束/合束器的第一输端口连接，被分为n路子激光，第一1
×
n激光分束/合束器的第i个第二输端口之后的光路上依次连接第i个第一相位调制器、第i个激光放大器和第i个2
×
2光纤耦合器，其中第i个激光放大器与第i个2
×
2光纤耦合器的第一端口连接，第i个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；
8.探测光源用于出射波长为λ2的探测光，探测光源连接在第一波分复用器的第三端口连接，第一波分复用器的第二端口与第三光电探测器连接，第三光电探测器连接第三相位控制模块，第三相位控制模块控制连接n个第一相位调制器；第一波分复用器的第一端口与第二1
×
n激光分束/合束器的第一端口连接；第二1
×
n激光分束/合束器的第i个第二端口对应连接第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；
9.第i个2
×
2光纤耦合器的第四端口连接第i个第三相位调制器，第i个第三个相位调制器分别对应连接第三1
×
n激光分束/合束器的第i个第二端口，第三1
×
n激光分束/合束器的第一端口连接第二波分复用器的第一端口，第二波分复用器的第二端口与第一光电探测器连接；第二波分复用器的第三端口与第二光电探测器连接。第一光电探测器连接第一相位控制模块，第一相位控制模块控制连接n个第三相位调制器；第二光电探测器连接第二相位控制模块，第二相位控制模块控制连接n个第二相位调制器。
10.本发明一优选实施例中，所述2
×
2光纤耦合器用于对激光进行分束。当激光从2
×
2光纤耦合器的第一端口输入时，大部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器的第二端口输出，其他小部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器的第四端口输出。当激光从2
×
2光纤耦合器的第三端口输入时，优选地，全部从2
×
2光纤耦合器的第四端口输出。由于目前现有的2
×
2光纤耦合器，通常是做不到全部从2
×
2光纤耦合器的第四端口输出。因此，当激光从2
×
2光纤耦合器的第三端口输入时，一般大部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器的第四端口输出，其他小部分的功率的激光可能会从第二端口输出。当激光从2
×
2光纤耦合器的第二端口输入时，优选地，全部从2
×
2光纤耦合器的第三端口输出。同样由于目前现有的2
×
2光纤耦合器，通常是做不到全部从2
×
2光纤耦合器的第三端口输出。因此，当激光从2
×
2光纤耦合器的第二端口输入时，一般大部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器的第三端口输出，其他小部分的功率的激光可能会从第一端口输出。
11.本发明一优选实施例中，所述波分复用器用于将不同波长的两束激光合为一束，或者将一束激光的按照不同波长成分分开。
12.本发明一优选实施例中，经光纤入射到第i个光纤端帽的激光，其中》99％的功率的激光经第i个光纤端帽输出到第i个激光准直镜，其余《1％的功率的激光经第i个光纤端帽反射回光纤中。
13.本发明一优选实施例中，还包括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的相位φi。
14.所述第一相位控制模块、第二相位控制模块以及第三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。所述优化算法不限。依次开启第一相位控制模块、第二相位控制模块以及第三相位控制模块，可以实现全光
纤激光相控阵系统的相位控制。第一光电探测器产生的电信号输入到第一相位控制模块，第一相位控制模块上的优化算法产生相位控制信号并输出到对应的第三相位调制器，调整由第三1
×
n激光分束/合束器合束的各路子激光的活塞相位，使第一光电探测器探测到的信号稳定到最大值。第二光电探测器产生的电信号输入到第二相位控制模块，第二相位控制模块上的优化算法产生相位控制信号并输出到对应的第二相位调制器，调整由第三1
×
n激光分束/合束器合束的各路激光的活塞相位，使第二光电探测器探测到的信号稳定到最大值。第三光电探测器产生的电信号输入到第三相位控制模块，第三相位控制模块上的优化算法产生相位控制信号并输出到对应的第一相位调制器，调整由第二1
×
n激光分束/合束器合束的各路激光的活塞相位，使第三光电探测器探测到的信号稳定到最大值。
15.上述任一实施例中所提供的全光纤激光相控阵系统的相位控制方法，包括以下步骤：
16.(1)开启第一相位控制模块，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，经过第一1
×
n激光分束/合束器分束，再由第三1
×
n激光分束/合束器合束的各路子激光的相位保持一致，即满足如下关系式：
17.ψ
1a
ψ
1d
＝ψ
2a
ψ
2d
＝
…
＝ψ
na
ψ
nd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
18.其中，ψ
ia
表示第i个第一1
×
n激光分束/合束器的第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器第一端口之间的相位；ψ
id
表示第i个第三1
×
n激光分束/合束器的第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器的第四端口之间的相位。
19.(2)开启第二相位控制模块，使第二光电探测器探测到的信号稳定到最大值，此时探测光源发出的探测光，经过第二1
×
n激光分束/合束器分束，再由第三1
×
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：
20.ψ
1c
ψ
1d
＝ψ
2c
ψ
2d
＝
…
＝ψ
nc
ψ
nd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
21.其中，ψ
ic
表示第i个第二1
×
n激光分束/合束器的第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器的第三端口之间的相位。
22.(3)开启第三相位控制模块，使第三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：
23.ψ
1a
2ψ
1b
ψ
1c
＝ψ
2a
2ψ
2b
ψ
2c
＝
…
＝ψ
na
2ψ
nb
ψ
nc
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
24.其中，ψ
ib
表示第i个2
×
2光纤耦合器205第2端口到第i个光纤端帽206输出端之间的相位。
25.将公式(1)、公式(2)和公式(3)相加，可以得到如下结果：
26.ψ
1a
ψ
1b
＝ψ
2a
ψ
2b
＝
…
＝ψ
na
ψ
nb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
27.公式(4)表示种子激光源发出的激光，经过功率放大，由n个光纤端帽输出的n路激光彼此间的相位相同，实现了输出激光的相位锁定。
28.进一步地，所述第一相位控制模块、第二相位控制模块以及第三相位控制模块均预先加载有优化算法。
29.步骤(1)中，第一光电探测器产生的电信号输入到第一相位控制模块，第一相位控制模块上的优化算法产生相位控制信号并输出到对应的第三相位调制器，调整由第三1
×
n激光分束/合束器合束的各路子激光的活塞相位，使第一光电探测器探测到的信号稳定到
最大值；
30.步骤(2)中，第二光电探测器产生的电信号输入到第二相位控制模块，第二相位控制模块上的优化算法产生相位控制信号并输出到对应的第二相位调制器，调整由第三1
×
n激光分束/合束器合束的各路激光的活塞相位，使第二光电探测器探测到的信号稳定到最大值；
31.步骤(3)中，第三光电探测器产生的电信号输入到第三相位控制模块，第三相位控制模块上的优化算法产生相位控制信号并输出到对应的第一相位调制器，调整由第二1
×
n激光分束/合束器合束的各路激光的活塞相位，使第三光电探测器探测到的信号稳定到最大值。
32.进一步地，本发明还包括步骤(4)，第i个激光准直器对应连接第i个空间光相位调制器，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的相位φi，i＝1，2，
…
，n，使经各空间光相位调制器输出的各路激光的相位为φi，从而实现对阵列光束的相位调控。
33.相对于现有技术，本发明具有的有益技术效果：
34.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。
35.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
36.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。
37.图1为现有技术中的光纤激光相控阵的结构示意框图；
38.图2为本发明一实施例中提供的一种全光纤激光相控阵系统。
39.图2中的标号说明：
40.201、种子激光源；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；202-3、第三1
×
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；203-3、第三相位调制器；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；209-3、第三光电探测器；210-1、第一相位控制模块；210-2、第二相位控制模块；210-3、第三相位控制模块；211、探测光源；212-1、第一波分复用器；212-2、第二波分复用器。
41.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
42.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。
43.参照图2，本发明一实施例中提供一种全光纤激光相控阵系统，包括1个种子激光源201、3个1
×
n激光分束/合束器、3n个相位调制器、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、3个光电探测器、3个加载有优化算法的相位控制模块、1个探测光源211、2个波分复用器。
44.其中1
×
n激光分束/合束器具有1个第一端口，具有n个第二端口，当激光从第一端端口输入时，激光被均分为n路后分别从n个第二端口输出。当n路激光分别从n个第二端口输入时，n路激光被合为1路从第一端口输出。
45.所述相位调制器用于改变激光的活塞相位。所述激光放大器用于对激光的功率进行放大。
46.所述波分复用器用于将不同波长的两束激光合为一束，或者将一束激光的按照不同波长成分分开。
47.所述2
×
2光纤耦合器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光纤耦合器的第一端口输入时，大部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器的第二端口输出，其他小部分功率的激光从2
×
2光纤耦合器的第四端口输出；当激光从2
×
2光纤耦合器的第三端口输入时，优选方案是，所有从2
×
2光纤耦合器的第三端口输入的激光全部从2
×
2光纤耦合器的第四端口输出。当激光从2
×
2光纤耦合器的第二端口输入时，优选方案是，所有从2
×
2光纤耦合器的第二端口输入的激光全部从2
×
2光纤耦合器的第三端口输出。
48.参照图2，本实施例其具体的光路结构如下：种子激光源201用于出射波长为λ1的种子光，种子激光源201与第一1
×
n激光分束/合束器202-1的第一输端口连接，被分为n路子激光，第一1
×
n激光分束/合束器202-1的第i个第二输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；
49.探测光源211用于出射波长为λ2的探测光(其中λ2≠λ1)，探测光源211连接在第一波分复用器212-1的第三端口连接，第一波分复用器212-1的第二端口与第三光电探测器连209-3接，第三光电探测器209-3连接第三相位控制模块210-3，第三相位控制模块210-3控制连接n个第一相位调制器203-1；第一波分复用器212-1的第一端口与第二1
×
n激光分束/合束器202-2的第一端口连接；第二1
×
n激光分束/合束器202-2的第i个第二端口对应连接第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；
50.第i个2
×
2光纤耦合器205的第四端口连接第i个第三相位调制器203-3，第i个第三个相位调制器203-3分别对应连接第三1
×
n激光分束/合束器202-3的第i个第二端口，第三1
×
n激光分束/合束器202-3的第一端口连接第二波分复用器212-2的第一端口，第二波分复用器212-2的第二端口与第一光电探测器209-1连接；第二波分复用器212-2的第三端口与第二光电探测器209-2连接。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控制连接n个第三相位调制器203-3；第二光电探测器209-2连接第二相
位控制模块210-2，第二相位控制模块210-2控制连接n个第二相位调制器203-2。
51.本实施例中，所述光纤端帽206可以用于降低光纤激光输出端的功率密度，经光纤入射到第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反射回光纤中。
52.本实施例中，所述第i个激光准直镜207用于将第i个光纤端帽206输出的激光进行准直，并发射到第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φi，从而实现对阵列光束的相位调控。
53.所述第一相位控制模块、第二相位控制模块以及第三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。所述优化算法不限。依次开启第一相位控制模块、第二相位控制模块以及第三相位控制模块，可以实现全光纤激光相控阵系统的相位控制。第一光电探测器产生的电信号输入到第一相位控制模块，第一相位控制模块上的优化算法产生相位控制信号并输出到对应的第三相位调制器，调整由第三1
×
n激光分束/合束器合束的各路子激光的活塞相位，使第一光电探测器探测到的信号稳定到最大值。第二光电探测器产生的电信号输入到第二相位控制模块，第二相位控制模块上的优化算法产生相位控制信号并输出到对应的第二相位调制器，调整由第三1
×
n激光分束/合束器合束的各路激光的活塞相位，使第二光电探测器探测到的信号稳定到最大值。第三光电探测器产生的电信号输入到第三相位控制模块，第三相位控制模块上的优化算法产生相位控制信号并输出到对应的第一相位调制器，调整由第二1
×
n激光分束/合束器合束的各路激光的活塞相位，使第三光电探测器探测到的信号稳定到最大值。
54.本发明另一实施例中，提供上述实施例中全光纤激光相控阵系统的相位控制方法，包括如下步骤：
55.(1)开启第一相位控制模块210-1，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，经过第一1
×
n激光分束/合束器202-1分束，再由第三1
×
n激光分束/合束器202-3合束的各路子激光的相位保持一致，即满足如下关系式：
56.ψ
1a
ψ
1d
＝ψ
2a
ψ
2d
＝
…
＝ψ
na
ψ
nd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
57.其中，ψ
ia
表示第i个第一1
×
n激光分束/合束器202-1的第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器205的第一端口之间的相位；ψ
id
表示第i个第三1
×
n激光分束/合束器202-3的第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器205的第四端口之间的相位。
58.(2)开启第二相位控制模块203-2，使第二光电探测器209-2探测到的信号稳定到最大值，此时探测光源211发出的探测光，经过第二1
×
n激光分束/合束器202-2分束，再由第三1
×
n激光分束/合束器202-3合束的各路激光的相位保持一致，即满足如下关系式：
59.ψ
1c
ψ
1d
＝ψ
2c
ψ
2d
＝
…
＝ψ
nc
ψ
nd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
60.其中，ψ
ic
表示第i个第二1
×
n激光分束/合束器202-2的第二端口到第i个2
×
2光纤耦合器205的第三端口之间的相位。
61.(3)开启第三相位控制模块203-3，使第三光电探测器209-3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：
62.ψ
1a
2ψ
1b
ψ
1c
＝ψ
2a
2ψ
2b
ψ
2c
＝
…
＝ψ
na
2ψ
nb
ψ
nc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
63.其中，ψ
ib
表示第i个2
×
2光纤耦合器205第2端口到第i个光纤端帽206输出端之间
的相位。
64.将公式(1)、公式(2)和公式(3)相加，可以得到如下结果：
65.ψ
1a
ψ
1b
＝ψ
2a
ψ
2b
＝
…
＝ψ
na
ψ
nb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
66.公式(4)表示种子激光源201发出的激光，经过功率放大，由n个光纤端帽206输出的n路激光彼此间的相位相同，实现了输出激光的相位锁定。
67.(4)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φi，i＝1，2，
…
，n，使经各空间光相位调制器208输出的各路激光的相位为φi，从而实现对阵列光束的相位调控。
68.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。