光纖激光陣列高速控制技術(shù)研究

1、光纖激光陣列高速控制技術(shù)研究光纖激光器是一種泵浦效率高、散熱好、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊的固體激光器, 被廣泛應(yīng)用于激光的能量傳輸以及信息傳輸。在這些領(lǐng)域中 , 模塊化拼接結(jié)構(gòu)的光纖激光陣列能夠?qū)崿F(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量的激光能量輸出 , 也能夠保證穩(wěn)定、高效的空間光至光纖自適應(yīng)耦合 , 是未來高能激光以及激光通信系統(tǒng)的重要研究對象。 近年來 , 隨著以自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器(AFOC為代表的新型自適應(yīng)光學(xué)像差校正器件研制成功 , 光纖激光陣列的應(yīng)用場景進(jìn)一步拓展, 逐漸具備了應(yīng)對實際大氣湍流擾動的能力。實現(xiàn)光纖激光陣列的高速控制 , 在高能激光領(lǐng)域中意味著更遠(yuǎn)的大氣傳輸距離、更高的合成光束能量, 在激光通

2、信領(lǐng)域中意味著更低的通信誤碼率。然而，受限于AFO湍件的諧振以及響應(yīng)延時現(xiàn)象, 陣列的控制帶寬會受到一定限制。 除此之外 , 隨著陣列控制規(guī)模的不斷發(fā)展(未來將達(dá)到百路以上 ), 使得實時算法控制器的設(shè)計變得非常困難。 本文將針對光纖激光陣列中這兩個關(guān)鍵問題被控器件AFOC勺高帶寬控制以及多通道高速實時算法控制器的設(shè)計展開研究。 主要研究內(nèi)容分為五個部分: 第一部分 , 分析了光纖激光陣列的控制帶寬。針對陣列中的控制算法隨機并行梯度下降(SPGD)算法進(jìn)行了公式推導(dǎo) , 分析了決定控制帶寬的各種因素 ; 測試了 AFOC的頻率響應(yīng)特性，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行了傳遞函數(shù)擬合；在AFOCt遞函數(shù)模型的基礎(chǔ)

3、上 , 仿真分析了器件頻率響應(yīng)特性中固有響應(yīng)延時以及諧振現(xiàn)象對SPG游制帶寬的影響，證明了進(jìn)行延時補償以及諧振抑制的必要性。第二部分, 設(shè)計了精確延時SPGD(Precise-delayedSPGD,PD-SPGD）法來補償固有響應(yīng)延時現(xiàn)象。介紹了 PD-SPGDJX 作原理；室內(nèi)開展了基于自適應(yīng)光纖耦合器（AFC）的光纖自適應(yīng)耦合 實驗，結(jié)果展示出PD-SPGD1也夠?qū)⑺惴║斂時間由6.3 ms降低至2.5 ms,同時動態(tài)角度抖動的控制帶寬提升1倍以上；開展了 520 m大氣湍 流下的光纖自適應(yīng)耦合實驗，結(jié)果展示出在PD-SPGDT法控制下系統(tǒng) 能夠?qū)崿F(xiàn)大氣湍流有效抑制 , 進(jìn)一步降低激光通

4、信中的誤碼率。第三 部分 , 提出了基于雙二階濾波器組的主動諧振抑制方法。介紹了該方法的諧振抑制原理，仿真分析了其諧振抑制效果；使用FPGAS成了濾 波器組的數(shù)字實現(xiàn); 搭建實驗平臺對該方法有效性進(jìn)行了驗證, 結(jié)果展示出AFOC勺諧振現(xiàn)象幾乎能夠得到完全補償，并且其時域的響應(yīng) 振蕩也得到了明顯的抑制。第四部分, 設(shè)計了應(yīng)用于大規(guī)模光纖激光陣列的模塊化SPGDT法硬件控制平臺。給出了平臺整體設(shè)計方案， 以及各部分詳細(xì)實現(xiàn)方式; 對平臺性能進(jìn)行了分析, 結(jié)果展示其控制精度、 實時性、 以及控制通道數(shù)均能夠滿足百單元光纖激光陣列需求 , 并且很容易進(jìn)行更大規(guī)模擴展。第五部分, 利用七單元光纖激光陣列開展了相干合成實驗，對提出的PD-SPG摩法、諧振抑制濾波器組、 以及模塊化硬件控制平臺有效性進(jìn)行了驗證。 結(jié)果展示出控制平臺能 夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的鎖相及傾斜控制 ; 濾波器組能夠?qū)﹂]環(huán)性能指標(biāo)的均方差以及抖動范圍進(jìn)行有效抑制；在此基礎(chǔ)上，PD-SPGD夠?qū)⑺惴ㄊ諗?時間由 5.63 ms 降低至 1.83 ms, 控制帶寬提升2倍以上。本論文圍繞光纖激光陣列高速控制技術(shù)進(jìn)行了理論分析、 數(shù)值仿真以及實