激光阵列活塞相位控制方法

技术领域

本发明属于光纤激光技术领域，具体地涉及一种激光阵列活塞相位控制方法。

背景技术

高功率光纤激光在材料焊接、切割等领域具有强烈的应用需求。利用多束激光进行相干合束是获取高功率激光的有效手段之一。在该方案中，一般采用主振荡功率放大器结构，由种子激光分束成若干束子激光，每一路激光分别放大之后再通过合束装置进行合束。实现相干合成的关键技术之一就是对各路激光的活塞相位进行控制，使各路激光之间的相位差尽可能的小，从而获取稳定高效的远场合成效果。利用对每一路激光施加不同频率的小幅度的高频正弦调制，然后用针孔采集部分远场光斑能量进行相关解调得到每一路的相位信息用于矫正各路之间的相位差。随着用于相干合成激光路数的提高，用于调制的高频正弦信号频率数量增加，使用模拟电路制作控制电路难度加大，若使用数字电路生成正弦调制信号，受采样点数和数字电路系统时钟的限制，可以使用的调制信号频率受限。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种激光阵列活塞相位控制方法。在本发明中采用不同频率的双极性的方波信号对各路激光进行相位调制，然后再进行相位差矫正。通过该技术方案，可以降低相位控制电路的研制难度，在保证控制带宽的前提下增加合成路数，为进一步提高相干合成路数实际操作具有重要意义。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种激光阵列活塞相位控制方法，在激光阵列活塞相位控制系统中，通过相位控制器控制激光阵列中各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压进而调控各路子激光的活塞相位，各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压为各路子激光传输路径中相位调制器的相位控制偏置电压与各路子激光对应的调制信号之和，各路子激光的调制信号为不同频率的双极性方波信号。

作为本发明的优选方案，所述激光阵列活塞相位控制系统包括种子源激光器、分束器、相位调制器、光纤激光放大系统、合束准直器、采样反射镜、聚焦透镜、光电探测器和相位控制器，所述种子源激光器的输出端连接分束器，将种子源激光器输出的光纤激光均分为n束子激光，各子激光对应的子激光传输路径上依次设有相位调制器和光纤激光放大系统，各子激光经光纤激光放大系统放大后经合束准直器准直输出到采样反射镜，经采样反射镜输出的一小部分采样光束经聚焦透镜入射到光电探测器，光电探测器将采集到的光信号转换为电信号并输出给相位控制器，相位控制器对该电信号进行处理得到各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压后施加到对应的相位调制器上，进而调控各路子激光的活塞相位。优选地，其中所述种子源激光器为低功率窄线宽光纤激光器。

作为本发明的优选方案，所述相位控制器包括数据采集模块、数据处理模块和数据输出模块，数据采集模块对接收的电信号进行噪声滤除和信号缩放后传送给数据处理模块；数据处理模块接收数据采集模块提供的电信号，并对该电信号进行相关解调得到各路子激光传输路径中相位调制器的相位控制偏置电压，同时数据处理模块生成n个调制信号，各调制信号分别对应一路子激光；数据输出模块输出各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压并施加到对应的相位调制器上。

作为本发明的优选方案，所述n个调制信号为n个不同频率的幅值为β的正交双极性方波信号。

作为本发明的优选方案，本发明中所述相位控制器产生各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压的方法，包括：

(1)预先设置系统运行时钟，系统运行时钟为调制信号的最小时间单位；设置相关解调的积分时间τ；设置各路子激光传输路径中相位调制器的初始相位控制偏置电压u

式中T

(2)施加到各路子激光传输路径中相位调制器的初始控制电压为初始相位控制偏置电压u

(3)光电探测器探测目标靶面光斑中心的光强变化，光电探测器将采集到的光信号转换为电信号并输出给经数据采集模块，数据采集模块对接收的电信号进行噪声滤除和信号缩放后传送给数据处理模块；

(4)数据处理模块计算各路子激光的相位误差信号，其中光电探测器输出到数据处理模块的光强变化电信号i

其中k为系数，P

(5)确定下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压后施加到对应的相位调制器上；其中各路子激光传输路径中相位调制器的最终控制电压的确定方法如下：

取S

计算下一次施加到第i路子激光传输路径中相位调制器的控制电压为下一次第i路子激光传输路径中相位调制器的相位控制偏置电压与双极性方波调制信号β·f(T

如果计算得到的下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压的数值在数据输出模块输出范围内，则下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的最终控制电压即为计算得到的下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压；如果计算得到的下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压的数值低于数据输出模块输出范围最小值，则下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的最终控制电压要在计算得到的下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压的基础上增加两个相位调制器半波电压V

(6)重复步骤(3)至(5)以进行连续补偿动态相位误差。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供了一种激光阵列活塞相位控制方法与传统激光阵列活塞相位控制方法不同。具体地，本发明通过对每一路子激光相位施加不同频率的双极性方波调制信号，再通过相关解调解调出该路子激光与其他路子激光之间相位差。通过该技术方案，可以降低相位控制电路的研制难度，在保证控制带宽的前提下增加合成路数，为进一步提高相干合成路数实际操作具有重要意义。

2、与现有多抖动法相比，本发明方法具有在同等硬件条件下可以实现更多路数的相干合成。

综上，本发明在激光相干合成领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1是一实施例的系统结构原理示意图。

图2是一实施例中的控制效果图。

具体实施方式

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。

本实施例提供一种激光阵列活塞相位控制方法，在激光阵列活塞相位控制系统中，通过相位控制器控制激光阵列中各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压进而调控各路子激光的活塞相位，各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压为各路子激光传输路径中相位调制器的相位控制偏置电压与各路子激光对应的调制信号之和，各路子激光的调制信号为不同频率的双极性方波信号。

参照图1，本实施例中的激光阵列活塞相位控制系统，包括低功率窄线宽线光纤激光器1、分束器2、相位调制器3、光纤激光放大系统4、合束准直器5、采样反射镜6、聚焦透镜7、带针孔的光电探测器8和相位控制器9。

从低功率窄线宽光纤激光器1输出的光纤激光首先入射到分束器2；经过分束器2后的激光接入相位调制器3然后注入到光纤激光放大系统4进行功率放大；经光纤激光放大系统4放大后的激光经过合束准直器5准直输出。经合束准直器5准直输出的光束经过采样反射镜6小部分反射光束经聚焦透镜7入射到带针孔的光电探测器8，透射光束发射到自由空间中。相位控制器9中的数据采集模块9-1接收到光电探测器8输出电信号，并对电信号进行噪声滤除和信号缩放后传送给数据处理模块9-2。数据处理模块9-2接收数据采集模块9-1提供的电信号，并对该电信号进行处理得到相位偏置电压，同时产生每一路的双极性方波调制信号。数据输出模块9-3将数据处理模块9-2得到的相位偏置电压和双极性方波调制信号相加后施加到相位调制器控制器3上。

本实施例中分束器将种子源激光器输出的光纤激光均分为4束子激光，因此数据处理模块生成4个调制信号f(T

T

(1)预先设置系统运行时钟；设置相关解调的积分时间τ；设置各路子激光传输路径中相位调制器的初始相位控制偏置电压u

(2)由数据输出模块施加到各路子激光传输路径中相位调制器的初始控制电压为u

(3)光电探测器探测目标靶面光斑中心的光强变化，光电探测器将采集到的光信号转换为电信号并输出给经数据采集模块，数据采集模块对接收的电信号进行噪声滤除和信号缩放后传送给数据处理模块；

(4)数据处理模块计算各路子激光的相位误差信号，其中光电探测器输出到数据处理模块的光强变化电信号i

其中i

(5)数据处理模块根据相位误差信号更新各路子激光传输路径中相位调制器的相位控制偏置电压，确定下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的最终控制电压后施加到对应的相位调制器上。

其中各路子激光传输路径中相位调制器的最终控制电压的确定方法如下：

取S

计算下一次施加到第i路子激光传输路径中相位调制器的控制电压为下一次第i路子激光传输路径中相位调制器的相位控制偏置电压与双极性方波调制信号β·f(T

如果计算得到的下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压的数值在数据输出模块输出范围内，则下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的最终控制电压即为计算得到的下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压；如果计算得到的下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压的数值低于数据输出模块输出范围最小值，则下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的最终控制电压要在计算得到的下一次施加到各路子激光传输路径中相位调制器的控制电压的基础上增加两个相位调制器半波电压V

为了进一步说明该新方法的优势，不失一般性，在本发明一具体实施例中设置初始值如下：运行时钟100MHz，T

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。