一種光參量振蕩器陣列相干組束系統及主動控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及高功率光纖激光陣列相干組束技術，具體是指一種光參量振蕩器陣列 相干組束系統。
【背景技術】
[0002] 利用全固態激光器或光纖激光器泵浦周期極化晶體實現準相位匹配（QPM)的光 學參量振蕩器（Optical Parameter Oscillator-OPO)，是獲得可調諧中紅外光源的有效途 徑，具有重要的研宄意義和實用價值。但是，受到熱效應、非線性效應以及周期性極化晶體 物理損傷閾值的限制，單臺中紅外光參量振蕩器無法達到很高的輸出能量或功率，并同時 保持高的光束質量。而多臺激光器可以通過相干合成技術對光場施行一定的相干調控，從 而實現高功率激光輸出，同時改善光束質量。
[0003]目前，相干合成技術在非線性頻率變換領域應用的報道很少，且主要是采用基頻 光合成后再應用的方式，其實質依然是基頻光的相干合成。由于相位調制器和非線性晶體 在熱性能、機械性能以及抗損傷閾值上均遠遜于激光介質材料，因此這種合成方式限制了 其功率擴展性。利用光參量振蕩器陣列光束光場相位的非線性關聯性，并結合高速并行化 的相位控制方法，通過置于放大器前端的相位調制器調芐基頻光相位以鎖定中紅外光參量 振蕩器陣列光束間的相位，實現中紅外光波主動鎖相相干合成，從而提高中紅外波段固體 激光的輸出功率水平和光束質量，對中紅外固體激光的發展和應用具有較大的推動作用。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種光參量振蕩器陣列相干組束系統，達到通過置于光纖 放大器前端的相位調制器來調芐基頻光相位以鎖定中紅外光參量振蕩器陣列光束間的相 位的目的，實現中紅外光波的主動鎖相相干合成。
[0005]本發明的目的通過下述技術方案實現：
[0006] -種光參量振蕩器陣列相干組束系統，其特征在于：包括光纖種子源模塊、光纖放 大模塊、光參量振蕩放大模塊、光電探測模塊以及主動相位控制模塊；其中
[0007]光纖種子源模塊：產生種子光并將種子光分為多路子光束；
[0008] 光纖放大模塊：用于將各個子光束進行功率放大；
[0009]光參量振蕩放大模塊：用于產生光參量振蕩子光束并進行功率放大；
[0010] 光電探測模塊：用于將放大后的各個光參量振蕩子光束進行相干合成輸出，并探 測光束陣列合成的環圍光強；
[0011] 主動相位控制模塊：將光電探測模塊探測到的合成光束環圍光強，作為反饋輸入 信號，控制光纖放大器陣列的相位，使得各個光參量振蕩子光束的相位一致，形成閉環控 制。
[0012] 所述的光纖種子源模塊包括：光纖激光器，作為光纖激光輸入端產生種子光；光 纖分路器，用于將光纖激光器產生的種子光進行分束，將一束激光分成多路的子光束。本 發明的光纖種子源模塊不需要本振參考光作為基準，利用光纖分路器將光源分成多個子光 束，這些子光束之間的基本性能相類似，直接可以用于后續的控制，相對于現有技術中的以 本振參考光作為基準的方式，大大簡化了系統，有利于實現高效輸出。
[0013] 所述光纖放大模塊包括：N路保偏光纖放大器，N為正整數，用于將經過主動相位 控制模塊的各個子光束進行功率放大；準直器陣列：用于將各放大子光束進行準直，使各 個子光束的方向相互平行輸出；反射鏡：將光纖準直輸出的光束進行反射；合束棱鏡：用于 將經過反射鏡的各子光束進行反射并平行輸出。
[0014] 所述的光參量振蕩放大模塊包括：
[0015] 短焦透鏡：將合束棱鏡輸出的光束進行聚焦，并輸出至光參量振蕩放大器前腔 鏡；
[0016] 光參量振蕩放大器前腔鏡：對短焦透鏡聚焦的光束高透，對中紅外光參量振蕩光 束尚反；
[0017] 光參量振蕩介質晶體：產生并放大中紅外光參量振蕩光束；
[0018] 光參量振蕩放大器后腔鏡：對光參量振蕩介質晶體產生的中紅外光參量振蕩光束 一部分反射，另一部分透過。
[0019] 所述的光電探測模塊包括分束鏡、長焦透鏡、小孔光闌、以及光電探測器；其中分 束鏡將光參量振蕩放大模塊輸出的中紅外光參量振蕩光束分為透射光束和反射光束，其中 透射光束平行輸出，反射光束被長焦透鏡聚焦通過小孔光闌進入到光電探測器。
[0020] 所述的主動相位控制模塊包括光學部分和電路部分，其中光學部分包括各子光束 經過的光纖波導型鈮酸鋰相位控制器，是光束相位控制的執行器件；電路部分包括相位控 制電路，相位控制電路將光電探測器采集到的環圍光強信號作為電路輸入信號控制鈮酸鋰 相位控制器輸出。
[0021] 所述的相位控制電路包括依次連接的輸入信號J、衰減電路、AD9244、FPGA，其中 FPGA輸出的2個通道信號分別依次經過D/A、IV運放、±5V運放，±5V運放輸出1至2個 通道至光纖波導型鈮酸鋰相位控制器（3)進行相位控制。
[0022] 一種光參量振蕩器陣列相干組束系統的主動控制方法，在主動控制模塊中u = {+}，Ui代表第i個子光束相位控制器單玻片上的控制電壓，其控制過程包括以下步驟：
[0023] (a)對各控制通道同時施加隨機擾動S Ui= { S u /，S Ui2}，S屮為統計獨立的隨 機變量，并且方差相等，均值為零，概率密度關于均值對稱，即：
[0024] 〈 8 uj = 0，〈 8 w 8 Uj〉= 〇 2 8 u
[0025] (b)給各個通道施加正向擾動電壓S u，得到評價函數：J+= J(u+ S u);
[0026] (c)施加負向擾動電壓_ S u給各個通道，得到評價函數：r= J(u- S u);
[0027] (d)每輪迭代過程中，對一組隨機變量{ S UJ分別施加正向和負向擾動之后，得到 評價函數的改變量：
[0028]
[0029] (e)則根據算法可以得到下一步迭代的控制電壓：
[0030]
[0031] 其中，Yn為第n步的松弛因子即增益系數；經過多次迭代，評價函數J沿著梯度 方向快速收斂到最大值，從而實現光參量振蕩光束相位的控制，獲得高效穩定地相干合成 輸出。
[0032]本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：
[0033] 1本發明一種光參量振蕩器陣列相干組束系統及主動控制方法，根據光參量振蕩 器陣列光束相位的非線性關聯性，利用置于放大器前端的相位調制器調芐基頻光相位以鎖 定中紅外波段光參量振蕩器陣列光束間的相位，實現中紅外光波的主動鎖相相干合成，光 路結構緊湊，可靠性強，體積小，相比于現有中紅外固體激光相干合成技術中采用基頻光合 成后再應用的方式，能夠較大程度地解決相位調制器和光參量振蕩非線性晶體的強光熱損 傷問題，可以極大地提高中紅外合成光束的功率擴展性；
[0034] 2本發明一種光參量振蕩器陣列相干組束系統及主動控制方法，不需要相位相關 檢測過程，優化算法運行控制速度快，合成路數多，電路簡單可靠，便于實現。
【附圖說明】
[0035]此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部 分，并不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：
[0036] 圖1為本發明原理框圖旋轉90°后的視圖；
[0037] 圖2為本發明主動相位控制模塊的結構框圖；
[0038] 圖3為本發明中相位控制電路的電路框圖。
[0039] 附圖中標記及相應的零部件名稱：
[0040] 1-光纖激光器，2-光纖分路器，3-光纖波導型鈮酸鋰相位控制器，4-保偏光纖放 大器，5-準直器陣列，6-反射鏡，7-合束棱鏡，8-短焦透鏡，9-光參量振蕩放大器前腔鏡， 1〇-光參量振蕩介質晶體，1卜光參量振蕩放大器后腔鏡，12-分束鏡，13-長焦透鏡，14-準 直器陣列，15-小孔光闌。
【具體實施方式】
[0041] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本 發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發明，并不作 為對本發明的限定。
[0042] 實施例
[0043]如圖1至3所示，本發明一種光參量振蕩器陣列相干組束系統，包括光纖種子源模 塊、光纖放大模塊、光參量振蕩放大模塊、光電探測模塊以及主動相位控制模塊；其中光纖 種子源模塊包括：光纖激光器1選用單頻線偏振單模光纖激光器作為種子光源，其輸出功 率為50mW量級，線寬為1kHz，功率波動〈1 % p-p，波長穩定性<10pm，偏振消光比>20dB， 種子光由尾纖輸出；光纖分路器2,用于將光纖激光器產生的激光束進行分束，將一束激光 分成多路的子光束，產生的多路子光束輸送至高速鈮酸鋰相位控制器3控制光束陣列的 相位；各子光束分別經過光纖波導鈮酸鋰相位控制器3后，由保偏光纖放大器4進行功率 放大，本實施例中光纖放大模塊由2路保偏光纖放大器4構成，根據不同的分束路數，可 以采用相匹配的保偏光纖放大模塊；單路輸入功率>10mW