光纤激光阵列高速控制技术研究

1、光纤激光阵列高速控制技术研究光纤激光器是一种泵浦效率高、散热好、光束质量好、结构紧凑的固体激光器, 被广泛应用于激光的能量传输以及信息传输。在这些领域中 , 模块化拼接结构的光纤激光阵列能够实现高功率、高光束质量的激光能量输出 , 也能够保证稳定、高效的空间光至光纤自适应耦合 , 是未来高能激光以及激光通信系统的重要研究对象。 近年来 , 随着以自适应光纤准直器(AFOC为代表的新型自适应光学像差校正器件研制成功 , 光纤激光阵列的应用场景进一步拓展, 逐渐具备了应对实际大气湍流扰动的能力。实现光纤激光阵列的高速控制 , 在高能激光领域中意味着更远的大气传输距离、更高的合成光束能量, 在激光通

2、信领域中意味着更低的通信误码率。然而，受限于AFO湍件的谐振以及响应延时现象, 阵列的控制带宽会受到一定限制。 除此之外 , 随着阵列控制规模的不断发展(未来将达到百路以上 ), 使得实时算法控制器的设计变得非常困难。 本文将针对光纤激光阵列中这两个关键问题被控器件AFOC勺高带宽控制以及多通道高速实时算法控制器的设计展开研究。 主要研究内容分为五个部分: 第一部分 , 分析了光纤激光阵列的控制带宽。针对阵列中的控制算法随机并行梯度下降(SPGD)算法进行了公式推导 , 分析了决定控制带宽的各种因素 ; 测试了 AFOC的频率响应特性，并根据结果进行了传递函数拟合；在AFOCt递函数模型的基础

3、上 , 仿真分析了器件频率响应特性中固有响应延时以及谐振现象对SPG游制带宽的影响，证明了进行延时补偿以及谐振抑制的必要性。第二部分, 设计了精确延时SPGD(Precise-delayedSPGD,PD-SPGD）法来补偿固有响应延时现象。介绍了 PD-SPGDJX 作原理；室内开展了基于自适应光纤耦合器（AFC）的光纤自适应耦合 实验，结果展示出PD-SPGD1也够将算法U敛时间由6.3 ms降低至2.5 ms,同时动态角度抖动的控制带宽提升1倍以上；开展了 520 m大气湍 流下的光纤自适应耦合实验，结果展示出在PD-SPGDT法控制下系统 能够实现大气湍流有效抑制 , 进一步降低激光通

4、信中的误码率。第三 部分 , 提出了基于双二阶滤波器组的主动谐振抑制方法。介绍了该方法的谐振抑制原理，仿真分析了其谐振抑制效果；使用FPGAS成了滤 波器组的数字实现; 搭建实验平台对该方法有效性进行了验证, 结果展示出AFOC勺谐振现象几乎能够得到完全补偿，并且其时域的响应 振荡也得到了明显的抑制。第四部分, 设计了应用于大规模光纤激光阵列的模块化SPGDT法硬件控制平台。给出了平台整体设计方案， 以及各部分详细实现方式; 对平台性能进行了分析, 结果展示其控制精度、 实时性、 以及控制通道数均能够满足百单元光纤激光阵列需求 , 并且很容易进行更大规模扩展。第五部分, 利用七单元光纤激光阵列开展了相干合成实验，对提出的PD-SPG摩法、谐振抑制滤波器组、 以及模块化硬件控制平台有效性进行了验证。 结果展示出控制平台能 够实现稳定的锁相及倾斜控制 ; 滤波器组能够对闭环性能指标的均方差以及抖动范围进行有效抑制；在此基础上，PD-SPGD够将算法收敛 时间由 5.63 ms 降低至 1.83 ms, 控制带宽提升2倍以上。本论文围绕光纤激光阵列高速控制技术进行了理论分析、 数值仿真以及实