多抖动法光纤MOPA链的相干合成

论文摘要

将多束较小功率的激光进行相干合成是获得高功率、高光束质量激光输出的一条重要途径,也是当前激光领域的学科前沿和研究热点。在众多方案当中,主振荡功率放大器（MOPA）方案备受瞩目,并提出了外差探测法、并行梯度下降（SPGD）法、多抖动法等多种相位控制方法。本文针对光纤激光相干合成问题,在国内率先开展了多抖动法主振荡功率放大器相干合成技术（Coherent Combination of MOPA with Multi-dithering Technique）的理论和实验研究,成功实现了两路和三路光纤放大器的相干合成输出。论文主要工作包括:1.从波动光学基本理论出发,论证了多抖动法MOPA方案的可行性;通过计算机仿真,研究了过渡时间、积分时间、反馈系数和光束数目等系统参数对合成效果的影响;根据经典控制理论,建立了多抖动法MOPA方案的控制模型,给出了整个系统的传递函数,分析了系统的信噪比和动态性能,并对时域分析做了补充说明。2.利用多抖动法测量了实验室条件下瓦量级光纤放大器输出光束的相位噪声分布特性,发现这些噪声集中在1kHz以内。开展了多抖动法实验研究,在国内首次采用多抖动法MOPA方案实现了两路和三路光纤放大器的相干合成。实验中,每路光纤放大器的输出功率为1瓦。两路合成时,合成光束相干度在开环条件下为0.19,闭环后达到0.93,合成效率为80%;三路合成时,合成光束相干度在开环条件下为0.12,闭环后达到0.81,合成效率为77%。实验结果表明,多抖动法使各放大器输出光束的相位噪声得到了有效补偿,实现了相位锁定和高相干度光束的稳定输出。3.指出大数量光束相干合成时存在的问题,提出了分级合成的解决方案,并通过计算机仿真初步验证了该方案的可行性;针对多光束合成时设备多、成本高的问题,设计了控制电路总体方案及主要模块电路原理图。研究发现,多抖动法MOPA相干合成方案具有操作简单、扩展性强和稳定性高的优点,是获得高功率、高光束质量激光输出的一条有效途径。本文比较系统、深入地研究了基于光纤放大器的多抖动法主振荡功率放大器相干合成技术,其成果对下一步深入开展多抖动法多光束相干合成研究具有重要参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 MOPA 相干合成方案研究进展
• 1.2.1 MOPA 方案简介
• 1.2.2 MOPA 方案研究进展
• 1.3 论文研究内容和组织结构
• 第二章 多抖动法MOPA 相干合成方案理论分析
• 2.1 多抖动法MOPA 相干合成方案原理
• 2.1.1 方案简介
• 2.1.2 方案原理
• 2.2 系统参数对合成效果的影响
• 2.2.1 参数定义
• 2.2.2 过渡时间
• 2.2.3 积分时间
• 2.2.4 反馈系数
• 2.2.5 光束数目
• 2.2.6 其它因素
• 本章小结
• 第三章 多抖动法MOPA 方案控制模型建立与分析
• 3.1 自动控制理论简介
• 3.1.1 反馈控制原理
• 3.1.2 反馈控制系统基本组成
• 3.1.3 反馈控制系统基本要求
• 3.2 多抖动法MOPA 方案控制模型建立
• 3.2.1 系统总体概述
• 3.2.2 光电探测器模型
• 3.2.3 其它器件模型
• 3.2.4 第i 路光束相位控制系统模型
• 3.3 控制系统性能分析
• 3.3.1 系统信噪比
• 3.3.2 系统性能分析
• 本章小结
• 第四章 多抖动法光纤MOPA 相干合成实验研究
• 4.1 光纤放大器相位噪声分析
• 4.1.1 相位噪声特性
• 4.1.2 相位噪声测量
• 4.2 两路光纤放大器相干合成实验（单路控制）
• 4.2.1 实验原理
• 4.2.2 实验结果及分析
• 4.3 两路光纤放大器相干合成实验（双路控制）
• 4.3.1 实验原理
• 4.3.2 实验结果及分析
• 4.4 三路光纤放大器相干合成实验
• 4.4.1 实验原理
• 4.4.2 实验结果及分析
• 4.4.3 同两路光束合成实验的比较
• 本章小结
• 第五章 大数量光束相干合成方案初探
• 5.1 大数量光束相干合成存在问题
• 5.2 分级相干合成方案
• 5.2.1 方案简介
• 5.2.2 仿真验证
• 5.3 系统控制电路设计
• 5.3.1 控制电路总体结构
• 5.3.2 信号预处理模块
• 5.3.3 信号发生模块
• 第六章 工作总结及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果