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板条固体激光和光纤激光的相干合成技术研究

谭毅  
【摘要】:随着激光技术的应用越来越广,对高功率和高光束质量的需求也越来越明显。板条固体激光器和光纤激光器由于其自身的优越性而成为当前激光器研究的热点。但是,由于受到热效应、非线性效应等因素的影响,在保证光束质量的前提下提高单台激光器的输出功率越来越困难。因此,能同时获得高功率和高光束质量的激光相干合成技术便倍受关注。本论文针对室内和大气传输两种相干合成环境,分析了激光相干合成中单路光束质量、填充因子等因素的影响,成功实现了两路和四路板条固体激光在实验室环境下的相干合成,完成了大气环境下的单光束瞄准以及三路和七路激光相干合成实验。论文的主要研究内容有:根据夫琅禾费衍射理论,推导了光束相干合成的远场光强分布计算模型;介绍了常用光束质量评价指标的定义、计算方法、优缺点以及适用范围;分析了三路矩形光束相干合成中单阶泽尼克波像差与合成光束质量的关系;仿真计算了不同光束形状在常见排布方式下的单路光束质量与合成光束质量的关系;结果表明:单阶泽尼克波像差与合成光束质量β因子近似满足公式2 2b?1+As,且拟合系数随着阶数的增加总体形式趋于变大;单路光束质量β因子的平均值与合成光束质量β因子近似满足2 2(1)1aveb=hb-+,且光束排列越紧密,拟合系数越大。理论分析了填充因子对光束相干合成远场光强分布的影响,发现填充因子通过影响空间调制因子来改变远场光强分布;推导了斯特列尔比、中央主瓣半径、中央主瓣能量密度、中央主瓣能量比、桶中功率与填充因子的关系式,绘制了关系曲线。仿真计算了填充因子对平移或倾斜像差校正的影响;计算结果表明对不同的填充因子和光束路数,只要将平移像差rms值校正到0.08λ以下、倾斜像差rms值校正到0.25λ/q以下,都能使相干合成后的PIB值大于无平移和倾斜像差时的PIB值的80%。完成了基于SPGD算法和能动分块反射镜的两路矩形光束相干合成实验,合成后的性能指标较开环提高了1.6倍,并对系统控制带宽进行了详细分析,发现扰动方式是影响带宽的一个重要因素。介绍了两路和四路板条固体激光相干合成的实验平台,对每路光束实行了光束净化,使单路光束质量β因子下降到2.5左右,进一步完成了两路和四路净化光束的相干合成,两路光束合成后的远场峰值光强从开环时的900提高到闭环后的1589,四路光束合成的则从开环时的1250提高到闭环后的2175,相干合成效果明显。介绍了光纤激光相干合成中的自制能动器件--自适应光纤光源准直器和压电相位调制器,测试了其相关性能;基于这两种器件,分别完成了目标在回路相干合成的两个阶段实验:单光束倾斜校正以及多光束的倾斜和锁相控制;在单光束倾斜校正方面,利用SPGD算法完成了200m以外的静态二维目标和三维目标的瞄准实验,视轴校正残差评价参数分别小于6%和10.8%,均在理论范围内,进一步实现了对慢运动动目标的瞄准,实验发现较小的增益系数能实现较高的瞄准精度,而较大的扰动幅值或增益系数能实现较快运动目标的瞄准;在多光束的倾斜和锁相控制方面,完成了三路和七路光纤激光经200m水平大气传输在目标处实现相位锁定和倾斜闭环的实验,在目标处获得了接近理论光斑的光斑图样;分析表明三路激光相干合成的系统综合带宽约为20Hz,七路合成的约为10Hz。本论文用理论和实验证明:在激光相干合成技术中,单路光束质量和填充因子对相干合成效果的影响较大,在实验中应特别注意对这两个因素的控制;无论是在室内,还是在大气传输环境,相干合成技术都能显著提高目标处的能量集中度,是同时获得高功率和高光束质量的一种有效手段。


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