一种激光偏振相干快速合成方法与流程

本发明涉及激光器，尤其是一种基于激光偏振相干合成系统进行激光偏振相干快速合成的方法。

背景技术：

1、激光合成技术可以把多个激光子束的功率进行叠加，在单个子束的功率提升潜力受限的情况下，是一种有效实现高功率高亮度激光光源的方法，近些年得到了显著的发展。其中，相干合成技术把多个高相干、高偏振的激光子束运用相干相长的方法把多个子束的激光进行功率叠加，在一众激光合成技术里具有不牺牲子束线宽、拥有较强的可拓展性、光束质量退化率低等独特优势，近些年来得到了显著的发展。

2、在合束方式上，相干合成有近场相干合成与远场相干合成两种形式，其中近场相干合成相比于远场相干合成对阵列本身的精度要求低、无传输距离要求，且远场光斑无旁瓣存在，更有利于高亮度激光集成光源的实现。

3、2010年，美国lockheed martin coherent technologies公司提出了偏振相干合成(cpbc)技术，利用相干光相位可控的原理，结合低损耗的偏振分束器(pbs)，通过伺服相位控制可以在近场实现高效相干合成。该技术所产生的偏振合成激光偏振度不会发生退化，因此可以实现多级合束，理论上可以无限拓展合成路数。另外，cpbc技术对子束阵列的指向性与占空比要求不高，因为合成系统中应用了反射镜对光轴与光斑位置等进行调试，因此系统灵活性高，近些年在光纤激光、半导体激光等领域受到了广泛关注。

4、但是，cpbc技术需要结合伺服相位控制，在特定的偏振态进行起偏才可以使得合成功率达到最大值。如果基于原有理论进行分析，算法是否闭环与光学系统的调试耦合在一起，无法实现快速判断调试的效果，从而无法快速提升合成效率。具体的，由于cpbc技术中，子束的相位在不断的抖动，且其抖动频率与幅度均为随机量，因此在运用算法或者算法未闭环的情况下无法判断合成孔径是否重叠、光轴是否对齐、起偏偏振态是否达到最优。另外，算法的闭环也需要运用合成出光的功率特性进行判断。因此，亟需一种快速调试方法实现cpbc效率的快速提升。

技术实现思路

1、本发明的发明目的在于：针对上述存在的全部或部分问题，提供一种激光偏振相干快速合成方法，以实现高效激光偏振相干合成。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种激光偏振相干快速合成方法，该方法基于激光偏振相干合成系统实现，所述激光偏振相干合成系统包括：

4、在多束具有高相干性的激光子束的光路上设置有相位调制装置和偏振相干合成模块，所述相位调制装置和偏振相干合成模块的光路之间设置有偏振调整装置和光束准直装置；

5、所述偏振相干合成模块以每一子束作为初级待合束光束进行逐级合成，每一级合成均将相邻两束待合束光束成对进行合路；对应每一级合成，每对待合束光束的光路上均设置有相互配合的光轴与光斑位置调整装置-偏振分束器对进行合路，并经λ/2玻片后作为下一级合成的待合束光束，每一级合成中未成对的待合束光束直接进入下一级合成；在最后一级合成的光束的光路上设置有探测分束装置，在所述探测分束装置的一路分束光路上设置有光电探测装置；

6、所述激光偏振相干快速合成方法包括：

7、通过偏振调整装置将成对的初级待合束光束的偏振态分别调整为s偏振态与p偏振态，以及将未成对的初级待合束光束的偏振态分别调整为s偏振态；

8、对于每一级合成，调整每一对待合束光束光路上的光轴与光斑位置调整装置，使每一对待合束光束在经过该级的偏振分束器后具有重叠的光斑位置和平行的光轴；

9、通过相位调制装置分别对各初级待合束光束添加不同的调制频率进行相位调制；

10、旋转各级的λ/2玻片以使光电探测装置采集的光电压信号的瞬时最大值最大。

11、进一步的，对于每对待合束光束，所述光轴与光斑位置调整装置均设置于排序在前的待合束光束的光路上，所述偏振分束器均设置于排序在后的待合束光束的光路上。

12、进一步的，所述相位调制装置对应每个子束分别设置有相位调制器；所述偏振调整装置对应每个子束分别设置有偏振控制器；所述光束准直装置对应每个子束分别设置有光纤准直器或准直透镜组。

13、进一步的，所述相位调制器为在调制相位时对激光幅度无影响的器件。

14、进一步的，所述偏振控制器为光纤偏振控制器，或者为λ/2玻片与λ/4玻片的组合结构。

15、进一步的，所述光电探测装置的采样带宽和采样率被配置为不低于所述相位调制装置调制频率最大值的两倍。

16、进一步的，所述具有高相干性的激光子束偏振度为100％。

17、进一步的，所述旋转各级的λ/2玻片以使光电探测装置采集的光电压信号的瞬时最大值最大，包括：

18、从第一级开始，旋转该级的λ/2玻片，在所述光电探测装置采集的光电压信号的瞬时最大值最大时停止旋转该级的λ/2玻片，再继续旋转下一级的λ/2玻片，直至所述光电探测装置采集的光电压信号的瞬时最大值最大时停止旋转下一级的λ/2玻片，以此循环，直至旋转完最后一级的λ/2玻片。

19、进一步的，所述通过相位调制装置分别对各初级待合束光束添加不同的调制频率进行相位调制，通过相位调制装置分别对各初级待合束光束添加以排序顺序逐步递增的调制频率进行相位调制。

20、进一步的，通过相位制装置对各初级待合束光束进行相位调制的幅度均不低于2π。

21、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

22、本发明的系统为偏振相干合成技术的快速调试提供了硬件基础，所提出的调试方法解耦了光学系统调试和算法调试步骤，使得偏振相干合成的效率可以得到快速的提升。本发明提出的基于快速相位遍历的偏振相干合成方法可以使得cpbc效率在瞬时达到最大，如此情况下仅需调整光轴与光斑位置调整装置、偏振分束器的位置与角度，以及λ/2玻片旋转角度，无需关注伺服相位控制算法，完成cpbc快速光场的调试。在此基础上，再施加相位控制算法，算法闭环使得合束效率与相位遍历时的瞬时合束效率的最大值基本相同，因此完成光场调试与算法调试的解耦，快速实现高效cpbc。

技术特征：

1.一种激光偏振相干快速合成方法，该方法基于激光偏振相干合成系统实现，其特征在于，所述激光偏振相干合成系统包括：

2.如权利要求1所述的激光偏振相干快速合成方法，其特征在于，对于每对待合束光束，所述光轴与光斑位置调整装置均设置于排序在前的待合束光束的光路上，所述偏振分束器均设置于排序在后的待合束光束的光路上。

3.如权利要求1所述的激光偏振相干快速合成方法，其特征在于，所述相位调制装置对应每个子束分别设置有相位调制器；所述偏振调整装置对应每个子束分别设置有偏振控制器；所述光束准直装置对应每个子束分别设置有光纤准直器或准直透镜组。

4.如权利要求3所述的激光偏振相干快速合成方法，其特征在于，所述相位调制器为在调制相位时对激光幅度无影响的器件。

5.如权利要求3所述的激光偏振相干快速合成方法，其特征在于，所述偏振控制器为光纤偏振控制器，或者为λ/2玻片与λ/4玻片的组合结构。

6.如权利要求1所述的激光偏振相干快速合成方法，其特征在于，所述光电探测装置的采样带宽和采样率被配置为不低于所述相位调制装置调制频率最大值的两倍。

7.如权利要求1所述的激光偏振相干快速合成方法，其特征在于，所述具有高相干性的激光子束偏振度为100％。

8.如权利要求1所述的激光偏振相干快速合成方法，其特征在于，所述旋转各级的λ/2玻片以使光电探测装置采集的光电压信号的瞬时最大值最大，包括：

9.如权利要求1所述的激光偏振相干快速合成方法，其特征在于，所述通过相位调制装置分别对各初级待合束光束添加不同的调制频率进行相位调制，通过相位调制装置分别对各初级待合束光束添加以排序顺序逐步递增的调制频率进行相位调制。

10.如权利要求1所述的激光偏振相干快速合成方法，其特征在于，通过相位制装置对各初级待合束光束进行相位调制的幅度均不低于2π。

技术总结本发明公开了一种激光偏振相干快速合成方法，属于激光器领域，用以实现高效快速激光偏振相干合成。本发明在多束具有高相干性的激光子束的光路上设置相位调制装置、偏振调整装置、光束准直装置和偏振相干合成模块，以对激光子束进行逐级合成，每一级均将每相邻两束待合束光束成对进行合路。本发明利用子束多频率快速相位遍历的方法，使得偏振相干合成在没有实施子束相位实时调控时瞬时达到最大值，完成对光场的调试。在完成光学系统的调试后，施加伺服相位控制，实现高效合成。本发明所提出的方法可以大幅提升偏振相干合成技术的调试速度，精准定位影响合成效率的系统构成，提升合成效率，从而推动高亮度高相干光源系统的发展。技术研发人员：傅芸,杜勃昕,蒋全伟,杜维川,郭林辉,高松信受保护的技术使用者：中国工程物理研究院应用电子学研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/19