相位屏法模拟高斯阵列光束海洋湍流传输特性

基于功率谱反演法产生海洋湍流相位屏,对多次传输过程进行统计平均,仿真分析不同海洋湍流参量下不同高斯阵列光束(矩形分布、径向分布及单束)长曝光光斑半径、光斑质心漂移特性及光强闪烁特性。结果表明:光束长曝光光斑半径、光斑质心漂移标准差及轴上闪烁系数均随湍流效应(湍流强度或传输距离)的增强而增大;同时,阵列光束与单束高斯光的光斑半径趋于一致,当传输距离继续增大时,单束高斯光束长曝光光斑半径略大。相对于单束高斯光,阵列光束在相同湍流条件下具有更小的漂移标准差,但轴上闪烁系数较大。相对于大气湍流而言,海洋湍流具有较强的闪烁效应。     

相干合成光束在湍流大气中的传输

分析了湍流大气对相干合成光束传输的影响,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,对相干合成光束在不同强度湍流大气中传输进行计算,对接收平面处的光强分布的统计特性,如桶中功率(PIB)曲线、局部功率曲线进行比较.研究结果表明,较弱的湍流大气对相干合成光束的传输影响较小,接收平面的光强分布以及PIB曲线基本不变;随着湍流强度的增大,相干合成光束的光强分布和PIB曲线产生显著变化,光斑扩展和能量的弥散速度加快,光束的能量集中度显著降低.计算了湍流大气传输后光束的空间相干度,认为空间相干度下降是降低相干合成效果的原因,对如何降低湍流大气的影响进行讨论.     

高能固态激光非Kolmogorov湍流大气传输光斑扩展的数值分析

采用高能激光大气传输四维仿真程序模拟计算了高功率固态激光在非Kolmogorov湍流大气中聚焦传输时的湍流与热晕效应。数值分析了接收平面处光斑的63.2%环围能量半径、光束质量因子随非Kolmogorov湍流谱指数α和传输起伏强度D/r0的变化,比较了非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流条件下激光传输结果的相对偏差。结果表明:非Kolmogorov湍流谱指数α越小,湍流效应和湍流热晕综合效应导致的光斑扩展越大,光束的能量集中度越低;已建立的描述聚焦高斯光束大气传输光束扩展的定标关系式在非Kolmogorov湍流条件下不再成立;在传输参数条件下,仅考虑湍流效应时,非Kolmogorov湍流与Kolmogorov湍流下光斑半径的相对偏差最大值可达87.7%,存在热晕时的最大相对偏差达43.7%,可见热晕降低了两种情况下传输结果的相对偏差。     

高斯-谢尔模光束在大气湍流中传输的相干特性研究

文章分析了高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时相干长度的变化, 并与真空传输做比较, 真空传输相干长度的变化只与光源参数有关, 大气湍流中传输相干长度的变化受光源参数和湍流的共同影响. 真空传输光束扩展造成相干长度增大; 大气湍流中, 传输距离较短时, 相干长度由于光源扩展而增加, 当传输距离较大时, 湍流效应增强引起相干长度下降. 因此, 单纯从相干长度方面分析大气湍流带来的影响不够完备. 为排除光源扩展影响, 利用相干长度与光斑尺度的比值进行分析, 发现大气湍流会造成比值的下降. 在数值仿真的基础上对上述结果给出了解释. 关键词： 部分相干 大气湍流 高斯-谢尔模 光束扩展     

湍流大气传输中跟踪抖动对远场影响的仿真研究

分析了跟踪抖动对湍流大气传输远场光斑的影响。基于麦克斯韦电磁场理论,采用大气相干长度对大气湍流进行描述,推导了发射光束因跟踪抖动导致光轴偏离的远场表达式。在此基础上,利用相位屏法模拟抖动引起的倾斜相位和大气折射率起伏引起的相位调制,并采用低频补偿的功率谱反演法对传输过程进行了数值仿真。分析了不同跟踪抖动、湍流强度条件下远场光斑质心脱靶量的变化,以及不同尺寸模拟目标的回波概率。分析结果表明,在传输距离为10 km时,强湍流造成的远场光斑脱靶量可达几十μrad;当跟踪抖动较大时,湍流强弱对脱靶量影响差别很小。最后,对一定尺寸的模拟目标,从探测回波概率的角度给出了发射系统跟踪抖动量的控制范围。     

湍流大气中聚焦平台光束焦移及光斑尺度

 通过理论分析和数值模拟,对聚焦平台光束大气传输的焦移问题进行了研究。聚焦平台光束在湍流大气中传输时,湍流将导致光束的束腰向发射点移动,且湍流越强移动的幅度越大;大气湍流强度相同时,聚焦平台光束发射口径越小,其束腰移动的幅度越大。另外,通过调节发射系统的焦距,使聚焦平台光束的束腰正好位于接收探测器处时,接收探测器上的激光功率密度并非最大,只有当发射系统的焦距等于激光的传输距离时,接收探测器上的激光功率密度才会最大。     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

大气湍流和热晕综合效应下旋转光束的传输特性

旋转光束指的是一类由拓扑荷数不同的涡旋光束经外差干涉产生的,光强、相位或偏振随时间快速旋转的新型光束.旋转光束在大气通道传输时因其光场随时间快速旋转可遍历大气传输路径上的不均匀性,使得大气湍流和热晕等效应引起的相位畸变在旋转方向得到匀滑,从而达到改善光束质量,提升光束质心稳定性的目的.在考虑大气湍流和热晕综合效应的情况下,建立了旋转光束在大气的传输模型,分析了旋转光束如何缓解大气湍流和热晕效应的物理机制.在此基础上,进一步分析了光束旋转频率和子光束功率比值,以及大气湍流和热晕强度等对旋转光束大气传输特性的影响及规律,从而为激光大气工程应用提供参考.     

基于光斑二阶矩的阵列光束倾斜相差自适应控制方法

针对阵列光束相干合成中存在的倾斜相差大的问题,提出了基于合成光束远场光斑二阶矩的阵列光束倾斜相差自适应控制方法。以合成光束远场光斑二阶矩作为评价函数,理论上模拟了采用随机并行梯度下降算法实现7路光束的倾斜闭环控制过程。实验上搭建了7路光纤激光相干合成系统,利用自适应光纤准直器对倾斜相差进行校正。以合成光束远场光斑的二阶矩作为评价函数,采用随机并行梯度下降算法,实现了7路光束的倾斜的闭环控制,合成光束模拟远场光斑的桶中功率由0.05 V提升至1.95 V。实验中将倾斜扰动的增益系数变为与二阶矩相关的函数,实现了自适应变增益系数的倾斜闭环,在一定程度上提升了倾斜控制的带宽。从理论上和实验上验证了基于光斑二阶矩的倾斜相差自适应控制方法在光束合成及合成孔径探测领域应用的可行性。     

大气湍流对多抖动法相干合成技术中相位调制信号的影响

分析了大气湍流对采用多抖动法实现的相干合成阵列光束中相位调制信号的影响. 文章首先根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用折射率结构函数对大气湍流进行描述,推导了多抖动法相干合成中阵列光束通过大气湍流后相位调制信号的一般表达式. 在此基础上进行数值模拟,分析了传输距离、湍流强度、光束阵列占空比和光斑尺寸等因素对相位调制信号的影响. 研究发现随着传输距离的增大,相位调制信号强度会先增大后减小,存在一个极大值点;随着湍流强度的增强,相位调制信号强度极大值点的出现距离不断缩短;当光束阵列占空比一定时,随着光斑尺寸的增大 关键词： 大气湍流 相干合成 多抖动法 相位调制     

高功率光纤激光的时间部分相干性对相干合成的影响

 将多个光纤激光器的输出光束进行相干合成是获得高功率、高光束质量激光的有效途径。利用准部分相干光(PPCB)模型，计算了高功率光纤激光器阵列发出的部分相干光在远场的能量分布，分析了激光的时间部分相干性对相干合成的影响。计算结果表明，随着单根激光器输出光束线宽的增大，远场光斑的图样基本保持不变，但峰值功率和Strehl比随之减小。对于采用的算例，要保证远场光斑的Strehl比大于0.8，单根光纤激光器的线宽不能超过5 nm。     

两个光纤激光器的互相注入锁定

光纤激光器的相干合成技术是实现高功率、高亮度光纤激光系统的重要技术途径.利用分束器分光使两个光纤激光器的能量互相注入，从而使两个光纤激光器达到锁相锁模实现相干输出. 实验研究表明：在独立运行的情况下，两个光纤激光器的远场光斑只是两个激光器光强的简单叠加；在互相注入锁定的情况下，两个光纤激光器的远场光斑是具有高对比度的干涉条纹，并得到两个激光器的输出模式总为异相模.这与理论分析的结果相一致. 关键词： 光纤激光器 相干合成 锁相     

Propagation of partially coherent partially phase-locked laser array in turbulent atmosphere

The mechanism for beam quality degradation in recently developed phase locking of high power solid state lasers, which is caused mainly by partially coherent property of element beam and partially phase locking of the laser array, is analyzed in detail. Analytical expression for propagation of partially coherent partially phase-locked laser array in turbulent atmosphere is obtained based on extended Huygens-Fresnel principle. The effect of coherence width, phase error and intensity of turbulence on the beam quality in the target-plane is studied in detail. The tolerance on phase error for laser array with different coherence property is analyzed. It is concluded that the laser array with better coherence is more sensitive to turbulence, and phase control can improve beam quality in the receiving plane only in the case when the element beam has good beam quality and propagates in weak turbulence.     

高能固态激光阵列光束合成技术浅析

建立了高能固态激光阵列合成的模型,对相干合成型和非相干合成型的高能固态激光系统进行了分析和比较.引入光束传输因子(BPF)作为评价合成光束的光束质量,对湍流大气对板条激光器和光纤激光器相干合成与非相干合成远场光束质量的影响进行了定量分析.计算模型和结果为工程实际中合成方案的选择和评估提供了参考.     

Propagation of phase-locked truncated Gaussian beam array in turbulent atmosphere

Truncation manipulation is a simple but effective way to improve the intensity distribution properties of the phase-locked Gaussian beam array at the receiving plane. In this paper, the analytical expression for the propagation of the phase-locked truncated Gaussian beam array in a turbulent atmosphere is obtained based on the extended Huygens--Fresnel principle. Power in the diffraction-limited bucket is introduced as the beam quality factor to evaluate the influence of different truncation parameters. The dependence of optimal truncation ratio on the number of beamlets, the intensity of turbulence, propagation distance and laser wavelength is calculated and discussed. It is revealed that the optimal truncation ratio is larger for the laser array that contains more lasers, and the optimal truncation ratio will shift to a larger value with an increase in propagation distance and decrease in intensity of atmosphere turbulence. The optimal truncation ratio is independent of laser wavelength.     

不同波形脉冲激光的时域误差对相干合成的影响

相干合成技术是实现高功率、高亮度光纤激光系统的重要技术途径.然而, 脉冲激光阵列中常常存在时域误差,这将影响脉冲激光的相干合成效果. 建立了脉冲激光存在时域误差时的相干合成理论模型,并在不同波形(方波、三角波、正弦波) 的脉冲激光存在时域误差时,对相干合成光束在远场的脉冲波形、峰值功率、 光强分布和桶中功率(PIB)等特性进行了数值计算和对比分析.计算结果表明: 方波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形受时域误差影响严重,光强分布和PIB随着时域误差 的增大发生线性变化;三角波脉冲激光相干合成光束的脉冲波形和峰值功率受时域误差 影响严重,光强分布和PIB在时域误差较大时随着时域误差的增大发生较为剧烈的变化; 正弦波脉冲激光相干合成光束具有较好的输出特性,在两路正弦波脉冲激光相干合成中, 将两脉冲之间的时延控制在脉冲持续时间的10%以内,就能取得良好的合成效果.     

Status of single-model optical fiber standardization in the electronic industries association (EIA)

This paper introduces and analyzes revolutionary laser system architecture capable of dramatically reducing the complexity of laser systems while simultaneously increasing capability. The architecture includes three major subsystems. The first is a phased array of laser sources. In this article, we discuss diode-pumped fiber lasers as the elements of the phased array, although other waveguide lasers can also be considered. The second provides wavefront control and electronics beam steering, as described in an IEEE Proceedings article on “Optical Phased Array Technology” [1]. The third is subaperture receiver technology. Combining these three technologies into a new laser systems architecture results in a system that has graceful degradation, can steer to as wide an angle as individual optical phased array subapertures, and can be scaled to high power and large apertures through phasing of a number of subapertures. Diode-pumped fiber lasers are appealing as laser sources because they are electrically pumped, efficient, relatively simple, and scalable to significant power levels (over 100 Watts has been demonstrated from a single diode-pumped fiber laser) [2]. The fiber laser design also lends itself to integration into a phased array. Fiber lasers have been phased. Initial phasing demonstrations have been at low power and were conducted by taking a single source, dividing it into multiple fibers, then phasing them together. To develop this technology further we need to use independent fiber lasers or fiber amplifiers, seeded by a common source, and to increase laser power. As we increase laser power, we will have to learn to cope with nonlinearities in the laser amplifiers. Optical Phased Array technology has demonstrated steering over a 90-degree field of regard [4], although this approach used additional optical components. If we use straightforward optical phased array beam steering without additional optics we can steer with high efficiency to about one-third λ/d, where d is the smallest individually addressable element. The one-third factor depends on the efficiency threshold. For example, if we use 1.5 μm light, and 5 μm center-to-center spacing, we can steer with high efficiency to about ±6 degrees, or a field of regard of 12 degrees. Last, we need to develop a subaperture receive technology. This can be a pupil plane receiver, an image plane receiver, or some combination of the approaches. When we have matured each individual technology and combined them into new laser systems architectures, we will have the ability to build simpler and more capable laser systems. The vision for an integrated, phased array laser concept is to enable a new class of laser systems with significant advantages, including high-efficiency, all-electric laser source; all waveguide beam transport; wavefront control at the sub-aperture level (enabling wavefront compensation, conformal apertures, and wide-angle electronic beam steering); random access beam pointing over wide angles; multiple simultaneous beam generation and control; and graceful degradation.     

Diffractive-optics-based beam combination of a phase-locked fiber laser array

A diffractive optical element (DOE) is used as a beam combiner for an actively phase-locked array of fiber lasers. Use of a DOE eliminates the far-field sidelobes and the accompanying loss of beam quality typically observed in tiled coherent laser arrays. Using this technique, we demonstrated coherent combination of five fiber lasers with 91% efficiency and M2=1.04. Combination efficiency and phase locking is robust even with large amplitude and phase fluctuations on the input laser array elements. Calculations and power handling measurements suggest that this approach can scale to both high channel counts and high powers.     

分布反馈光纤激光器阵列中外腔反馈特性研究

以半导体激光器中的复合腔模型和实测的分布反馈光纤激光器的外腔端面反射率为基础,对不同反射率条件下分布反馈光纤激光器的输出功率进行了仿真,同时搭建了二基元分布反馈光纤激光器阵列实验平台,对仿真结果进行了验证.仿真与实验结果表明:外腔反馈光重新注入分布反馈光纤激光器会增加激光器的输出功率,降低了阵列的输出功率平坦性.并且外腔端面反射率越大,这种平坦性降低的效果越明显.在构建分布反馈光纤激光器阵列时,应考虑外腔反馈对阵列输出功率平坦性造成的影响,尽量选择外腔端面反射率较小的激光器进行组阵.     

国产纺锤形渐变掺镱光纤实现6 kW宽谱激光输出

高功率高光束质量光纤激光器在工业加工等领域有着广泛的应用,然而光纤中的非线性效应和模式不稳定效应限制着高光束质量光纤激光器的功率提升,采用新型结构大模场增益光纤在同时抑制非线性效应和模式不稳定效应方面具有较大潜力。报道了基于单位自研的纺锤形渐变掺镱光纤激光成功实现6 kW功率、高光束质量激光输出。激光器采用主振荡功率放大结构,放大级采用双向981 nm泵浦纺锤形渐变掺镱光纤,在总泵浦功率为7.68 kW时,输出功率达到6.02 kW,光束质量M2因子约为1.9。通过进一步优化纺锤形掺镱光纤制作工艺及结构参数,有望实现更高功率、近单模光束质量的光纤激光输出。