基于隨機并行梯度下降法的光纖激光相干合成

基于隨機并行梯度下降法的光纖激光相干合成

1mopa結構光纖激光相干合成系統(tǒng)的優(yōu)勢多段光學和激光的相干合成已成為激光技術領域的研究熱點。主振動源檢測器的研究人員提出了各種實現(xiàn)相干合成的方法，其中合成路徑是最大的，輸出功率最高的是主擾動源矩陣結構的主動相位控制方案（mopa）。在MOPA結構相干合成系統(tǒng)中,通常認為種子源激光器需要保持單頻窄線寬輸出,保證各路光束之間的時間相干性,但由此引入的非線性效應使得單頻光纖放大器的輸出功率受限,目前最高輸出功率為500W量級。種子源采用寬譜線激光和多波長輸出被認為是抑制非線性效應、提高非線性效應閾值,提高光纖放大器輸出功率的有效手段。如果采用寬譜線或多波長激光作為MOPA結構的種子激光源,并能成功實現(xiàn)多路放大器的相干合成,那么MOPA結構光纖激光相干合成系統(tǒng)有望獲得更高功率輸出。本文利用隨機并行梯度下降(SPGD)法對三路寬譜光纖放大器和三路多波長光纖放大器相干合成進行實驗研究,論證MOPA結構光纖激光相干合成系統(tǒng)采用寬譜線或多波長激光作為種子激光源的可行性。2spgd算法原理寬譜光纖放大器相干合成系統(tǒng)中的種子源采用實驗室自制全保偏環(huán)形腔激光器,其腔體結構如圖1(a)所示,由一臺980nm的抽運源,一個保偏波長復用器(WDM)、一段長度為50cm的單包層摻鐿(Yb)保偏光纖、兩個保偏隔離器(ISO)、一個保偏2×2耦合器(coupler)和一個1064nm高反保偏光纖光柵(FBG)組成。該環(huán)形腔激光器的最大輸出功率為30mW,光譜圖如圖1(b)所示,3dB線寬約為0.1nm(30GHz)。寬譜光纖放大器相干合成系統(tǒng)結構如圖2所示,種子源激光器(MO)發(fā)出的光束通過分束器(Splitter)后被分為三路,每一路均含有一個鈮酸鋰(LiNbO3)相位調制器(PM)和一個光纖放大器(AMP)。相位調制器和光纖放大器分別起到相位控制和功率放大的作用,種子光進入放大器前接隔離器(ISO)加以保護。光纖放大器為保偏放大器,最大輸出功率超過300mW。各路光束經過準直器(CO)后形成陣列光束,準直器輸出的三路光束腰斑半徑均為3.5mm,排成“品”字形分布,光束中心距離約為7mm。陣列光束經過分光鏡后被分成兩部分,一部分光束經透鏡聚焦,透鏡的焦距為1m,光電探測器放置于透鏡的后焦平面上,緊貼于探測器前端放置一直徑為50μm的小孔(根據(jù)文獻中的準則,小孔的口徑大小適合于相干合成閉環(huán)控制)。探測器探測到的信號經A/D轉換后輸入數(shù)字信號處理器(DSP),DSP根據(jù)采集到的信號執(zhí)行隨機并行梯度下降(SPGD)算法,并將計算得到的相位控制信號經D/A轉換和放大電路后施加給LiNbO3相位調制器用于相位控制,完成整個系統(tǒng)的閉環(huán)。陣列光束經過分光鏡的另一部分光束經過透鏡聚焦,紅外相機放置在透鏡的后焦平面上,用來觀察光束的遠場圖樣及相干合成的效果。系統(tǒng)的工作過程為:定義探測器探測到的合成光束的目標圓孔內寬度內部包含的能量為評價函數(shù)J。主動向各路相位調制器施加隨機擾動電壓δu,觀察隨機擾動電壓帶來的評價函數(shù)變化量ΔJ,通過運行SPGD算法得到下一時刻施加在相位調節(jié)器上的電壓信號u并作用于相位調制器,如此迭代進行,直至算法收斂。SPGD算法的具體實現(xiàn)過程如下:定義評價函數(shù)J的變化量ΔJ(k)=ΔJ(k)+?ΔJ(k)??ΔJ(k)=ΔJ+(k)-ΔJ-(k)?其中ΔJ(k)?=J[u(k)?δu(k)]?J[u(k)]?ΔJ(k)+=J[u(k)+δu(k)]?J[u(k)]?ΔJ-(k)=J[u(k)-δu(k)]-J[u(k)]?ΔJ+(k)=J[u(k)+δu(k)]-J[u(k)]?其中上標(k)表示第k次迭代。施加在相位調節(jié)器上的電壓信號u的迭代計算公式為u(k+1)=u(k)+γδu(k)ΔJ(k)?u(k+1)=u(k)+γδu(k)ΔJ(k)?其中δu(k)={δu1,δu2,δu3}(k)δu(k)={δu1,δu2,δu3}(k)為第k次迭代時施加的擾動電壓向量,γ為增益系數(shù)。如使目標函數(shù)向極大方向優(yōu)化,γ取正值。SPGD算法的執(zhí)行過程(第k次迭代時)為:1)隨機生成擾動向量δu(k)={δu1,δu2,δu3}(k)δu(k)={δu1,δu2,δu3}(k),各δui相互獨立且同為伯努利分布,各分量幅值相等,取正負值的概率同為50%;2)計算目標函數(shù)的變化量ΔJ(k);3)更新控制參數(shù),進行第k+1次迭代,直至滿足算法結束條件。通過向各路相位調制器施加隨機擾動電壓并計算評價函數(shù)J變化量ΔJ,能夠不斷更新施加在各路相位調制器上的控制電壓信息u,直至評價函數(shù)J取全局極大值,對應3路激光相位一致的情形。這樣就達到了鎖相運行,實現(xiàn)3路激光的相干合成輸出。當未執(zhí)行SPGD算法、系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)時,遠場光強分布形態(tài)為動態(tài)、模糊的光斑,如圖3(a)所示。而當執(zhí)行SPGD算法系統(tǒng)閉環(huán)時,遠場光強分布形態(tài)為穩(wěn)定、清晰的高對比度光斑,系統(tǒng)閉環(huán)遠場光斑中央主瓣內的功率明顯提高,如圖3(b)所示。定義光斑可見度:V=(Imax?Imin)/(Imax+Imin)?V=(Ιmax-Ιmin)/(Ιmax+Ιmin)?其中Imax為光強極大值,Imin為Imax的臨近極小值,算得此時遠場光斑的可見度為81%。3spgd算法在多波長光纖放大器中的應用多波長光纖放大器相干合成系統(tǒng)結構與第2節(jié)介紹的寬譜光纖放大器相干合成系統(tǒng)結構基本一致,如圖4所示。主要的差別在于種子源激光器由兩個中心波長分別為1083nm和1064nm的單頻激光(線寬均小于1MHz)和一個保偏耦合器組成。兩束單頻激光經過保偏耦合器后的光譜如圖5(a)所示,經過功率放大器(AMP)后激光光譜如圖5(b)所示,在兩個波長的激光輸出功率基本保持一致的同時,放大器自發(fā)輻射(ASE)得到了很好的抑制。對于如圖4所示的三路多波長光纖放大器相干合成系統(tǒng),當未執(zhí)行SPGD算法、系統(tǒng)處于系統(tǒng)開環(huán)時,遠場長時間曝光圖樣分布形態(tài)為模糊的光斑,如圖6(a)所示。系統(tǒng)閉環(huán)時,遠場光強分布形態(tài)為穩(wěn)定、清晰的高對比度光斑,系統(tǒng)閉環(huán)遠場光斑中央主瓣內的功率明顯提高,如圖6(b)所示,此時遠場光斑的可見度為85%。4模擬實驗結果MOPA結構光纖激光相干合成系統(tǒng)輸出功率長期受限于單頻種子源引入的非線性效應。針對采用寬譜種子源和多波長種子源兩種有效抑制非線性效應的方式,本文利用SPGD法對三路寬譜光纖放大器和