СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ВНУТРЕННЕГО КОНТУРА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ РЕШЕТКИ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ В СИСТЕМАХ КОГЕРЕНТНОГО СЛОЖЕНИЯ ПУЧКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF INTERNAL FEEDBACK LOOP ARRANGEMENT FOR PHASE SYNCHRONIZATION OF FIBRE LASERS GRID IN SYSTEMS OF COHERENT ADDITION OF BEAMS AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в многоканальных системах когерентного сложения лазерных пучков с целью организации внутреннего контура обратной связи для фазовой синхронизации лазерных пучков. Изобретение может найти применение в различных областях техники, где требуется использование лазерного излучения с высокой плотностью мощности излучения, для задач беспроводной оптической связи, в медицине, в военно-промышленной области, при дистанционном зондировании и обработке материалов.
Уровень техники
2
Для создания мощных лазеров используют спектральный (Dennis Lowenthal and Andrew Brown, Aculight Corporation, NASA Tech Briefs, Jan 2006) и когерентный методы сложения лазерных пучков (Пырков Ю.Н., Трикшев А.И., Цветков В.Б. "Фазировка нескольких усилительных каналов при когерентном сложении лазерных пучков", Квант, электрон., 2012), которые позволяют увеличить мощность излучения лазерной системы в N раз, а интенсивность излучения в дальней зоне в N раз, где N - число лазерных каналов. Оба метода демонстрируют сравнимые показатели по эффективности при сложении относительно маломощных лазерных пучков. При использовании мощных лазерных пучков дифракционной расходимости наиболее перспективным является метод параллельного когерентного сложения N лазерных пучков образованных многоканальной системой с синтезированной апертурой. Однако и в таких системах ухудшение качества результирующего излучения может быть связано как с деполяризацией излучения каналов, неполным заполнением результирующей апертуры излучением складываемых каналов, так и с искажениями волнового фронта из-за ошибки в подстройке фазы разных каналов, что является наиболее критичным параметром, требующим первоочередной стабилизации. В таких системах необходимо организовать контур обратной связи управления сдвигом фазы.
Известны способы когерентного сложения лазерных пучков, например способ (Yanxing Ma, Pu Zhou, Xiaolin Wang et al., "Coherent beam combination with single frequency dithering technique", Optics letters 35, 9 (2010), 1308-1310), основанный на определении и поочередной компенсации относительной разности фаз в каждом канале.
Аналогом предлагаемого изобретения является способ (Пырков Ю.Н., Цветков В.Б., Курков А.С., Трикшев А.И. "Способ когерентного сложения лазерных пучков с синхронным детектированием и устройство для когерентного сложения лазерных пучков с синхронным детектированием" патент РФ на изобретение №2488862), основанный на определении разности фаз излучения в каждом рабочем канале относительно излучения опорного канала. Недостатком таких схем является необходимость установки синхронного фазового детектора в каждый рабочий канал, что снижает помехоустойчивость системы, сильно усложняет конструкцию, повышает стоимость и массово-габаритные параметры системы.
Существуют схемы (Волков М.В., Гаранин С.Г., Долгополов Ю.В. И др. "Способ когерентного сложения лазерного излучения в многоканальных непрерывных лазерах", патент РФ на изобретение №2582300; Ling Liu, Mikhail A. Vorontsov, "Phase-Locking of Tiled Fiber Array using SPGD controller", Proc. of SPIE 58650P, 2005), в которых излучение выводится из оптоволокна с помощью коллиматоров, собранных в гексагональном порядке в один модуль, а часть излучения на выходе системы отводится при помощи светоделительной пластины и фокусируется линзой на фотодиод через диафрагму, размер которой меньше ширины полосы интерференционной картины, образующейся в плоскости приемной площадки фотодиода. Управление фазами в каналах происходит путем итерационной подачи управляющих напряжений на фазовые модуляторы, согласно методу стохастического градиентного спуска. Недостатками данных схемных решений является необходимость получения ограниченного контрольного пучка с использованием сигнала, отраженного от внешней удаленной мишени или введение в световые пучки после коллиматоров светоделительной пластины, существенно увеличивающей габариты системы и вносящей искажения в волновые фронты проходящих через нее световых пучков, а также потеря части энергии при отражении от светоделительной пластины.
Наиболее близким к заявленному способу является схема, описанная в работе (М.A. Vorontsov, S.L. Lachinova L.A. Beresnev, Т. Weyrauch "Obscuration-free pupil-plane phase locking of a coherent array of fiber collimators" JOSA Vol. 27, No. 11, A106-A121. 2010), в которой для функционирования контура обратной связи управления сдвигом фазы используется небольшая часть лазерного излучения, формируемого периферийной частью гауссового пучка, в которой содержится около 10% от общей энергии пучка. Разделенное на каналы излучение волоконного лазера направляется на фазовые модуляторы, после прохождения которых, все каналы выставляют параллельно друг другу, при этом в каждом из них формируется плоский волновой фронт с помощью коллимирующей линзы круглой формы. Коллимирующие линзы образуют синтезированную апертуру, состоящую из кластеров, каждый из которых содержит центральную коллимирующую линзу и 6 периферийных коллимирующих линз, собранных в гексагональную решетку. Фазовая синхронизация пучков обеспечивается с помощью внутреннего контура обратной связи, использующего периферийные части расходящихся гауссовых пучков, перехваченных перед плоскостью расположения коллимирующих линз. В качестве устройства организации внутреннего контура обратной связи используются сегменты внеосевых параболических зеркал либо зеркальный дифракционный элемент перехватывающие малую долю от периферийной части гауссового пучка и фокусирующие ее в плоскость диафрагмы с фотоприемником. При этом в плоскости диафрагмы образуется интерференционная картина от трех соседних каналов, расположенных в вершинах треугольника, одна из которых расположена на оптической оси центральной коллимирующей линзы. Величина максимума интенсивности интерференционной картины зависит от относительной разности фаз Δϕ интерферирующих световых пучков и достигает своего экстремума при Δϕ=n⋅2π, где n=1, 2, … . Фотоприемник регистрирует интенсивность интерференционной картины и формирует сигнал на входе многоканального контроллера, который подает итерационные напряжения на фазосдвигающие элементы согласно методу стохастического параллельного градиента до тех пор, пока входной сигнал не достигнет максимальной амплитуды, формируя контур обратной связи. Настройка на пик интенсивности интерференционного максимума осуществляется перемещением диафрагмы с фотоприемником. Организованный таким способом внутренний контур обратной связи, использующий интерференцию периферийных гауссовых пучков, позволяет получить ограниченный контрольный пучок без использования сигнала, отраженного от внешней удаленной мишени или громоздкого светоделителя, вносящего искажения в сформированные волновые фронты.
Существенным недостатком данного способа является необходимость фокусировки в плоскости приемника периферийных частей расходящихся гауссовых пучков, что вызывает аберрационные искажения волнового фронта и, как следствие, размытие интерференционной картины и снижение ее контраста. Это приводит к увеличению ошибки определения величины фазового рассогласования и снижению эффективности работы контура обратной связи, что в свою очередь приводит к уменьшению достижимой интенсивности центрального максимума дальнепольного распределения интенсивности.
В свою очередь, реализация данного способа требует размещения в расходящихся пучках отражающего оптического элемента, состоящего из трех сегментов внеосевого параболического зеркала, которые очень сложно юстировать, при этом неизбежно возникают аберрационные искажения волнового фронта в результате того, что параболическое зеркало работает не в параллельном пучке, а в расходящемся, и это приводит к снижению контраста интерференционной картины.
ТД
ТД
При этом вследствие расположения перехватывающего периферийные части гауссовых пучков зеркального элемента перед плоскостью расположения коллимирующих линз, возникает еще одна проблема, связанная с необходимостью формирования в плоскости приемника интерференционной картины с шириной полосы  где Δх - ширина итерференционной полосы в опыте Юнга, Я - длина волны излучения, L - расстояние от источника оптического пучка до плоскости наблюдения интерференционной картины, d - расстояние между центрами двух оптических пучков, d - диаметр диафрагмы, что является необходимым условием формирования сигнала обратной связи для управления согласно методу стохастического градиентного спуска. В случае интерференции трех пучков, интерференционная картина представляет собой структуру световых пятен с размером пятна, равным Δх. В практически реализованных системах когерентного сложения пучков волоконных лазеров, фокусное расстояние коллимирующих линз  лишь в несколько раз превышает дистанцию между центрами пучков d (в прототипе  что ограничивает при разумных с точки зрения конструктивных параметров размерах системы, ширину интерференционной полосы условием Δх≤10λ, и накладывает серьезные ограничения на размеры диафрагмы и, соответственно, ограничивает мощность регистрируемого фотодиодом сигнала. Чувствительность современных фотоприемников, работающих в ближнем (800-1700 нм) ИК диапазоне составляет ~ 0,5 А/Вт, а темновой ток ~ 1 нА. Таким образом, падающая на фотоприемник мощность излучения должна составлять десятки - сотни нановатт. В связи с этим, возможность увеличения ширины интерференционной полосы, а, следовательно, и допустимого диаметра диафрагмы d, ограничивающей мощность падающего излучения, является важным фактором, обеспечивающим эффективность работы контура обратной связи.
Сведения, раскрывающие сущность изобретения
Цель изобретения заключается в создании способа и устройства организации внутреннего контура обратной связи для фазовой синхронизации решетки волоконных лазеров, позволяющих увеличить контраст интерференционной картины, увеличить достижимую ширину интерференционной полосы, уменьшить величину ошибки фазового рассогласования, необходимые для повышения эффективности работы контура обратной связи, и получить высокую плотность мощности в системах когерентного сложения пучков.
Поставленная цель достигается тем, что предложенный способ и устройство организации внутреннего контура обратной связи, как и прототип, включают в себя разделенное на каналы лазерное излучение, направленное на фазовые модуляторы. После прохождения фазовых модуляторов все каналы усиливают и выставляют параллельно друг другу, при этом в каждом канале формируется плоский волновой фронт с помощью коллимирующих линз. Коллимирующие линзы образуют синтезированную апертуру, состоящую из кластеров, каждый из которых содержит центральную коллимирующую линзу и 6 периферийных коллимирующих линз, собранных в гексагональную решетку. Фазовая синхронизация пучков обеспечивается с помощью внутреннего контура обратной связи, использующего периферийные части гауссовых пучков. В отличие от прототипа перехват периферийных частей гауссовых пучков осуществляется после коллимации лазерного излучения параболическим осевым зеркалом, расположенным за плоскостью входного зрачка коллиматора, и осевая точка которого располагается на пересечении медиан равностороннего треугольника, вершины которого лежат на осях тройки соседних коллимирующих линз, одна из которых является центральной коллимирующей линзой для данного кластера. Диаметр параболического зеркала выбирается таким образом, чтобы предотвратить виньетирование части гауссового пучка, содержащей 92% мощности. Отразившаяся от параболического зеркала часть многоканального излучения фокусируется через отверстие в геометрическом центре каждой тройки коллимирующих линз на диафрагму с фотоприемником для регистрации максимума интенсивности интерференционной картины, возникающей при сложении волновых фронтов от трех соседних каналов. В отличие от прототипа в качестве коллимирующих используются линзы гексагональной формы, перехватывающие ~ 96% мощности гауссова пучка лазерного излучения и склеенные между собой в гексагональном порядке в общий модуль.
Преимущества предложенного способа заключаются в том, что перехват и фокусировка в плоскость диафрагмы с фотоприемником периферийных участков гауссовых пучков, осуществляется после их коллимации, что позволяет:
1) минимизировать аберрационные искажения волновых фронтов, предотвращая размытие интерференционной картины и повышая ее контраст;
2) уменьшить величину ошибки фазового рассогласования и повысить эффективность контура обратной связи, что приводит к увеличению достижимой интенсивности центрального максимума дальнепольного распределения интенсивности. Преимущества предложенного устройства заключаются в том, что использование осевого параболического зеркала при организации внутреннего контура обратной связи для фазовой синхронизации в системах когерентного сложения пучков волоконных лазеров позволяет:
1) упростить юстировку;
пол
зер
2) увеличить достижимое значение ширины интерференционной картины ~ в (три) D/D раза по сравнению с прототипом при сохранении тех же конструктивных (геометрических) параметров;
3) задавать значение ширины полосы интерференционной картины в соответствии с выбранным размером точечной диафрагмы путем выбора фокусного расстояния параболического зеркала;
4) упростить подстройку интерференционных полос в плоскости фотодиода без перемещения диафрагмы с фотодиодом, а смещением параболического зеркала вдоль его оптической оси и управлением его наклонами.
Гексагональная форма коллимирующих линз позволяет осуществить более плотное заполнение синтезированной апертуры излучением складываемых каналов и тем самым повысить достижимую плотность мощности в системе когерентного сложения пучков.
Новым для способа является: фокусировка в плоскости фотоприемника периферийных частей гауссовых пучков после их коллимации, что приводит к устранению аберраций волнового фронта, устранению размытия и повышению контраста интерференционной картины и увеличению ширины интерференционной полосы.
Новым для устройства является:
- использование коллимирующих линз гексагональной формы, склеенных между собой в гексагональном порядке, что приводит к более полному заполнению синтезированной апертуры лазерным излучением и, вследствие этого, повышению достижимой плотности мощности в системе когерентного сложения пучков;
- для перехвата и фокусировки в плоскости фотоприемника периферийных частей гауссовых пучков используется осевое параболическое зеркало, расположенное за плоскостью входного зрачка коллимирующих линз, и осевая точка которого располагается на пересечении медиан равностороннего треугольника, вершины которого лежат на осях тройки соседних коллимирующих линз, одна из которых является центральной коллимирующей линзой для данного кластера;
- диаметр параболического зеркала выбирается таким образом, чтобы предотвратить виньетирование части гауссового пучка, содержащей 92% мощности;
- в геометрическом центре каждой тройки коллимирующих линз расположено отверстие для предотвращения виньетирования и перефокусировки отразившегося от параболического зеркала излучения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена оптическая схема устройства организации внутреннего контура обратной связи управления сдвигом фазы в системах когерентного сложения пучков волоконных лазеров (для простоты изображены только три соседних канала), содержащая волоконный узкополосный лазер (1), волоконный разветвитель (2); фазосдвигающие ячейки (3); волоконные усилители (4); 3-апертурный коллиматор (5) с отверстием в центре; осевое параболическое зеркало (6); диафрагму (7), фотодиод (8) и контроллер (9).
Осуществление изобретения
0,89
Устройство работает следующим образом: лазерный пучок от источника излучения - волоконный узкополосный лазер (1) проходит через волоконный разветвитель (2), где происходит разделение излучения на N каналов. Для подстройки фазы излучение направляется на фазосдвигающие ячейки (3) после чего усиливается с помощью волоконных усилителей (4) и выводится из оптоволокна с помощью собранных в единый модуль плотно упакованных N-коллиматоров (5). Каждый коллиматор состоит из одиночной асферической линзы гексагональной формы. Коллиматоры установлены параллельно и направляют коллимированные пучки на мишень. Часть излучения (периферийная часть коллимированного гауссового пучка, содержащая около 4% мощности) отражается от предварительно настроенного осевого параболического зеркала (6), расположенного за плоскостью входного зрачка и осевая точка которого располагается на пересечении медиан равностороннего треугольника, вершины которого лежат на осях тройки соседних коллимирующих линз, одна из которых является центральной коллимирующей линзой для данного кластера. Отраженные от параболического зеркала периферийные пучки проходят через отверстие, расположенное на пересечении медиан равностороннего треугольника, вершины которого лежат на осях тройки соседних коллимирующих линз, одна из которых является центральной коллимирующей линзой, интерферируют в плоскости диафрагмы (7) и прошедшая через диафрагму мощность регистрируется фотодиодом (8). Сигналы от фотодиода подаются на контроллер (9), который управляет состоянием фазосдвигающих элементов согласно методу стохастического градиентного спуска. Предварительная настройка интерференционных полос в плоскости фотодетектора осуществляется смещением параболического зеркала вдоль его оптической оси и управлением его наклонами. Диаметр параболического зеркала (фиг. 2) рассчитывается по формуле [1] с целью исключения виньетирования направляемого на мишень основного пучка имеющего световой диаметр равный световому диаметру D гауссового пучка.
пол
пол
кол.
где D - полный световой диаметр коллимированного излучения, D=2NA⋅ƒ', где NA - числовая апертура оптоволокна,
кол
0,89
ƒ' - фокусное расстояние коллимирующей линзы; D - диаметр светового пучка с учетом коэффициента перехвата пучка коллиматорной линзой γ=1/0,89;
0
где ω - половина диаметра моды оптоволокна;
отв
Радиус кривизны параболического зеркала рассчитывается из учета двух условий. Во-первых, из условия прохождения отраженного от параболического зеркала светового пучка без виньетирования сквозь отверстие диаметром d, расположенного между тремя гранями соседних гексагональных линз (фиг. 2).
Исходя из этого условия, фокус зеркала должен быть не менее величины:
Во-вторых, с целью согласования ширины интерференционной полосы с размером диафрагмы согласно формуле [3]:
зер
где, Δх - ширина интерференционной полосы, D - диаметр зеркала.
Приведенные формулы для расчета конструктивных параметров параболического зеркала (радиуса кривизны, диаметра) позволяют спроектировать схему устройства, состоящую из коммерчески доступных компонентов, с определенной детектируемой шириной интерференционной полосы, учитывая выбранную длину волны и конкретные характеристики используемого оптоволокна.