СПОСОБ КОГЕРЕНТНОГО СЛОЖЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ С СИНХРОННЫМ ДЕТЕКТИРОВАНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОГЕРЕНТНОГО СЛОЖЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ С СИНХРОННЫМ ДЕТЕКТИРОВАНИЕМ
METHOD FOR COHERENT LASER BEAM COMBINING WITH SYNCHRONOUS DETECTION AND APPARATUS FOR COHERENT LASER BEAM COMBINING WITH SYNCHRONOUS DETECTION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для создания пучков когерентного излучения с высокой плотностью мощности. Изобретение может найти применение в различных областях техники, а также в медицине, где требуется использование лазерного излучения с высокой плотностью мощности излучения. Уровень техники
Из уровня техники известно устройство когерентного сложения лазерных лучей, включающее задающий лазер, систему делителей лазерного пучка, акустооптический или электрооптический модулятор опорного канала, создающий сдвиг по частоте в опорном канале, исполнительные фазосдвигающие элементы - электрооптические модуляторы рабочих каналов, делительную пластину, фотоприемники на каждый канал, на которых отслеживается сдвиг фазы опорного и рабочих каналов, гетеродинные определители сдвига фазы между опорным и рабочим каналами, системы связи гетеродинов и исполнительных элементов. Сложение лазерных пучков происходит в дальнем поле за делительной пластиной [патент US 7884997 B1 публ. 08.02.2011].
Недостаток данного способа и устройства заключается в том, что в качестве модуляторов опорного и рабочих каналов используют акустооптический и электрооптические модуляторы. Эти устройства предполагают выход из оптоволокна на объемные элементы, что усложняет конструкцию системы и приводит к неизбежным потерям мощности на согласование оптоволокна и объемной оптики. Потери будут выделяться на этих устройствах, что при больших мощностях может привести к термическому разрушению.
Сведения, раскрывающие сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании системы для когерентного сложения нескольких лазерных пучков с модуляцией по фазе опорного канала и использованием синхронного детектирования для обеспечения синфазности рабочих и опорного каналов.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в получении когерентного оптического сигнала путем сложения нескольких лазерных пучков с модуляцией по фазе опорного канала и использованием синхронного детектирования для обеспечения синфазности рабочих и опорного каналов с нелинейным возрастанием плотности мощности излучения; в повышении быстродействия (отклика) системы за счет модуляции по фазе сигнала опорного канала на низких частотах в пределах 10-40 кГц и использования неразъемной оптоволоконной оптической системы, что также приводит к уменьшению потери мощности, улучшению теплового баланса и упрощению юстировки системы; в упрощении конструкции системы, что повышает ее надежность; в снижении стоимости устройства за счет использования недорогих низкочастотных электронных компонентов.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ когерентного сложения N лазерных пучков с синхронным детектированием характеризуется тем, что задающим лазером с волоконными усилителями формируют одночастотный узкополосный лазерный пучок, который разделяют на N+1 оптических каналов, из которых выделяют 1 (один) опорный оптический канал и N рабочих усилительных оптических каналов, излучение опорного канала модулируют по фазе при помощи пьезокерамического модулятора, подключенного к генератору гармонических электрических колебаний с образованием электрической положительной обратной связи и работающего на собственной резонансной частоте пьезокерамического модулятора, а излучение N рабочих каналов подают на N фазосдвигающих пьезоэлектрических элементов, после чего осуществляют сложение, промодулированного по фазе, части излучения опорного канала с частью излучения N-ых рабочих каналов, отведенных с помощью делительной пластины, далее N контрольные оптических сигналов интерференции, полученные в результате сложения, преобразуют в N электрических сигналов, которые подают на сигнальные входы N ключевых синхронных детекторов, при этом на входы синхронизации ключевых синхронных детекторов подают опорный электрический сигнал с генератора гармонических электрических колебаний, N-ый ключевой синхронный детектор по форме N-го электрического сигнала отслеживает отклонение фазы N-го рабочего канала от фазы опорного канала и формирует на выходе N-ый электрический сигнал отрицательной обратной связи, отражающий сдвиг фазы между средним значением фазы опорного сигнала и фазой N-го рабочего канала, который подают на N-ый управляющий пьезокерамический элемент, обеспечивающий синфазность единого опорного и N-го рабочего оптических сигналов.
Также заявляемый технический результат достигается за счет того, что устройство когерентного сложения N лазерных пучков с синхронным детектированием включает задающий лазер с волоконным усилителем, формирующий одночастотный узкополосный лазерный пучок, систему волоконных ответвителей, предназначенную для деления лазерного пучка на N+1 оптических каналов, из которых выделяют один оптический опорный канал и N рабочих усилительных оптических каналов, пьезокерамический модулятор фазы опорного канала, генератор гармонических электрических колебаний, соединенный с пьезокерамическим модулятором фазы опорного канала с образованием электрической положительной обратной связи и работающий на собственной резонансной частоте пьезокерамического модулятора, N фазосдвигающих пьезокерамических элементов рабочих каналов, систему сложения N лазерных пучков, включающую N коллиматоров рабочих каналов, соединенных с N фазосдвигающими пьезокерамическими элементами рабочих каналов, коллиматор с телескопом опорного канала, соединенный с пьезокерамическим модулятором фазы опорного канала, делительную пластину, N контрольных фотоприемников, на которые поступают отведенные делительной пластиной контрольные оптические сигналы интерференции опорного и рабочих каналов, N ключевых синхронных детекторов, входы синхронизации котороых соединены с генератором гармонических электрических колебаний, а сигнальные входы соединены с выходами N-ых контрольных фотоприемников, при этом выходы ключевых синхронных детекторов соединены с N фазосдвигающими пьезокерамическими элементами рабочих каналов с образованием опто-электрической отрицательной обратной связи.
Использование неразрывной оптоволоконной оптической системы, включающей систему ответвителей и оптоволоконных усилителей, в которую встроены пьезокерамические модуляторы излучения опорного канала и управляющих элементов рабочих каналов, не требует при сборке системы согласования и юстировки оптических элементов, при этом обеспечивается необходимый тепловой режим этих элементов. Использование фазовой модуляции в опорном канале и синхронного детектирования позволяет работать на достаточно низкой частоте десятки кГц и при этом получать быстрый отклик системы в единицы миллисекунд. Включение генератора гармонических (синусоидальных) колебаний в положительную обратную связь с пьезокерамическим модулятором фазы опорного канала, работающего на первой собственной резонансной частоте, обеспечивает синфазность электрического и механического сигналов и, соответственно, электрического синхросигнала и оптической модуляции фазы в опорном канале.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения перед сложением излучения рабочих каналов и опорного канала, излучение N-го рабочего каналов усиливают и исправляют поляризацию излучения.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения перед сложением излучения рабочих каналов и опорного канала увеличивают диаметр лазерного пучка опорного канала.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство когерентного сложения дополнительно включает N волоконных усилителей излучения рабочих каналов, соединенных с N фазосдвигающими пьезокерамическими элементами.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство когерентного сложения дополнительно включает фазовращатель синхросигнала и формирователь прямоугольного опорного сигнала для синхронного детектора.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство когерентного сложения дополнительно включает предусилитель, соединенный с N-ым контрольным фотоприемником, селективный полосовой предусилитель, вход которого соединен с выходом предусилителя, и высоковольтный усилитель.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство когерентного сложения дополнительно включает N контроллеров поляризации, соединенных с N волоконными усилителями.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения волоконный усилитель излучения рабочих каналов представляет собой двухсердцевидное волокно в единой оболочке длинной 15 м, свернутое в кольцо диаметром 150 мм, при этом одна сердцевина - пассивная, многомодовая, диаметром 50 мкм, другая - активная, легированная ионами Yb3+, одномодовая, диаметром 6 мкм.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения пьезокерамический модулятор фазы опорного канала и каждый из фазосдвигающих пьезокерамических элементов рабочих каналов выполнен в виде полого пьезокерамического цилиндра, на который намотаны витки оптического волокна, причем пьезокерамический модулятор фазы опорного канала включает 4 витка оптоволокна, а фазосдвигающий пьезокерамический элемент рабочего канала включает 10 витков оптоволокна.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения между фазосдвигающими пьезокерамическими элементами установлены виброизоляторы.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения делительная пластина выполнена с коэффициентом деления 1/25.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения коллиматоры установлены в держатели таким образом, что расстояние между осями коллиматоров 4 мм, а оси излучения пересекаются в одной точке на расстоянии 4 метров от держателя.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлена принципиальная схема системы когерентного сложения лазерных пучков с синхронным детектированием;
на фиг.2(а) показано распределение поля от 1 (одного) оптического канала и 2(b) мощность лазерного излучения 1 (одного) оптического канала;
на фиг.3(а) показано распределение поля от 2 (двух) оптических каналов и 3(b) мощность лазерного излучения 2 (двух) оптических каналов:
на фиг.4(а) показано распределение поля от 3 (трех) оптических каналов (расположенных в ряд) и 4(b) мощность лазерного излучения 3 (трех) оптических каналов;
на фиг.5(а) показано распределение поля от 7 (семи) оптических каналов (в плотной, гексагональной упаковке) и 5(b) мощность лазерного излучения 7 (семи) оптических каналов.
Для обеспечения когерентного сложения нескольких рабочих каналов оптического излучения необходимо знать фазу каждого из каналов и иметь возможность управлять этой фазой. Для решения этой задачи используется один опорный канал и относительно него синхронизируются все рабочие каналы.
1
1
1
Система когерентного сложения лазерных пучков [фиг.1] включает задающий лазер 1 с волоконным усилителем (на чертежах не показано), формирующий одночастотный узкополосный лазерный пучок, систему волоконных ответвителей 2, предназначенную для деления лазерного пучка на N+1 оптических каналов, из которых выделяют 1(один) опорный оптический канал, и N рабочих усилительных оптических каналов, пьезокерамический модулятор 3 фазы опорного канала, N фазосдвигающих пьезокерамических элементов 4 рабочих каналов, соединенных оптоволоконной линией 2 с N оптоволоконными усилителями 5 излучения рабочих каналов, систему когерентного сложения лазерных пучков, включающую N коллиматоров 6 рабочих каналов, соединенных оптоволоконной линией 2 с N оптоволоконными усилителями 5, коллиматор 7 опорного канала, соединенный оптоволокном 2 с пьезокерамическим модулятором 3 фазы опорного канала и телескопом 8, делительную пластину 9, N контрольных фотоприемников 10, N контроллеров поляризации (на чертежах не показаны), размещаемых соответственно между волоконным усилителем 5 и коллиматором 6, блок управления, N блоков синхронного детектирования. Блок управления включает генератор 11 гармонических электрических колебаний, который через усилитель 12 подключен к пьезокерамическому модулятору 3 фазы опорного канала с образованием электрической положительной обратной связи, и обеспечивающему работу генератора на своей собственной резонансной частоте. Дополнительно блок управления может включать фазовращатель опорного сигнала и формирователь прямоугольного опорного сигнала (на чертежах не показаны). Коллиматоры 6 установлены в держатели (на чертежах не показано) таким образом, что их оси излучения были разнесены на 4 мм и пересекались в одной точке на расстоянии 4 метров от держателя. В целях эксперимента эти расстояния были выбраны так, чтобы получать в дальнем поле систему интерференционных полос и пятен. Для того, чтобы получать одно пятно, необходимо уменьшить расстояние между осями коллиматоров и/или удалить точку пересечения осей.
Каждый из N блоков синхронного детектирования включает ключевой синхронный детектор 13, вход синхронизации которого через предусилитель 15 и селективный полосовой предусилитель 16 соединен с N-ым контрольным фотоприемником 10, а сигнальный вход соединен с генератором 11 гармонических электрических колебаний. Выход ключевого синхронного детектора 13 соединен с N-ым фазосдвигающим пьезоэлектрическим элементом 4, что обеспечивает отрицательную обратную связь по фазе, отражающую сдвиг по фазе между опорным оптическим каналом и N-ым рабочим оптическим каналом.
Система 2 волоконных ответвителей в предлагаемом варианте реализации изобретения состоит из 3 (трех) каскадов делителей. Первый каскад делит излучение задающего лазера 1 на 2 (два) оптических канала, второй каскад -на 4 (четыре), третий каскад - на 8 (восемь). Каждый из семи делителей представляет собой волоконный сплавной мультиплексор (каплер) типа OLCPL-S-SD-22-106-50-25-NC с коэффициентом деления 50/50 на длину волны 1064 нм. Один из восьми оптических каналов выделяют как опорный канал, остальные семь оптических каналов выделяют как рабочие. Система волоконных ответвителей может быть выполнена таким образом, чтобы обеспечивать деления лазерного пучка на неограниченное число каналов.
1
Пьезокерамические элементы 3 и 4 представляют собой катушку диаметром 85 мм, состоящую из полого пьезокерамического цилиндра, на который намотаны витки оптического волокна 2. Пьезокерамический модулятор 3 фазы опорного канала включает 4 витка оптического волокна, фазосдвигающий Пьезокерамический элемент 4 рабочего канала включает 10 витков оптического волокна. Для исключения паразитной акустической связи между N фазоздвигающими пьезокерамическими элементами 4 установлены виброизоляторы (на чертежах не показано).
3+
Оптоволоконный усилитель 5 представляет собой двухсердцевидное волокно в единой оболочке (GTWave волокно) длиной 15 м, свернутое в кольцо диаметром 150 мм. Одна сердцевина - пассивная, многомодовая, диаметром 50 мкм, используется для ввода накачки. Другая - активная, легированная ионами Yb одномодовая, диаметром 6 мкм.
Для исправления поляризации излучения в рабочих каналах после волоконного усилителя 5 может быть установлен контроллер поляризации (на чертежах не показано)
Работа устройства осуществляется следующим образом
1
1
Задающий лазер 1 с волоконным усилителем (на чертежах не показано) формирует одночастотный узкополосный лазерный пучок, который при помощи системы 2 волоконных ответвителей, в частном случае реализации изобретения, делится на восемь оптических каналов, из которых выделяют один опорный оптический канал и семь рабочих оптических каналов. Излучение опорного канала подают на пьезокерамический модулятор 3 фазы, пьезокерамический цилиндр которого соединен с генератором 11 гармонических электрических колебаний с образованием электрической положительной обратной связи и работающего в результате этой положительной обратной связи на собственной резонансной частоте пьезокерамического модулятора. Излучение в опорном канале модулируется по фазе с глубиной модуляции от долей длины волны до нескольких длин волн излучения за счет механического изменения длины оптического пути с частотой модуляции около 11 кГц, что соответствует первой резонансной частоте пьезокерамического цилиндра модулятора 3. Изменение длины оптического пути достигается тем, что оптическое волокно 2 намотанное на пьезокерамический цилиндр, изменяет свою длину (удлиняется или укорачивается) за счет расширения или сжатия пьезокерамического цилиндра, получающего электрический сигнал с генератора 11. Излучение N-го рабочего канала подают на N-ый фазосдвигающий пьезокерамический элемент 4, после чего усиливают при помощи оптоволоконных усилителей 5. В случае необходимости корректируют поляризацию излучения в рабочих каналах при помощи контроллеров поляризации (на чертежах не показаны), установленных после волоконного усилителя 5. После усиления излучение N-го рабочего канала через коллиматоры 6 выводится на делительную пластину 9. Промодулированное по фазе излучение опорного канала с пьезокерамического модулятора 3 фазы через коллиматор 7, соединенный с телескопом 8, выводится расширенным пучком диаметром 10-12 мм на делительную пластину 9 с коэффициентом деления 1/25, на которой осуществляется сложение (объединение) излучения опорного канала с излучением N-го рабочего канала. Делительная пластина 9 пропускает большую часть излучения N рабочих каналов (96%) и меньшую часть излучения опорного канала в дальнее поле (за делительной пластиной), где происходит когерентное сложение рабочих каналов, и пропускает большую часть (96%) опорного излучения и меньшую часть (4%) излучения каждого из N рабочих каналов, которое через коллиматоры (на чертежах не показано) поступает на N контрольных фотоприемников 10. Контрольный оптический сигнал (излучение) интерференции, включающий часть излучения N-го рабочего канала и общего опорного канала, попадает на соответствующий N-ый фотоприемник 10, который преобразует его в электрический сигнал. Электрический сигнал с N-го контрольного фотоприемника 10 через предусилитель 14, который усиливает электрический сигнал, и селективный полосовой предусилитель 15, который отсекает высокие и низкие шумовые частоты, поступает на сигнальный вход N-ro ключевого синхронного детектора 13, при этом на вход синхронизации поступает опорный электрический сигнал с генератора 11. Ключевой синхронный детектор по форме N-го электрического сигнала отслеживает отклонение фазы N-го рабочего канала от фазы опорного канала и формирует на выходе электрический сигнал отрицательной обратной связи, который отражает сдвиг фазы между средним значением фазы опорного сигнала и фазой N-го рабочего канала. Электрический сигнал с выхода ключевого N синхронного детектора 13 через высоковольтный усилитель 16 поступает на N-ый фазосдвигающий пьезокерамический элемент 4 рабочего канала, который обеспечивает синфазность N-го рабочего и опорного оптических каналов за счет выравнивания оптической длины оптоволокна рабочего канала относительно опорного канала. Изменение длины оптического пути достигается тем, что оптическое волокно 2, намотанное на пьезокерамический цилиндр фазосдвигающего элемента 3, изменяет свою длину (удлиняется или укорачивается) за счет расширения или сжатия пьезокерамического цилиндра, получающего электрический сигнал с выхода ключевого синхронного детектора 13. Для достижения большего динамического диапазона по сдвигу фазы фазосдвигающий пъезокерамический элемент 4 имеет 10 витков оптического волокна, что обеспечивает вариацию фазы в несколько сотен длин волн при напряжении управления 10 В.
Для реализации функции по отслеживанию сдвига фазы между средним значением фазы опорного канала и фазой N-го рабочего канала ключевой синхронный детектор 13 выполнен с возможностью реализации следующей математической модели.
Сигнал интерференции может быть записан так:
<mrow><mtext>P</mtext><mo>=</mo><mtext>A</mtext><mo>⋅</mo><mtext>Cos(B</mtext><mo>⋅</mo><mtext>Sin(t</mtext><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mtext>)</mtext><mo>+</mo><mtext>C)</mtext><mo>+</mo><mtext>D </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(1) </mtext></mrow>
где P - сигнал интерференции [Вт];
A - амплитуда интерференции [Вт];
B - амплитуда модуляции опорного канала по фазе [рад];
φ - сдвиг фазы по времени механической модуляции и синхросигнала [рад];
C - сдвиг фазы среднего значения фазы опорного и рабочего каналов [рад];
D - постоянная подставка [Вт];
t - время, нормированное на частоту модуляции [2π/период опорного сигнала].
Алгоритм работы ключевого синхронного детектора 13 описывается следующей формулой:
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>π</mi></munderover><mrow><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>B</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>C</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mi>π</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></munderover><mrow><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>B</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>C</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>C</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>π</mi></munderover><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>B</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
После упрощения получаем:
Рассогласование фазы опорного и N-го рабочего канала вышло за знак интеграла. Таким образом, можно сделать вывод, что сигнал с ключевого синхронного детектора 13 можно использовать для стабилизирующей отрицательной обратной связи, которая будет поддерживать сдвиг фазы между опорным и N-ым рабочим каналом, равным нулю, при этом чувствительность ключевого синхронного детектора 13 будет зависеть от абсолютной величины интеграла. Был численно посчитан интеграл по формуле (3) при B в диапазоне от 0 до 1500 радиан (250 длин волн) и для разных φ (от 0 до 2π). При малых значениях В интеграл почти по прямой выходит из нуля. Первый максимум при значении B=1.98 рад и дальше осциллирующая, медленно затухающая и пересекающая ноль функция. Функция Sin(B·Sin(t+φ)) - нечетная и повторяющаяся с периодом 2π. Интеграл будет максимальным при φ=2π·т (n - целое), минимальным (и таким же по абсолютной величине) при φ=2π·n+π и обращается в ноль при φ=π·n+π/2. Таким образом, максимальная чувствительность системы, реализованной с использованием синхронного детектирования, будет при амплитуде модуляции опорного канала по фазе, равной примерно 2 рад (1/3 длины волны), и при отсутствии сдвига фазы между механическими колебаниями пьезокерамического модулятора 3 опорного канала и электрическим синхросигналом. Последнее обеспечивается тем, что в качестве частотозадающего элемента для генератора 11 опорного электрического сигнала используется не внешний источник, а сам пьезокерамический модулятор 3, включенный в положительную обратную связь генератора 11.
2
2
2
2
На графике, представленном на фиг.2(b), видно, что плотность мощности излучения одного оптического канала составляет примерно 0,2 Вт/см, плотность мощности излучения двух оптических каналов составляет примерно 1 Вт/см (фиг.3(b), плотность мощности излучения трех оптических каналов составляет примерно 1,25 Вт/см (фиг.4(b)), плотность мощности излучения семи оптических каналов оставляет примерно 3 Вт/см (фиг.5(b)), видно, что плотность мощности возрастает не линейно.
Реализация изобретения позволяет сформировать когерентный оптический сигнал путем суммирования пучков излучения лазера с высокой плотностью мощности в нем, с нелинейным возрастанием плотности мощности излучения.