СПОСОБ КОГЕРЕНТНОГО СЛОЖЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ НЕПРЕРЫВНЫХ ЛАЗЕРАХ
METHOD FOR COHERENT LASER RADIATION IN MULTICHANNEL CONTINUOUS LASERS

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для создания многоканальных непрерывных лазеров с параллельным когерентным сложением излучения каналов. Изобретение может найти применение в различных областях техники, в медицине, в военно-промышленной области, где требуется использование лазерного излучения с высокой плотностью мощности излучения.
Известно несколько способов когерентного сложения лазерного излучения, 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. 1], основанный на определении и поочередной компенсации относительной разности фаз в каждом канале.
Российским аналогом предлагаемого изобретения является способ фазировки [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, 2], основанный на определении разности фаз излучения в каждом рабочем канале относительно излучения опорного канала. Апертуру опорного канала увеличивают с помощью коллиматора, после чего регистрируют в фокусе линзы интерференционные картины излучения опорного канала с излучением N рабочих каналов. В фокусе линзы располагаются N синхронных фазовых детекторов, которые измеряют разность фаз излучения каждого рабочего канала относительно фазы излучения опорного канала. После чего на N фазосдвигающих пьезокерамических элементов подаются соответствующие сигналы для компенсации разности фаз. Недостаток способа состоит в том, что, несмотря на обеспечение повышения быстродействия, необходимость постановки синхронного фазового детектора на каждый рабочий канал сильно усложняет конструкцию и повышает массово-габаритные параметры системы. Кроме того, данный способ имеет высокую чувствительность к шумам, так как определение относительной разности фаз опорного и рабочих каналов осуществляется интерференционным методом.
Актуальность технического решения проблемы заключается в том, что получение непрерывного высокоинтенсивного лазерного излучения с малой расходимостью в одноканальных лазерах затруднительно, поскольку лучевая прочность активных элементов лазера ограничена, а увеличение их поперечных размеров с целью уменьшения расходимости либо невозможно (в оптоволоконных лазерах), либо ведет к появлению фазовых искажений на апертуре из-за ухудшения терморежима активной среды. С другой стороны, повышение мощности выходного излучения с получением дифракционной расходимости может быть достигнуто за счет когерентного сложения параллельных лазерных пучков.
В качестве прототипа заявляемого способа выбран способ когерентного сложения лазерного излучения [Ling Liu, Mikhail A. Vorontsov, "Phase-Locking of Tiled Fiber Array using SPGD controller", Proc. of SPIE 58650P, (2005), 3]. Данный способ когерентного сложения состоит в управлении фазами в каналах многоканальной лазерной системы с помощью фазовых модуляторов по значению сигнала с фотодиода, который измеряет целевую функцию (например, долю мощности суммарного излучения в дифракционном угле). Для этого часть излучения на выходе системы отводится при помощи светоделительной пластины и фокусируется линзой на фотодиод. Управление фазами в каналах происходит путем итерационной подачи управляющих напряжений на фазовые модуляторы согласно трехэтапному методу стохастического градиентного спуска. Первые два этапа заключаются в последовательной подаче пробных малых по амплитуде напряжений на фазовые модуляторы и регистрации соответствующих сигналов с фотодиода. Эти малые напряжения выбирают таким образом, что они являются статистически независимыми величинами. На первом этапе малые напряжения подают на фазовые модуляторы и измеряют сигнал с фотодиода. На втором этапе на фазовые модуляторы подают такие же напряжения, но с обратным знаком, после чего снова измеряют сигнал с фотодиода. На третьем этапе проводят анализ изменений сигнала с фотодиода на пробных этапах (вычисляют разность между измеренными сигналами с фотодиода), рассчитывают и подают новые напряжения на фазовые модуляторы, причем эти напряжения пропорциональны параметру, контролирующему скорость сходимости (то есть количество итераций, необходимых для достижения равенства фаз излучения на выходе системы), разности между измеренными сигналами с фотодиода и напряжениям, подаваемым на фазовые модуляторы на пробных этапах. Результатом такой итерационной подачи напряжений является увеличение сигнала с фотодиода, а достижение максимума сигнала говорит о равенстве фаз излучения на выходе системы, т.е. о когерентном сложении излучения.
К недостаткам способа-прототипа когерентного сложения лазерного излучения в многоканальных лазерных системах можно отнести наличие трех этапов в каждой итерации, что увеличивает время итерации, и, как следствие, полное время когерентного сложения лазерных пучков, что при наличии высокочастотных фазовых искажений на оптическом пути может негативным образом сказаться на эффективности сложения.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в получении когерентного оптического сигнала путем сложения нескольких лазерных пучков без измерения абсолютных и относительных фаз в каналах (как и в прототипе) при упрощении процедуры за счет уменьшения времени когерентного сложения лазерных пучков.
Технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного способа когерентного сложения лазерного излучения в многоканальных непрерывных лазерах, заключающегося в том, что разделенное на каналы лазерное излучение направляют на соответствующие каналам фазовые модуляторы, после прохождения фазовых модуляторов все каналы выставляют параллельно друг другу, при этом волновой фронт в каждом канале делают плоским, после чего часть многоканального излучения отводят и фокусируют на фотоприемник для регистрации соответствующего сигнала, затем одновременно подают малые по амплитуде напряжения на фазовые модуляторы, обеспечивая управление фазами в каналах, и регистрируют соответствующие сигналы с фотоприемника, после чего рассчитывают и осуществляют подачу новых управляющих напряжений на фазовые модуляторы, при этом подачу управляющих напряжений производят в итерационном режиме, расчет значений управляющих напряжений производят на основе метода стохастического градиентного спуска, причем для каждой итерации при расчете управляющих напряжений, подаваемых на фазовые модуляторы в каналах лазерного излучения, используют значения зарегистрированных сигналов с фотоприемника, результатом итерационного режима подачи управляющих напряжений является синфазность лазерного излучения на выходе системы, а о когерентном сложении лазерного излучения судят по максимальному значению сигнала с фотоприемника, в предлагаемом способе подачу управляющих напряжений на фазовые модуляторы производят в итерационном режиме в два этапа, один пробный и один корректирующий, на первом пробном этапе осуществляют подачу на фазовые модуляторы управляющих напряжений, одинаковых по модулю значений с разными случайными знаками с обеспечением фазовых сдвигов в каналах по амплитуде не более π/10, после подачи управляющих напряжений измеряют изменение сигнала с фотоприемника относительно значения до подачи управляющих напряжений на пробном этапе, причем значения управляющих напряжений, подаваемых на фазовые модуляторы на корректирующем этапе, пропорциональны параметру, контролирующему скорость сходимости, изменению сигнала с фотоприемника на пробном этапе и управляющим напряжениям, подаваемым на фазовые модуляторы на пробном этапе, при этом параметр, контролирующий скорость сходимости, обратно пропорционален значению сигнала с фотоприемника на пробном этапе с коэффициентом, обратно пропорциональным квадрату амплитуды фазовых сдвигов на пробном этапе.
То есть отличие от известного способа когерентного сложения пучков, заключающегося в управлении фазой в лазерных каналах путем итеративной подачи управляющих напряжений на фазовые модуляторы в три этапа на каждой итерации, состоит в том, что в предложенном способе осуществляют управление фазами в каналах согласно стохастическому параллельному градиентному (СПГ) алгоритму, который состоит из одного пробного и одного корректирующего, т.е. двух этапов на каждой итерации.
Возможность использования разработанного алгоритма может быть обеспечена путем осуществления заявляемой последовательности действий способа, придающих ему в совокупности особенность и преимущества по сравнению с техническим решением, описанным в прототипе, которые заключаются в том, что:
- управление фазовыми модуляторами посредством итерационной подачи на них управляющих напряжений, в основу расчета которых заложен двухэтапный СПГ алгоритм [Гаранин С.Г., Маначинский А.Н., Стариков Ф.А., Хохлов С.В. Фазовая коррекция лазерного излучения с помощью адаптивных оптических систем в РФЯЦ-ВНИИЭФ // Автометрия. 2012. Том 48. №2. С. 30-37], обеспечивающий возможность проведения одного пробного этапа на каждой итерации, что в полтора раза сокращает время проведения итерации;
- причем управляющие напряжения, подаваемые на фазовые модуляторы на пробном этапе, выбирают с одинаковыми по модулю значениями, но с разным случайным знаком, знак выбирают статистически независимо; подача пробных напряжений должна приводить к фазовым сдвигам в каналах по амплитуде не более π/10, величина напряжений, подаваемых на фазовые модуляторы на корректирующем этапе, пропорциональна параметру, контролирующему скорость сходимости, изменению сигнала с фотоприемника (относительно значения до подачи напряжений) на первом пробном этапе и напряжениям, подаваемым на фазовые модуляторы на пробном этапе, параметр, контролирующий скорость сходимости, обратно пропорционален значению сигнала с фотоприемника на пробном этапе, а коэффициент пропорциональности обратно пропорционален квадрату амплитуды пробных фазовых сдвигов независимо от числа фазируемых каналов и их упаковки на выходе системы. В совокупности все эти признаки позволяют повысить скорость итерационной процедуры фазового сложения излучения многоканальных непрерывных лазеров, то есть уменьшить требуемое количество итераций для достижения равенства фаз лазерного излучения на выходе системы (установлено расчетным образом и подтверждено в эксперименте).
- в частном случае реализации изобретения величина фазовых сдвигов, подаваемых на пробном этапе, может быть пропорциональна модулю изменения сигнала с фотоприемника на пробном этапе предыдущей итерации.
- в частном случае реализации изобретения параметр, контролирующий скорость сходимости, может быть дополнительно пропорционален модулю изменения сигнала с фотоприемника на пробном этапе.
- в частном случае реализации изобретения может осуществляться контроль поляризации излучения с помощью вращателей поляризации;
Таким образом, использующий вышеназванные преимущества способ когерентного сложения лазерного излучения позволит по сравнению с прототипом обеспечить более быструю процедуру когерентного сложения лазерного излучения в многоканальных лазерных системах.
На фиг. 1 приведена функциональная схема когерентного сложения 7-и каналов оптоволоконной лазерной системы.
На фиг. 2 показано распределение интенсивности в фокусе линзы в случае дефазированного излучения.
На фиг. 3 показано распределение интенсивности в фокусе линзы в случае сфазированного излучения.
На фиг. 4 показана зависимость сигнала с фотодиода от номера итерации в процессе когерентного сложения излучения.
Техническое решение реализовано экспериментально на примере 7-канальной оптоволоконной лазерной системы. Функциональная схема когерентного сложения 7-и каналов оптоволоконной лазерной системы приведена на фиг. 1, где 1 - задающий генератор (ЗГ), 2 - система деления излучения на 7 каналов, 3 - фазовые модуляторы на основе кристалла ниобата лития, 4 - блок параллельных усилителей, 5 - система коллимации излучения, 6 - светоделительная пластина, 7 - фокусирующая линза, 8 - фотодиод, 9 - электронный блок управления фазовыми модуляторами на базе микроконтроллера.
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат.
Управление напряжением, подаваемым на фазовые модуляторы, на основе СПГ алгоритма реализовано с помощью электронного блока управления 9 на базе микроконтроллера, в который предварительно был запрограммирован двухэтапный СПГ алгоритм.
До включения электронного блока разделенное посредством системы деления 2 на 7 каналов лазерное излучение направляют на соответствующие каналам электрооптические фазовые модуляторы 3 на основе кристалла ниобата лития, установленные перед параллельным блоком усилителей 4. После усиления в блоке усилителей 4 волновой фронт в каждом канале делают плоским путем прохождения через систему коллимации 5. Затем излучение частично отводят с помощью светоделительной пластины 6 и фокусируют линзой 7 на фотоприемник 8. В качестве фотоприемника используют фотодиод, перед фотодиодом располагают диафрагму дифракционного размера для регистрации доли мощности суммарного излучения в дифракционном угле.
λ/2
λ/2
λ/2
После включения ЗГ 1 включают электронный блок управления 9, после чего сигнал J с фотоприемника 8, расположенного в фокусе линзы 7, поступает на вход микроконтроллера. Данный сигнал является начальным значением, относительно которого измеряют изменение сигнала на пробном этапе. Затем блок управления 9 генерирует согласно СПГ алгоритму пробные напряжения δU с одинаковыми по модулю значениями, но со случайным знаком, например 0.03U, где U=310 В - полуволновое напряжение для используемых фазовых модуляторов, и производит подачу этих напряжений на фазовые модуляторы 3, после чего измеряет соответствующее изменение сигнала δJ с фотодиода 8 относительно начального значения. Напряжения, равные по величине 0.03U, приводят к фазовым сдвигам в каналах 0.03π, которые не превышают указанное значение π/10. На этом пробный этап заканчивается.
2
2
На корректирующем этапе итерации блок управления 9 проводит согласно СПГ алгоритму расчет значений, корректирующих напряжения ΔU, и производит подачу этих напряжений на фазовые модуляторы 3. Блок управления 9 проводит расчет корректирующих напряжений в строгом соответствии с указанным выше СПГ алгоритмом: то есть величина напряжений ΔU пропорциональна параметру, контролирующему скорость сходимости, изменению сигнала с фотодиода δJ на пробном этапе и напряжениям δU, подаваемых на фазовые модуляторы на пробном этапе. При этом параметр, контролирующий скорость сходимости, обратно пропорционален значению сигналу с фотодиода J на пробном этапе с коэффициентом пропорциональности γ, а коэффициент пропорциональности γ=0.05π/(0.03π)=54. То есть можно записать, что напряжения, подаваемые на фазовые модуляторы на корректирующем этапе, рассчитываются по формуле: . Знак напряжений ΔU выбирается таким образом, что он равен произведению знака изменения сигнала с фотодиода на пробном этапе δJ и знака пробного напряжения δU для соответствующего канала. На этом итерация заканчивается, затем блок управления 9 измеряет новое начальное значение сигнала с фотодиода J, совершает очередную итерацию и т.д. Результатом итерационного режима подачи напряжений является возрастание сигнала с фотодиода, а увеличение сигнала до максимума (достижение доли мощности суммарного излучения в дифракционном угле максимального значения) говорит о равенстве фаз лазерного излучения на выходе системы.
В итоге, за счет проведения одного пробного этапа, время каждой итерации по сравнению с прототипом сокращается в полтора раза. При этом использование параметра, контролирующего скорость сходимости, в сочетании с указанными признаками позволяет повысить скорость итерационной процедуры когерентного сложения лазерного излучения в многоканальных лазерных системах, то есть уменьшить количество итераций, необходимое для достижения равенства фаз излучения на выходе системы. На фиг. 2. показано распределения интенсивности в фокусе линзы 7 в случае дефазированного излучения. На фиг. 3 показано распределение интенсивности в фокусе линзы 7 в случае сфазированного излучения. На фиг. 4 показана зависимость сигнала с фотодиода 8 от номера итерации в процессе когерентного сложения излучения.
Таким образом, может быть реализовано техническое решение по когерентному сложению лазерных пучков с достижением технического результата, состоящего в упрощении процедуры когерентного сложения за счет уменьшения времени когерентного сложения лазерных пучков.