基于隨機(jī)并行梯度下降法的光纖激光相干合成

基于隨機(jī)并行梯度下降法的光纖激光相干合成

1mopa結(jié)構(gòu)光纖激光相干合成系統(tǒng)的優(yōu)勢多段光學(xué)和激光的相干合成已成為激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。主振動(dòng)源檢測器的研究人員提出了各種實(shí)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(dòng)源矩陣結(jié)構(gòu)的主動(dòng)相位控制方案（mopa）。在MOPA結(jié)構(gòu)相干合成系統(tǒng)中,通常認(rèn)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(shí)間相干性,但由此引入的非線性效應(yīng)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(jí)。種子源采用寬譜線激光和多波長輸出被認(rèn)為是抑制非線性效應(yīng)、提高非線性效應(yīng)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(jié)構(gòu)的種子激光源,并能成功實(shí)現(xiàn)多路放大器的相干合成,那么MOPA結(jié)構(gòu)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(jī)并行梯度下降(SPGD)法對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,論證MOPA結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)室自制全保偏環(huán)形腔激光器,其腔體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,由一臺(tái)980nm的抽運(yùn)源,一個(gè)保偏波長復(fù)用器(WDM)、一段長度為50cm的單包層摻鐿(Yb)保偏光纖、兩個(gè)保偏隔離器(ISO)、一個(gè)保偏2×2耦合器(coupler)和一個(gè)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(jié)構(gòu)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(gè)鈮酸鋰(LiNbO3)相位調(diào)制器(PM)和一個(gè)光纖放大器(AMP)。相位調(diào)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(jìn)入放大器前接隔離器(ISO)加以保護(hù)。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(jīng)過準(zhǔn)直器(CO)后形成陣列光束,準(zhǔn)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(jīng)過分光鏡后被分成兩部分,一部分光束經(jīng)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(xiàn)中的準(zhǔn)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(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入數(shù)字信號(hào)處理器(DSP),DSP根據(jù)采集到的信號(hào)執(zhí)行隨機(jī)并行梯度下降(SPGD)算法,并將計(jì)算得到的相位控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和放大電路后施加給LiNbO3相位調(diào)制器用于相位控制,完成整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)。陣列光束經(jīng)過分光鏡的另一部分光束經(jīng)過透鏡聚焦,紅外相機(jī)放置在透鏡的后焦平面上,用來觀察光束的遠(yuǎn)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(biāo)圓孔內(nèi)寬度內(nèi)部包含的能量為評(píng)價(jià)函數(shù)J。主動(dòng)向各路相位調(diào)制器施加隨機(jī)擾動(dòng)電壓δu,觀察隨機(jī)擾動(dòng)電壓帶來的評(píng)價(jià)函數(shù)變化量ΔJ,通過運(yùn)行SPGD算法得到下一時(shí)刻施加在相位調(diào)節(jié)器上的電壓信號(hào)u并作用于相位調(diào)制器,如此迭代進(jìn)行,直至算法收斂。SPGD算法的具體實(shí)現(xiàn)過程如下:定義評(píng)價(jià)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(biāo)(k)表示第k次迭代。施加在相位調(diào)節(jié)器上的電壓信號(hào)u的迭代計(jì)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(shí)施加的擾動(dòng)電壓向量,γ為增益系數(shù)。如使目標(biāo)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(shí))為:1)隨機(jī)生成擾動(dòng)向量δu(k)={δu1,δu2,δu3}(k)δu(k)={δu1,δu2,δu3}(k),各δui相互獨(dú)立且同為伯努利分布,各分量幅值相等,取正負(fù)值的概率同為50%;2)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的變化量ΔJ(k);3)更新控制參數(shù),進(jìn)行第k+1次迭代,直至滿足算法結(jié)束條件。通過向各路相位調(diào)制器施加隨機(jī)擾動(dòng)電壓并計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)J變化量ΔJ,能夠不斷更新施加在各路相位調(diào)制器上的控制電壓信息u,直至評(píng)價(jià)函數(shù)J取全局極大值,對(duì)應(yīng)3路激光相位一致的情形。這樣就達(dá)到了鎖相運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)3路激光的相干合成輸出。當(dāng)未執(zhí)行SPGD算法、系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)時(shí),遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布形態(tài)為動(dòng)態(tài)、模糊的光斑,如圖3(a)所示。而當(dāng)執(zhí)行SPGD算法系統(tǒng)閉環(huán)時(shí),遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布形態(tài)為穩(wěn)定、清晰的高對(duì)比度光斑,系統(tǒng)閉環(huán)遠(yuǎn)場光斑中央主瓣內(nèi)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(qiáng)極大值,Imin為Imax的臨近極小值,算得此時(shí)遠(yuǎn)場光斑的可見度為81%。3spgd算法在多波長光纖放大器中的應(yīng)用多波長光纖放大器相干合成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與第2節(jié)介紹的寬譜光纖放大器相干合成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gè)中心波長分別為1083nm和1064nm的單頻激光(線寬均小于1MHz)和一個(gè)保偏耦合器組成。兩束單頻激光經(jīng)過保偏耦合器后的光譜如圖5(a)所示,經(jīng)過功率放大器(AMP)后激光光譜如圖5(b)所示,在兩個(gè)波長的激光輸出功率基本保持一致的同時(shí),放大器自發(fā)輻射(ASE)得到了很好的抑制。對(duì)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(dāng)未執(zhí)行SPGD算法、系統(tǒng)處于系統(tǒng)開環(huán)時(shí),遠(yuǎn)場長時(shí)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(shí),遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布形態(tài)為穩(wěn)定、清晰的高對(duì)比度光斑,系統(tǒng)閉環(huán)遠(yuǎn)場光斑中央主瓣內(nèi)的功率明顯提高,如圖6(b)所示,此時(shí)遠(yuǎn)場光斑的可見度為85%。4模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果MOPA結(jié)構(gòu)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(yīng)。針對(duì)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(yīng)的方式,本文利用SPGD法對(duì)三路寬譜光纖放大器和