RU2582300C1 - Method for coherent laser radiation in multichannel continuous lasers - Google Patents
Method for coherent laser radiation in multichannel continuous lasers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2582300C1 RU2582300C1 RU2015101263/28A RU2015101263A RU2582300C1 RU 2582300 C1 RU2582300 C1 RU 2582300C1 RU 2015101263/28 A RU2015101263/28 A RU 2015101263/28A RU 2015101263 A RU2015101263 A RU 2015101263A RU 2582300 C1 RU2582300 C1 RU 2582300C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channels
- phase modulators
- stage
- phase
- photodetector
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 56
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000011478 gradient descent method Methods 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/10—Beam splitting or combining systems
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of laser technology and can be used to create multichannel cw lasers with parallel coherent addition of channel radiation. The invention can find application in various fields of technology, in medicine, in the military-industrial field, where the use of laser radiation with a high radiation power density is required.
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.Several methods are known for coherently combining laser radiation, for example, the method of [Yanxing Ma, Pu Zhou, Xiaolin Wang et al., "Coherent beam combination with single frequency dithering technique", Optics letters 35, 9 (2010), 1308-1310. 1], based on the determination and sequential compensation of the relative phase difference in each channel.
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.The Russian analogue of the invention is a phasing method [Pyrkov Yu.N., Tsvetkov VB, Kurkov A.S., Trikshev A.I. "A method for coherently combining laser beams with synchronous detection and a device for coherently combining laser beams with synchronous detection." RF patent for the invention No. 2488862, 2], based on the determination of the phase difference of the radiation in each working channel relative to the radiation of the reference channel. The aperture of the reference channel is increased using a collimator, after which the interference patterns of the radiation of the reference channel with the radiation of N working channels are recorded at the focus of the lens. At the focus of the lens are N synchronous phase detectors, which measure the phase difference of the radiation of each working channel relative to the radiation phase of the reference channel. Then, corresponding signals are applied to the N phase-shifting piezoceramic elements to compensate for the phase difference. The disadvantage of this method is that, despite providing improved performance, the need for a synchronous phase detector on each working channel greatly complicates the design and increases the mass-dimensional parameters of the system. In addition, this method has a high sensitivity to noise, since the determination of the relative phase difference of the reference and working channels is carried out by the interference method.
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.The relevance of a technical solution to the problem lies in the fact that obtaining continuous high-intensity laser radiation with low divergence in single-channel lasers is difficult, since the radiation strength of the active elements of the laser is limited, and an increase in their transverse dimensions in order to reduce the divergence is either impossible (in fiber-optic lasers) or leads to the appearance of phase distortion on the aperture due to the deterioration of the thermal regime of the active medium. On the other hand, an increase in the power of the output radiation with obtaining diffraction divergence can be achieved due to the coherent addition of parallel laser beams.
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.As a prototype of the proposed method, the method of coherent addition of laser radiation [Ling Liu, Mikhail A. Vorontsov, "Phase-Locking of Tiled Fiber Array using SPGD controller", Proc. of SPIE 58650P, (2005), 3]. This method of coherent addition consists of controlling the phases in the channels of a multi-channel laser system using phase modulators by the value of a signal from a photodiode that measures the target function (for example, the fraction of the total radiation power in the diffraction angle). For this, part of the radiation at the system output is extracted using a beam splitter plate and is focused by the lens onto the photodiode. The phases in the channels are controlled by iteratively supplying control voltages to the phase modulators according to the three-stage method of stochastic gradient descent. The first two stages consist in the sequential supply of test voltages of small amplitude in phase modulators and registration of the corresponding signals from the photodiode. These small voltages are chosen in such a way that they are statistically independent quantities. At the first stage, small voltages are applied to the phase modulators and the signal from the photodiode is measured. At the second stage, the same voltage is applied to the phase modulators, but with the opposite sign, after which the signal from the photodiode is measured again. At the third stage, the changes in the signal from the photodiode are analyzed at trial stages (the difference between the measured signals from the photodiode is calculated), new voltages are calculated and applied to the phase modulators, and these voltages are proportional to the parameter controlling the convergence rate (i.e., the number of iterations required to achieve equality radiation phases at the system output), the difference between the measured signals from the photodiode and the voltages supplied to the phase modulators at the trial stages. The result of this iterative voltage supply is an increase in the signal from the photodiode, and the achievement of the maximum signal indicates the equality of the phases of the radiation at the output of the system, i.e. on the coherent addition of radiation.
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.The disadvantages of the prototype method of coherent addition of laser radiation in multichannel laser systems include the presence of three stages in each iteration, which increases the iteration time, and, as a result, the total time of coherent addition of laser beams, which in the presence of high-frequency phase distortions on the optical path can be negative affect the efficiency of addition.
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.The technical result of the invention is to obtain a coherent optical signal by adding several laser beams without measuring the absolute and relative phases in the channels (as in the prototype) while simplifying the procedure by reducing the time of coherent addition of laser beams.
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.The technical result is achievable due to the fact that, in contrast to the known method of coherent addition of laser radiation in multichannel cw lasers, which consists in the fact that the laser radiation divided into channels is directed to the phase modulators corresponding to the channels, after passing through the phase modulators, all channels are exposed parallel to each other, wherein the wavefront in each channel is made flat, after which part of the multichannel radiation is diverted and focused on the photodetector for recording accordingly of the signal, then simultaneously supply voltage small in amplitude to the phase modulators, providing phase control in the channels, and register the corresponding signals from the photodetector, after which they calculate and supply new control voltages to the phase modulators, while the supply of control voltages is performed in iterative mode, control stress values are calculated based on the stochastic gradient descent method, and for each iteration, when calculating control stresses, phase modulators in the channels of laser radiation, use the values of the registered signals from the photodetector, the result of the iterative mode of supply of control voltages is the phase matching of the laser radiation at the system output, and the coherent addition of laser radiation is judged by the maximum value of the signal from the photodetector, in the proposed method, the supply of control voltages to phase modulators are produced in iterative mode in two stages, one trial and one corrective, at the first trial phase they feed control phase voltages to the phase modulators of the same value with different random signs providing phase shifts in the channels with an amplitude of not more than π / 10; after supplying control voltages, the signal from the photodetector is measured relative to the value before supplying control voltages at the trial stage, the values of the control voltages supplied to the phase modulators at the corrective stage are proportional to the parameter controlling the convergence rate, the change in the signal from the photodetector to bnom stage and the control voltage applied to the phase modulators on the sample stage, wherein said parameter controlling the rate of convergence is inversely proportional to the value of the signal from the photodetector on the sample stage by a factor inversely proportional to the square of the amplitude of phase shifts on the sample stage.
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.That is, the difference from the known method of coherent beam addition, which consists in controlling the phase in the laser channels by iteratively applying control voltages to the phase modulators in three stages at each iteration, is that in the proposed method, the phases in the channels are controlled according to the stochastic parallel gradient ( LNG) algorithm, which consists of one trial and one corrective, i.e. two steps at each iteration.
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:The possibility of using the developed algorithm can be provided by implementing the claimed sequence of actions of the method, giving it a combination of features and advantages compared to the technical solution described in the prototype, which consists in the fact that:
- 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;- control of phase modulators by iteratively supplying control voltages to them, the calculation of which is based on a two-stage LNG algorithm [Garanin SG, Manachinsky AN, Starikov FA, Khokhlov SV Phase correction of laser radiation using adaptive optical systems in RFNC-VNIIEF // Avtometriya. 2012. Volume 48. No. 2. P. 30-37], which provides the possibility of carrying out one trial stage at each iteration, which reduces the time of the iteration by one and a half times;
- 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).- moreover, the control voltages supplied to the phase modulators at the trial stage are selected with the same modulus values, but with a different random sign, the sign is chosen statistically independently; the supply of test voltages should lead to phase shifts in the channels in amplitude of no more than π / 10, the magnitude of the voltages supplied to the phase modulators at the corrective stage is proportional to the parameter that controls the convergence rate, the change in the signal from the photodetector (relative to the value before voltage is applied) at the first test stage and voltages supplied to the phase modulators at the trial stage, the parameter controlling the convergence rate is inversely proportional to the value of the signal from the photodetector at the trial stage, and the coefficients The proportionality factor is inversely proportional to the square of the amplitude of the test phase shifts, regardless of the number of phased channels and their packing at the system output. Together, all these signs make it possible to increase the speed of the iterative procedure of phase addition of radiation from multichannel cw lasers, i.e., to reduce the required number of iterations to achieve the equality of the phases of the laser radiation at the system output (established by calculation and confirmed in the experiment).
- 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.- in the particular case of the invention, the magnitude of the phase shifts applied at the trial stage may be proportional to the modulus of the signal change from the photodetector at the trial stage of the previous iteration.
- в частном случае реализации изобретения параметр, контролирующий скорость сходимости, может быть дополнительно пропорционален модулю изменения сигнала с фотоприемника на пробном этапе.- in the particular case of the invention, the parameter controlling the convergence rate may be additionally proportional to the modulus of the signal from the photodetector at the trial stage.
- в частном случае реализации изобретения может осуществляться контроль поляризации излучения с помощью вращателей поляризации;- in the particular case of the invention, radiation polarization can be monitored using polarization rotators;
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.Thus, using the above-mentioned advantages, the method of coherent addition of laser radiation will allow, in comparison with the prototype, to provide a faster procedure for the coherent addition of laser radiation in multi-channel laser systems.
На фиг. 1 приведена функциональная схема когерентного сложения 7-и каналов оптоволоконной лазерной системы.In FIG. Figure 1 shows a functional diagram of the coherent addition of 7 channels of a fiber-optic laser system.
На фиг. 2 показано распределение интенсивности в фокусе линзы в случае дефазированного излучения.In FIG. Figure 2 shows the intensity distribution at the focus of the lens in the case of dephased radiation.
На фиг. 3 показано распределение интенсивности в фокусе линзы в случае сфазированного излучения.In FIG. Figure 3 shows the intensity distribution at the focus of the lens in the case of phased radiation.
На фиг. 4 показана зависимость сигнала с фотодиода от номера итерации в процессе когерентного сложения излучения.In FIG. Figure 4 shows the dependence of the signal from the photodiode on the iteration number in the process of coherent radiation addition.
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.The technical solution was experimentally implemented using the example of a 7-channel fiber-optic laser system. A functional diagram of the coherent addition of 7 channels of a fiber optic laser system is shown in FIG. 1, where 1 is a master oscillator (GG), 2 is a system for dividing radiation into 7 channels, 3 is a phase modulator based on a lithium niobate crystal, 4 is a block of parallel amplifiers, 5 is a radiation collimation system, 6 is a beam splitter, 7 is a focusing plate lens, 8 - photodiode, 9 - electronic control unit for phase modulators based on a microcontroller.
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат.We show how the above technical result is achieved.
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.The control of the voltage supplied to the phase modulators based on the LNG algorithm is implemented using the
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.Prior to switching on the electronic unit, the laser radiation separated by the system of dividing 2 into 7 channels is sent to the corresponding electro-
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 0.03Uλ/2, где Uλ/2=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 0.03Uλ/2, приводят к фазовым сдвигам в каналах 0.03π, которые не превышают указанное значение π/10. На этом пробный этап заканчивается.After turning on the
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=0.05π2/(0.03π)2=54. То есть можно записать, что напряжения, подаваемые на фазовые модуляторы на корректирующем этапе, рассчитываются по формуле: 
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.As a result, due to one trial phase, the time of each iteration is reduced by one and a half times in comparison with the prototype. In this case, the use of a parameter that controls the convergence rate, in combination with the indicated features, makes it possible to increase the speed of the iterative procedure for coherent addition of laser radiation in multichannel laser systems, i.e., to reduce the number of iterations required to achieve the equality of radiation phases at the output of the system. In FIG. 2. shows the intensity distribution at the focus of the
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.Thus, a technical solution for the coherent addition of laser beams can be implemented with the achievement of a technical result consisting in simplifying the procedure of coherent addition by reducing the time of coherent addition of laser beams.
Claims (1)
- разделенное на каналы лазерное излучение направляют на соответствующие каналам фазовые модуляторы,
- после прохождения фазовых модуляторов все каналы располагают 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,
отличающийся тем, что
- 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. The method of coherent addition of laser radiation in multichannel cw lasers, namely, that
- the laser radiation divided into channels is directed to phase modulators corresponding to the channels,
- after passing the phase modulators, all channels are parallel to each other,
- while the wavefront in each channel is made flat,
- after which part of the multi-channel radiation is diverted and focused on the photodetector to register the corresponding signal,
- then simultaneously supply voltage small in amplitude to the phase modulators, providing phase control in the channels, and register the corresponding signals from the photodetector,
- after which they calculate and supply new control voltages to the phase modulators,
- while the supply of control voltages is produced in iterative mode,
- the calculation of the values of the control stresses is based on the stochastic gradient descent method,
- moreover, for each iteration, in calculating the control voltages supplied to the phase modulators in the laser radiation channels, the values of the registered signals from the photodetector are used,
- the result of the iterative mode of supply of control voltages is the phase-matching of the laser radiation at the output of the system, and the coherent addition of laser radiation is judged by the maximum value of the signal from the photodetector,
characterized in that
- the supply of control voltages to the phase modulators is carried out in iterative mode in two stages, one trial and one corrective,
- at the first test stage, the supply to the phase modulators of control voltages of the same modulus values with different random signs with phase shifts in the channels in amplitude of not more than π / 10,
- after applying the control voltage, measure the change in the signal from the photodetector relative to the value before applying the control voltage at the trial stage,
- moreover, the values of the control voltages supplied to the phase modulators at the corrective stage are proportional to the parameter controlling the convergence rate, the change in the signal from the photodetector at the trial stage and the control voltages supplied to the phase modulators at the trial stage, while the parameter controlling the convergence rate is inversely proportional the value of the signal from the photodetector at the trial stage with a coefficient inversely proportional to the square of the amplitude of the phase shifts at the trial stage.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015101263/28A RU2582300C1 (en) | 2015-01-16 | 2015-01-16 | Method for coherent laser radiation in multichannel continuous lasers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015101263/28A RU2582300C1 (en) | 2015-01-16 | 2015-01-16 | Method for coherent laser radiation in multichannel continuous lasers |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2582300C1 true RU2582300C1 (en) | 2016-04-20 |
Family
ID=56195309
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015101263/28A RU2582300C1 (en) | 2015-01-16 | 2015-01-16 | Method for coherent laser radiation in multichannel continuous lasers |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2582300C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2720263C1 (en) * | 2017-04-10 | 2020-04-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | 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 |
| RU2826803C1 (en) * | 2024-04-10 | 2024-09-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | All-fibre system for determining and controlling radiation phase difference for implementing heterodyne method of summing radiation of multichannel laser system |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6219360B1 (en) * | 1998-04-24 | 2001-04-17 | Trw Inc. | High average power solid-state laser system with phase front control |
| US20110032603A1 (en) * | 2009-08-07 | 2011-02-10 | Northcrop Grumman Space & Mission Systems Corp. | Integrated spectral and all-fiber coherent beam combination |
| EP2806302A1 (en) * | 2012-01-20 | 2014-11-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Multi-beam linking device |
-
2015
- 2015-01-16 RU RU2015101263/28A patent/RU2582300C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6219360B1 (en) * | 1998-04-24 | 2001-04-17 | Trw Inc. | High average power solid-state laser system with phase front control |
| US20110032603A1 (en) * | 2009-08-07 | 2011-02-10 | Northcrop Grumman Space & Mission Systems Corp. | Integrated spectral and all-fiber coherent beam combination |
| EP2806302A1 (en) * | 2012-01-20 | 2014-11-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Multi-beam linking device |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2720263C1 (en) * | 2017-04-10 | 2020-04-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | 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 |
| RU2826803C1 (en) * | 2024-04-10 | 2024-09-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | All-fibre system for determining and controlling radiation phase difference for implementing heterodyne method of summing radiation of multichannel laser system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Anderegg et al. | Coherently coupled high-power fiber arrays | |
| Liu et al. | Phase-locking of tiled fiber array using SPGD feedback controller | |
| Zhou et al. | Coherent beam combining of fiber amplifiers using stochastic parallel gradient descent algorithm and its application | |
| US7088743B2 (en) | Laser source comprising amplifier and adaptive wavefront/polarization driver | |
| Anderegg et al. | 8-W coherently phased 4-element fiber array | |
| CN104793339B (en) | Fiber laser coherent combining system based on adaptive precision light path adjustment | |
| JP7462727B2 (en) | Low noise FM fiber laser amplifier | |
| US10378964B2 (en) | Pulsed light waveform measurement method and waveform measurement device | |
| US20210294109A1 (en) | Coherent Beam Combination (CBC) Systems and Methods | |
| TW201621444A (en) | Acousto-optic deflector with multiple output beams | |
| WO2015163149A1 (en) | Waveform measurement device and pulsed-light-generating device | |
| IL130904A (en) | High average power fiber laser system with phase front control | |
| JP2015523727A (en) | Coherent phase coupled, high contrast, pulsed fiber optic amplifier array | |
| US11909167B2 (en) | Systems and methods for coherent beam combining | |
| BR112021015591A2 (en) | METHOD AND INSTRUMENT FOR ULTRASHORT PULSE LASER COMMUNICATION BY A LOSS MEDIUM | |
| CN103227408B (en) | Based on beam array phase control system and the method for leggy disturbance | |
| US20230359017A1 (en) | Systems and Methods for Coherent Beam Combining | |
| JP6060341B2 (en) | Stabilized femtosecond pulsed laser and stabilization method | |
| Kozák et al. | Generation of few-cycle laser pulses at 2 μm with passively stabilized carrier-envelope phase characterized by f-3f interferometry | |
| RU2582300C1 (en) | Method for coherent laser radiation in multichannel continuous lasers | |
| Zhou et al. | Comprehensive investigation of LOCSET and SPGD algorithms in coherent beam combining applications | |
| EP3264540B1 (en) | Device and method for determining a temporal relationship of laser pulses, and applications thereof | |
| JP2011203648A (en) | Laser amplifier and laser amplification method | |
| Volkov et al. | Phase locking of a seven-channel continuous wave fibre laser system by a stochastic parallel gradient algorithm | |
| Tang et al. | An active phase locking of multiple fiber channels via square wave dithering algorithm |