RU2720263C1 - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
- Publication number
- RU2720263C1 RU2720263C1 RU2017112194A RU2017112194A RU2720263C1 RU 2720263 C1 RU2720263 C1 RU 2720263C1 RU 2017112194 A RU2017112194 A RU 2017112194A RU 2017112194 A RU2017112194 A RU 2017112194A RU 2720263 C1 RU2720263 C1 RU 2720263C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- beams
- phase
- photodetector
- fiber
- gaussian
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/06704—Housings; Packages
-
- 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
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
- H01S3/1305—Feedback control systems
-
- 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
- H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
- H01S3/2383—Parallel arrangements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
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.The invention relates to laser technology and can be used in multichannel systems of coherent addition of laser beams in order to organize an internal feedback loop for phase synchronization of laser beams. The invention can find application in various fields of technology where the use of laser radiation with a high radiation power density is required, for the tasks of wireless optical communication, in medicine, in the military-industrial field, with remote sensing and processing of materials.
Уровень техникиState of the art
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 N2 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.To create high-power lasers, spectral (Dennis Lowenthal and Andrew Brown, Aculight Corporation, NASA Tech Briefs, Jan 2006) and coherent methods of addition of laser beams (Pyrkov Yu.N., Trikshev AI, Tsvetkov VB "Phase of several amplification channels in the coherent addition of laser beams ", Quantum, electron., 2012), which allow to increase the radiation power of the laser system by N times, and the radiation intensity in the far zone by N 2 times, where N is the number of laser channels. Both methods demonstrate comparable performance indicators when adding relatively low-power laser beams. When using powerful laser beams of diffraction divergence, the most promising is the method of parallel coherent addition of N laser beams formed by a multichannel system with a synthesized aperture. However, in such systems, the deterioration in the quality of the resulting radiation can be associated with both depolarization of the channel radiation, incomplete filling of the resulting aperture with the radiation of the added channels, and wavefront distortions due to an error in the phase adjustment of different channels, which is the most critical parameter requiring priority stabilization. In such systems, it is necessary to arrange a phase shift control feedback loop.
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.Known methods for coherently adding laser beams, for example, the method (Yanxing Ma, Pu Zhou, Xiaolin Wang et al., "Coherent beam combination with single frequency dithering technique", Optics letters 35, 9 (2010), 1308-1310), based on the definition and alternately compensating for the relative phase difference in each channel.
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.An analogue of the present invention is a method (Pyrkov Yu.N., Tsvetkov VB, Kurkov A.S., Trikshev A.I. "Method for coherent addition of laser beams with synchronous detection and a device for coherent addition of laser beams with synchronous detection" patent RF invention No. 2488862), based on the determination of the phase difference of the radiation in each working channel relative to the radiation of the reference channel. The disadvantage of these schemes is the need to install a synchronous phase detector in each working channel, which reduces the noise immunity of the system, greatly complicates the design, increases the cost and mass-dimensional parameters of the system.
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.There are schemes (Volkov M.V., Garanin S.G., Dolgopolov Yu.V. et al. "Method for the coherent addition of laser radiation in multichannel cw lasers", RF patent for invention No. 2582300; Ling Liu, Mikhail A. Vorontsov, "Phase-Locking of Tiled Fiber Array using SPGD controller", Proc. Of SPIE 58650P, 2005), in which the radiation is extracted from the optical fiber using collimators assembled in a hexagonal order into one module, and part of the radiation at the system output is allocated using a beam splitter plate and the lens focuses on the photodiode through a diaphragm whose size is less than the bandwidth of erferentsionnoy pattern formed in the plane of the receiving photodiode area. The phase control in the channels is carried out by iteratively supplying control voltages to the phase modulators according to the stochastic gradient descent method. The disadvantages of these circuit solutions are the need to obtain a limited control beam using a signal reflected from an external remote target or to introduce a beam splitter plate into the light beams after the collimators, which significantly increases the dimensions of the system and introduces distortions into the wave fronts of the light beams passing through it, as well as the loss of a part of the energy when reflected from a beam splitter plate.
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.Closest to the claimed method is the scheme described in (M.A. Vorontsov, SL Lachinova LA Beresnev, T. Weyrauch "Obscuration-free pupil-plane phase locking of a coherent array of fiber collimators" JOSA Vol. 27, No. 11, A106-A121. 2010), in which a small portion of the laser radiation generated by the peripheral part of the Gaussian beam, which contains about 10% of the total beam energy, is used to operate the phase shift feedback loop. The fiber laser radiation divided into channels is directed to phase modulators, after which all the channels are exposed parallel to each other, and in each of them a flat wavefront is formed using a round-shaped collimating lens. Collimating lenses form a synthesized aperture consisting of clusters, each of which contains a central collimating lens and 6 peripheral collimating lenses assembled in a hexagonal lattice. Phase synchronization of the beams is ensured by an internal feedback loop using the peripheral parts of diverging Gaussian beams intercepted in front of the collimating lens location plane. Segments of off-axis parabolic mirrors or a mirror diffraction element intercepting a small fraction of the peripheral part of the Gaussian beam and focusing it in the plane of the diaphragm with a photodetector are used as a device for organizing the internal feedback loop. In this case, an interference pattern is formed in the plane of the diaphragm from three neighboring channels located at the vertices of the triangle, one of which is located on the optical axis of the central collimating lens. The maximum intensity intensity of the interference pattern depends on the relative phase difference Δϕ of the interfering light beams and reaches its extremum at Δϕ = n⋅2π, where n = 1, 2, .... The photodetector detects the intensity of the interference pattern and generates a signal at the input of a multi-channel controller, which supplies iterative voltages to the phase-shifting elements according to the stochastic parallel gradient method until the input signal reaches its maximum amplitude, forming a feedback loop. The peak intensity of the interference maximum is adjusted by moving the diaphragm with the photodetector. Organized in this way, the internal feedback loop, using the interference of peripheral Gaussian beams, allows you to get a limited reference beam without using a signal reflected from an external remote target or a bulky beam splitter that introduces distortions into the generated wave fronts.
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.A significant disadvantage of this method is the need for focusing in the receiver plane of the peripheral parts of diverging Gaussian beams, which causes aberration distortions of the wavefront and, as a result, blurring the interference pattern and reducing its contrast. This leads to an increase in the error in determining the magnitude of the phase mismatch and a decrease in the efficiency of the feedback loop, which in turn leads to a decrease in the achievable intensity of the central maximum of the far-field intensity distribution.
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.In turn, the implementation of this method requires the placement of a reflecting optical element in diverging beams, consisting of three segments of an off-axis parabolic mirror, which are very difficult to align, while inevitably there are aberration distortions of the wavefront due to the fact that the parabolic mirror does not work in a parallel beam, but diverging, and this leads to a decrease in the contrast of the interference pattern.
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, dТД - 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 dТД, ограничивающей мощность падающего излучения, является важным фактором, обеспечивающим эффективность работы контура обратной связи.In this case, due to the location of the mirror element intercepting the peripheral parts of the Gaussian beams in front of the collimating lens location plane, another problem arises related to the need to form an interference pattern with a strip width in the receiver plane where Δх is the width of the interference fringe in Jung's experiment, I is the radiation wavelength, L is the distance from the source of the optical beam to the observation plane of the interference pattern, d is the distance between the centers of two optical beams, d TD is the diameter of the diaphragm, which is a necessary condition for signal formation feedback for control according to the stochastic gradient descent method. In the case of interference of three beams, the interference pattern is the structure of light spots with a spot size equal to Δx. In practically implemented systems of coherent addition of fiber laser beams, the focal length of collimating lenses only several times greater than the distance between the centers of the beams d (in the prototype which limits the size of the system, which is reasonable from the point of view of design parameters, the width of the interference band by the condition Δx≤10λ, and severely limits the aperture size and, accordingly, limits the power of the signal recorded by the photodiode. The sensitivity of modern photodetectors operating in the near (800-1700 nm) IR range is ~ 0.5 A / W, and the dark current is ~ 1 nA. Thus, the radiation power incident on the photodetector should be tens to hundreds of nanowatts. In this regard, the possibility of increasing the width of the interference strip, and, consequently, the allowable diameter of the diaphragm d TD , limiting the power of the incident radiation, is an important factor that ensures the efficiency of the feedback loop.
Сведения, раскрывающие сущность изобретенияSummary of the invention
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.The purpose of the invention is to create a method and apparatus for organizing an internal feedback loop for phase synchronization of an array of fiber lasers, which allows to increase the contrast of the interference pattern, to increase the achievable width of the interference band, to reduce the error value of the phase mismatch necessary to increase the efficiency of the feedback loop, and to obtain power density in systems of coherent beam addition.
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.This goal is achieved in that the proposed method and device for organizing the internal feedback loop, as well as the prototype, include laser radiation divided into channels directed to phase modulators. After passing through the phase modulators, all channels are amplified and aligned parallel to each other, while a flat wavefront is formed in each channel using collimating lenses. Collimating lenses form a synthesized aperture consisting of clusters, each of which contains a central collimating lens and 6 peripheral collimating lenses assembled in a hexagonal lattice. The phase synchronization of the beams is ensured by an internal feedback loop using the peripheral parts of the Gaussian beams. In contrast to the prototype, the peripheral parts of the Gaussian beams are intercepted after the laser radiation is collimated by a parabolic axial mirror located behind the plane of the entrance pupil of the collimator, and the axial point of which is located at the intersection of the medians of an equilateral triangle, the vertices of which lie on the axes of three neighboring collimating lenses, one of which is the central collimating lens for this cluster. The diameter of the parabolic mirror is chosen in such a way as to prevent the vignetting of the part of the Gaussian beam containing 92% of the power. The part of the multichannel radiation reflected from the parabolic mirror is focused through the hole in the geometric center of each triple of collimating lenses onto the diaphragm with a photodetector to record the maximum intensity of the interference pattern arising from the addition of wave fronts from three neighboring channels. In contrast to the prototype, hexagonal lenses are used as collimating, intercepting ~ 96% of the power of a Gaussian laser beam and glued together in a hexagonal order into a common module.
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:The advantages of the proposed method are that the interception and focusing in the plane of the diaphragm with the photodetector of the peripheral sections of the Gaussian beams is carried out after their collimation, which allows:
1) минимизировать аберрационные искажения волновых фронтов, предотвращая размытие интерференционной картины и повышая ее контраст;1) minimize the aberration distortions of wave fronts, preventing blurring of the interference pattern and increasing its contrast;
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:2) reduce the error value of the phase mismatch and increase the efficiency of the feedback loop, which leads to an increase in the achievable intensity of the central maximum of the far-field intensity distribution. The advantages of the proposed device are that the use of an axial parabolic mirror when organizing the internal feedback loop for phase synchronization in systems of coherent addition of fiber laser beams allows you to:
1) упростить юстировку;1) to simplify the adjustment;
2) увеличить достижимое значение ширины интерференционной картины ~ в (три) Dпол/Dзер раза по сравнению с прототипом при сохранении тех же конструктивных (геометрических) параметров;2) increase the achievable value of the width of the interference pattern ~ (three) D floor / D z times compared to the prototype while maintaining the same structural (geometric) parameters;
3) задавать значение ширины полосы интерференционной картины в соответствии с выбранным размером точечной диафрагмы путем выбора фокусного расстояния параболического зеркала;3) set the bandwidth of the interference pattern in accordance with the selected size of the point aperture by selecting the focal length of the parabolic mirror;
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.4) to simplify the adjustment of interference fringes in the plane of the photodiode without moving the diaphragm with the photodiode, and by displacing the parabolic mirror along its optical axis and controlling its tilts.
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.The hexagonal shape of collimating lenses allows denser filling of the synthesized aperture with the radiation of folding channels and thereby increase the achievable power density in the system of coherent beam addition.
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.New for the method is: focusing in the plane of the photodetector of the peripheral parts of the Gaussian beams after their collimation, which eliminates the wavefront aberrations, eliminates blurring and increases the contrast of the interference pattern and increases the width of the interference strip.
Новым для устройства является:New for the device is:
- 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;- the use of collimating hexagonal lenses glued together in a hexagonal order, which leads to a more complete filling of the synthesized aperture with laser radiation and, as a result, an increase in the achievable power density in the system of coherent beam addition;
- 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;- to intercept and focus the peripheral parts of the Gaussian beams in the plane of the photodetector, an axial parabolic mirror is used, located behind the plane of the entrance pupil of the collimating lenses, and the axial point of which is located at the intersection of the medians of an equilateral triangle, the vertices of which lie on the axes of the three neighboring collimating lenses, one of which is a central collimating lens for a given cluster;
- диаметр параболического зеркала выбирается таким образом, чтобы предотвратить виньетирование части гауссового пучка, содержащей 92% мощности;- the diameter of the parabolic mirror is chosen in such a way as to prevent the vignetting of the part of the Gaussian beam containing 92% of the power;
- в геометрическом центре каждой тройки коллимирующих линз расположено отверстие для предотвращения виньетирования и перефокусировки отразившегося от параболического зеркала излучения.- a hole is located in the geometric center of each triple of collimating lenses to prevent vignetting and refocusing of radiation reflected from the parabolic mirror.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
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).In FIG. 1 shows an optical diagram of a device for organizing an internal feedback loop for controlling a phase shift in systems of coherent addition of fiber laser beams (for simplicity, only three adjacent channels are shown), comprising a fiber narrow-band laser (1), a fiber splitter (2); phase shifting cells (3); fiber amplifiers (4); 3-aperture collimator (5) with a hole in the center; axial parabolic mirror (6); aperture (7), photodiode (8) and controller (9).
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
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 D0,89 гауссового пучка.The device operates as follows: a laser beam from a radiation source — a fiber narrow-band laser (1) passes through a fiber splitter (2), where radiation is divided into N channels. To adjust the phase, the radiation is directed to phase-shifting cells (3) and then amplified using fiber amplifiers (4) and removed from the optical fiber using densely packed N-collimators assembled into a single module (5). Each collimator consists of a single hexagonal aspherical lens. The collimators are installed in parallel and direct the collimated beams to the target. Part of the radiation (the peripheral part of the collimated Gaussian beam, containing about 4% of the power) is reflected from a pre-configured axial parabolic mirror (6) located behind the plane of the entrance pupil and whose axial point is located at the intersection of the medians of an equilateral triangle, the vertices of which lie on the axes of three neighboring collimating lenses, one of which is the central collimating lens for a given cluster. The peripheral beams reflected from the parabolic mirror pass through an aperture located at the intersection of the medians of an equilateral triangle, the vertices of which lie on the axes of three neighboring collimating lenses, one of which is the central collimating lens, interfere in the plane of the diaphragm (7) and the power transmitted through the diaphragm is detected by a photodiode ( 8). The signals from the photodiode are fed to the controller (9), which controls the state of the phase-shifting elements according to the method of stochastic gradient descent. Preliminary adjustment of interference fringes in the plane of the photodetector is carried out by shifting the parabolic mirror along its optical axis and controlling its tilts. The diameter of the parabolic mirror (Fig. 2) is calculated according to the formula [1] in order to exclude the vignetting of the main beam directed to the target having a light diameter equal to the light diameter D of 0.89 Gaussian beam.
где Dпол - полный световой диаметр коллимированного излучения, Dпол=2NA⋅ƒ'кол., где NA - числовая апертура оптоволокна,where D floor is the total light diameter of collimated radiation, D floor = 2NA⋅ƒ ' count. where NA is the numerical aperture of the optical fiber,
ƒ'кол - фокусное расстояние коллимирующей линзы; D0,89 - диаметр светового пучка с учетом коэффициента перехвата пучка коллиматорной линзой γ=1/0,89;ƒ ' count - focal length of a collimating lens; D 0.89 - the diameter of the light beam taking into account the coefficient of interception of the beam by a collimator lens γ = 1 / 0.89;
где ω0 - половина диаметра моды оптоволокна; where ω 0 is half the diameter of the mode of the optical fiber;
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 dотв, расположенного между тремя гранями соседних гексагональных линз (фиг. 2).The radius of curvature of a parabolic mirror is calculated from two conditions. First, from the condition of the reflected light from the parabolic mirror without vignetting of the beam through the aperture diameter d of holes disposed between the three faces of adjacent hexagonal lenses (FIG. 2).
Исходя из этого условия, фокус зеркала должен быть не менее величины:Based on this condition, the focus of the mirror should be no less than:
Во-вторых, с целью согласования ширины интерференционной полосы с размером диафрагмы согласно формуле [3]:Secondly, in order to match the width of the interference strip with the size of the diaphragm according to the formula [3]:
где, Δх - ширина интерференционной полосы, Dзер - диаметр зеркала.where, Δx is the width of the interference strip, Dser is the diameter of the mirror.
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.The above formulas for calculating the design parameters of a parabolic mirror (radius of curvature, diameter) make it possible to design a device circuit consisting of commercially available components with a certain detectable interference bandwidth, taking into account the selected wavelength and specific characteristics of the optical fiber used.
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017112194A RU2720263C1 (en) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017112194A RU2720263C1 (en) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 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 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2720263C1 true RU2720263C1 (en) | 2020-04-28 |
Family
ID=70553035
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017112194A RU2720263C1 (en) | 2017-04-10 | 2017-04-10 | 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 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2720263C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111880320A (en) * | 2020-07-22 | 2020-11-03 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | Optical fiber laser array beam combination and optical axis control device |
CN119124387A (en) * | 2024-08-30 | 2024-12-13 | 中国科学院国家空间科学中心 | A sky survey atmospheric wind temperature detection system and method for real-time calibration detection |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7742512B2 (en) * | 2004-02-02 | 2010-06-22 | Raytheon Company | Scalable laser with robust phase locking |
WO2014081582A2 (en) * | 2012-11-21 | 2014-05-30 | Northrop Grumman Systems Corporation | Nested loop coherent beam combining system |
RU2582300C1 (en) * | 2015-01-16 | 2016-04-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method for coherent laser radiation in multichannel continuous lasers |
-
2017
- 2017-04-10 RU RU2017112194A patent/RU2720263C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7742512B2 (en) * | 2004-02-02 | 2010-06-22 | Raytheon Company | Scalable laser with robust phase locking |
WO2014081582A2 (en) * | 2012-11-21 | 2014-05-30 | Northrop Grumman Systems Corporation | Nested loop coherent beam combining system |
RU2582300C1 (en) * | 2015-01-16 | 2016-04-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method for coherent laser radiation in multichannel continuous lasers |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
М.A. Vorontsov и др."Obscuration-free pupil-plane phase locking of a coherent array of fiber collimators", JOSA, том 27, N 11, A106-A121, 2010. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111880320A (en) * | 2020-07-22 | 2020-11-03 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | Optical fiber laser array beam combination and optical axis control device |
CN119124387A (en) * | 2024-08-30 | 2024-12-13 | 中国科学院国家空间科学中心 | A sky survey atmospheric wind temperature detection system and method for real-time calibration detection |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhou et al. | Coherent beam combining of fiber amplifiers using stochastic parallel gradient descent algorithm and its application | |
US5694408A (en) | Fiber optic laser system and associated lasing method | |
US7440174B2 (en) | Coherent fiber diffractive optical element beam combiner | |
US6504976B1 (en) | Spectral power monitors with active alignment compensation | |
CN111725696B (en) | Piston phase regulation and control system and method of laser coherent array | |
US7724789B2 (en) | Method and apparatus for optical mode multiplexing of multimode lasers and arrays | |
CN112198668B (en) | Optical field reconstruction system and method for generating vortex beams by fiber laser coherent synthesis | |
JP2011512653A (en) | High power parallel fiber array | |
CN113394653B (en) | Laser coherent array and control method | |
CN113391399B (en) | All-fiber distributed phase detection and array beam coherent synthesis system | |
JP2011254028A (en) | Phased array laser apparatus | |
CN102662241A (en) | Laser beam common-aperture power synthesis system based on beam stabilization closed-loop control | |
KR20220072841A (en) | Optical Monolithic Beam Shaper Array with Compact Tiles | |
CN103227408B (en) | Based on beam array phase control system and the method for leggy disturbance | |
EP4204868A1 (en) | Method for assembling a hollow core optical fiber array launcher | |
US6704509B1 (en) | Compact optical performance monitor | |
RU2720263C1 (en) | 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 | |
US11448889B2 (en) | Spectrally combined fiber laser amplifier system including optically monolithic beam shaper array with compact tiles | |
CN113937609B (en) | Active phase locking method for fiber laser coherent synthesis based on Dammann vortex grating and fiber laser coherent synthesis system | |
Kolosov et al. | Formation of the feedback loop for phase control of a fiber laser array | |
CN211320559U (en) | Fractal-based coherent fiber laser array and generation system thereof | |
CN114628979B (en) | Laser coherent array phase calibration and control method | |
CN105973480A (en) | Grating secondary diffraction type laser wavelength meter | |
RU2716887C1 (en) | Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation | |
CN102832532B (en) | Micro-electro-mechanical system (MEMS)-based multi-channel tunable fiber laser and control method for same |