国防科学技术大学博士学位论文光纤激光相干合成技术研究姓名周朴申请学位级别博士专业光学工程指导教师刘泽金20091001国防科学技术大学研究生院博士学位论文摘要光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点在工业和国防领域有广泛的应用前景。受限于非线性效应、光纤端面损伤、热透镜效应等因素单根光纤激光器输出功率存在极限。与此同时构建模块化的光纤激光阵列并对阵列的输出光束进行相干合成是获得高功率高光束质量输出的有效途径之一。相干合成光纤激光阵列构成的高能激光系统与传统单孔径高能激光系统相比在系统成本、热管理以及光束控制等方面具备明显优势近年来成为激光技术领域的研究热点。论文对光纤激光相干合成技术展开了全面的理论与实验研究系统地分析了光纤激光相干合成的必要性、可行性、技术途径的选择与实现、光束质量评价与大气传输特性等五个关键问题。论文对气体激光、化学激光、半导体激光、固体激光等各种类型的激光光束合成技术进行了回顾与分析重点回顾了光纤激光相干合成技术近几年取得的一系列里程碑对光纤激光相干合成与谱合成、非相干合成技术进行了分析与比较。系统地分析了高功率光纤激光相干合成技术研究的必要性研究结果表明主振荡功率放大器结构光纤激光相干合成系统中各路激光严格单频输出是不必要的从而可以避免单频激光引起的非线性效应带来的功率极限。另一方面相干合成在激光功率传输方面比谱合成、非相干合成都具备明显优势。针对国内外研究人员对高功率光纤激光相干合成面临的困难所提出的种种质疑从时、空、频域三方面对高功率光纤激光相干合成的可行性展开了研究。研究结果表明以往单纯从相位噪声即频域的角度分析相干合成的可行性是不全面的相干合成对单元激光的时域功率起伏、空域波前畸变、频域相位噪声三方面的性能均有要求。归纳分析了已有高功率光纤激光相位噪声测量结果并对功率起伏和波前畸变对相干合成效果的影响分别进行了理论分析和实验研究结合现有高功率光纤激光的技术性能和光束净化技术的发展水平对高功率光纤激光相干合成作出了可行性判断。对现有光纤激光相干合成技术途径进行了全面的定量分析从合成效率、光束质量、可扩展性等方面对各技术途径向大功率、多数目激光合成拓展的可行性与实用性进行研判。研究结果表明采用随机并行梯度下降算法主动相位控制有望在实现多路光纤激光相干合成的同时不增加系统的复杂性。除此之外算法相干合成还是分析和论证美国军方提出的高能激光系统新结构——系统的重要突破点。建立了算法相干合成的理论框架通过静态模拟验证该算法用于相干合成的可行性通过数值计算确定了算法参数的优化选取规则通过动态模拟分第页国防科学技术大学研究生院博士学位论文析了相干合成系统的控制带宽与合成激光单元数的关系。提出了交叉分组算法和采用相对评价函数的方式提高算法的控制带宽和对功率起伏的容忍度。计算结果表明交叉分组算法的采用能将路、路激光相干合成系统控制带宽分别提高倍和倍采用相对评价函数可将算法对激光功率起伏的容忍度提高倍。建立了基于算法相干合成的实验系统在理论分析结果的指导下选取合适的算法参数开展实验研究。路十瓦量级光纤放大器相干合成总输出功率达到在功率和合成激光路数方面均为目前算法相干合成领域最高水平。开展了路光纤激光相干合成及强噪声环境下的实验研究。路激光相干合成效率达到了对特征频率为的相位噪声控制误差小于验证了算法光纤激光相干合成向大数目、高功率扩展的可行性。进行了多波长、宽谱线光纤激光相干合成实验验证了单频激光非结构相干合成系统所必需。系统分析了相干合成光束质量评价方法。提出了一种适合于评价相干合成光束质量的评价因子并对其物理本质、测量方式以及适用性进行了全面分析。定量分析了发射系统截断、发射系统抖动、阵列占空比、相位误差、倾斜误差、强度误差与单元损坏、偏振方向误差、光束相干性等众多因素对相干合成光束质量的影响。通过数值模拟的方法拟合出光束质量与各影响因素之间的简捷定标关系为相干合成系统分析设计提供了参考。结合单元光束和发射系统的实际特性定量分析了光束的阶数、相关长度、发射方式对接收平面光束质量的影响建立了考虑到共形、截断、部分相干和平顶四个因素的实际相干合成光束的传输模型推导了相干合成激光阵列统一传输方程可为实际相干合成激光系统的性能评估提供参考。关键词光纤激光相干合成随机并行梯度下降算法光束质量大气传输第页国防科学技术大学研究生院博士学位论文、新————曲第页国防科学技术大学研究生院博士学位论文???曲?——