大数目光纤激光相干合成的机理与方法

Coherent beam combination (CBC) of multiple fiber lasers provides an effective approach for achieving high power laser with good beam quality. CBC of massive fiber lasers is an important developing direction in recent years. However, it faces challenges such as phase locking of large number of fiber lasers and combination of massive laser arrays. We propose a novel method to CBC of massive fiber lasers based on “cascaded phase control” and “tiled-filled aperture cascaded beam combination”. In this project, we will build the mathematical model of the CBC system and study the fundamental problems such as “phase control” and “beam combination”. In order to increase the number of the lasers in one CBC system, the generating mechanism of phase noise and limitations of phase control algorithm will be studied, new algorithm and new phase control system will be developed. In order to increase the combining efficiency and fill factor, the mechanism of loss and dispersion of combined laser power will be studied, and technical plan for “tiled-filled aperture cascaded beam combination” will be designed. Our aim is CBC of hundred range fiber lasers for the first time.

光纤激光相干合成是获得高功率高光束质量激光输出的有效途径。近年来，向大数目扩展成为相干合成的重要发展方向，然而，大数目光纤激光相干合成仍然面临相位控制和高效合束等方面的困难。本项目提出一种基于“级联相位控制”和“共-分孔径级联合束”的大数目光纤激光相干合成方法，建立相应的理论模型，并对相位控制和光束合成等基础问题进行深入研究。揭示相位噪声产生和演化的机理，开发适用于“级联相位控制”的相位控制新算法，研制高速、高精度的相位控制系统，支持百路级光纤激光相干合成的相位控制；揭示光束合成中能量损耗和分散的机理，论证“共-分孔径级联合束”高效光束合成方法，提升系统合成效率和远场光斑能量集中度；在国际上首次实现百路级光纤激光相干合成，相位残差小于λ/20，为基于该方案的高功率实用化系统研制奠定理论和技术基础。

光纤激光相干合成是实现高功率、高亮度激光输出的重要技术途径。本项目针对大数目相位控制和高效率光束合成等技术难题，从理论建模、数值仿真、相位控制算法、光束合成技术等方面开展了较为深入的研究。建立了光纤激光相干合成理论模型，构建了相位噪声和相位控制算法的仿真模型，并开展了数值仿真研究。研究了分级相位控制技术和高效光束合成技术，并开展了实验验证。研究了相位控制算法的带宽提升方法，开发了相位控制系统，搭建了大数目、高功率光纤激光相干合成实验系统。取得的主要成果有： .1. 发明了级联分组主动相位控制方法，提出了优化算法参数自适应调整、码分复用相位调制等高效相位控制技术方案，研制了多套相位控制系统，在多个相干合成系统中得到成功应用。.2. 提出了基于多面棱镜的光纤激光光束合成方案，可在单一准直器内实现阵列光束相干合成。理论分析了单元光束的径向误差、角向误差、离焦误差、倾斜误差、多面棱镜棱角误差等因素对相干合成效果的影响，搭建了七路光纤激光相干合成实验平台，验证了该方案的可行性与有效性。.3. 基于相位控制系统优化、离焦像差补偿、倾斜抖动控制、高精度梯变式光程控制等，成功实现了8kW级高占空比相干合成，为当时公开报道的相干合成系统的最高输出功率。.4. 突破大数目光纤激光高效相位控制技术和高占空比光束合成技术，搭建了百束规模光纤激光相干合成实验平台，实现了107路低功率光纤激光相干合成，相位残差优于λ/22，为光纤激光相干合成公开报道的最高路数。