阵列光束目标在回路相位锁定关键问题探索研究

Phase-locked of laser beam array is a research hotspot in the laser technology area, which is a new approach to obtain high brightness light source. At present, coherent beam combination of slab lasers with 105 kW output power has been demonstrated by Northrop Grumman Corp., which provied a new high power laser source for industry and national defence. Now most researches on phase-locked technique have focused on compensation of phase noise of laser source and have not studied the light transmission in atmosphere. However, when laser transmit a long distance in atmosphere, its phases will be affected by atmospheric turbulence and thermal blooming and the beam quality of laser on the target will decay. Therefore, the present project will study the key theoretical and technical problems in target-in-the-loop phase-locked of laser beam array. The characteristics of phase noises induced by atmospherical turbulence, thermal blooming and laser sources will be studied and the "source-transmission-target" model will be built in theory. The target-in-the-loop coherent beam combination of fiber laser beam array will be demonstrated in the experiment.

阵列光束锁相合成技术是当前激光技术领域的研究热点，是实现高亮度光源的一种新途径。目前，美国Northrop Grumman公司已采用该技术获得了105kW的高功率板条激光输出，为其高功率激光在工业、国防上的应用开辟了新思路。然而，当前大部分锁相技术都聚焦在补偿光源的相位噪声，未考虑大气传输。当合成光束进行远距离传输时，将会受到大气湍流和热晕的影响，导致目标上的光束质量严重下降，前端锁相前功尽弃。鉴于此，本项目拟对阵列光束目标在回路相位锁定中的关键理论和技术问题进行探索研究。在理论上，系统分析大气湍流、热晕和光源等引起的相位噪声特性和目标对阵列光束的散射机制，建立"光源-传输-目标"整体闭环系统的数学物理模型。在实验上，搭建基于光纤激光阵列的远距离目标在回路相位锁定实验平台，探索系统相位噪声统一补偿的可行性及其限制因素，为该方案的实用化奠定理论和技术基础。

基于波动光学、自适应光学等学科基础理论构建了阵列光束目标在回路相干合成的理论模型，分析了相干阵列光束的相位、光强分布、大气湍流、目标散斑、回程传输特性对阵列光束传输特性的影响，为阵列光束目标在回路相干合成及提供了理论支撑；提出并设计了一种基于柔性铰链的带有光束小角度偏转功能的自适应光纤准直器，成功实现了对高功率光纤激光的自适应控制；深入探讨了阵列光束目标在回路相位锁定的可行性及可靠技术手段，分别搭建了室内、150m以及1km的实验平台，基于目标在回路技术实现了不同传输距离、不同大气条件下的阵列光束相位锁定。取得的主要成果有：.1、基于波动光学、自适应光学等学科基础理论构建了阵列光束目标在回路相干合成的理论模型，分析了相干阵列光束的相位、光强分布、大气湍流、目标散斑、回程传输特性对阵列光束传输特性的影响，为阵列光束目标在回路相干合成及提供了理论支撑。.2、在国际上首次提出基于柔性铰链机构的带有光束小角度偏转功能的自适应光纤准直器，并研制成功。.3、提出了基于目标在回路技术的光谱合成理念并进行了实验研究，实现了双波长四路光纤激光同时目标在回路光谱合成与相干合成。.4、开展了150米6路光纤激光目标在回路相干合成实验研究。成功实现了各路激光之间的相位锁定，亮度提升2倍，中央主瓣能量提升1.5倍。并在此情况下进行了不同大气条件下的目标在回路相干合成实验研究，探索并验证了实验效率同大气环境的关系。.5、开展了1km百瓦级阵列光纤激光目标在回路相位锁定的实验研究。成功实现了六路120W总功率的目标在回路相位锁定。