基于多孔径波前测量的光纤激光相干组束大气湍流像差校正基础问题研究

Coherent beam combination of fiber lasers is a promising way to achieve high power density and high quality laser output, which has extensive prospects in application systems, e.g., laser directed energy and free space laser communication. At present, most researches are focused on implementation of beam combining of fiber lasers, while seldom researches have been made about propagation of combined beams in atmospheres. More attention should be paid to these issues, because restraining the adverse effects of turbulences is the key for the future development and practicality of laser combination technology. Aiming at correcting the turbulence aberrations of the combined fiber laser beams during propagating through atmospheres, this project will explore a new method under the model of multi-aperture wavefront measurement. The phase controlling in coherent combining and compensation of turbulence aberration within sub-apertures in atmosphere are studied comprehensively to explore the new method of fiber laser adaptive optics based on optical phased array prototype. Technologies of wavefront sensing, controlling and correcting based on adaptive fiber collimating-coupling array are proposed and verified to realize the efficient coherent combining and transmission through atmospheric turbulence. The implementation of this project will present new methods for the real applications of fiber laser beam combination and efficient atmospheric transmission technology, push forward the integration of traditional adaptive optics and fiber optics, and promote the development of adaptive optics technology.

光纤激光相干组束技术是获取高功率密度、高光束质量激光输出的有效途径，在激光定向能、空间光通信等领域有着广阔的应用前景。目前，有关光纤激光光束合成技术的研究很多，有关合成光束大气传输校正问题的研究很少；而如何抑制湍流效应的不利影响，是光束合成走向实用化的关键。本项目以“多孔径光纤激光相干组束大气传输中的湍流像差校正问题”为选题，提出了“基于多孔径波前测量的相干合成光束大气传输校正”研究思路。本项目将一并考虑“光束相干合成中的相位操控问题”和“湍流校正中的子孔径像差补偿问题”，探索一种以光学相控阵为模型基础的光纤激光自适应光学新方法，提出并验证基于光纤自适应准直—耦合阵列的波前相位传感、控制和校正技术，实现湍流环境下激光阵列的相干合成和高效传输。随着本项目的实施，将为光纤激光高效合成及大气传输问题提供新的研究思路；有助于促进经典自适应光学与光纤光学的结合，推动自适应光学理论和技术的发展。

以分布式为特征的多孔径光纤激光阵列及其相干合成技术在形态上“化整为零”，通过主动操控密集排布的、高相干的准直激光阵列波前相位实现近场的等效口径光学拼接，以获取高功率密度、高光束质量的激光输出。针对光纤激光合成光束大气传输中受湍流效应影响的问题，项目组围绕“多孔径光纤激光相干组束大气传输中的湍流像差校正问题”，开展“多孔径波前测量的相干合成光束大气传输校正”、“相干合成相位操控”和“湍流校正中的子孔径像差补偿”等技术研究，达到或超过了约定的研究内容和技术指标，在国内外重要学术刊物和会议上发表标注基金资助的论文共20篇，其中SCI索引论文11篇，申请或授权发明专利5项，7人次在国际/国内会议做学术报告，培养研究生9人。项目组利用双二阶数字滤波器技术和改进的精确延时SPGD算法（PD-SPGD），以光学相控阵为模型基础，将共孔径收发一体的倾斜控制与主动锁相控制结合，首次实现了光纤分布式孔径阵列的光束双向传输，完成了基于光纤自适应准直—耦合阵列的波前相位传感、控制和校正研究，实现了湍流环境下多孔径光纤激光阵列的相干合成和高效传输。本项目将激光相干合成技术和大气传输校正技术相结合，促进了经典自适应光学与光纤光学的融合，为其在激光定向能、以至空间光通信和激光雷达等领域的实际应用奠定了坚实的基础，为今后更多单元、更高功率的相干合成光束远距离大气高效传输提供了新的研究思路和技术途径。