光纤相控阵体制的激光相干合成在获取高亮度、高光束质量激光源的同时,兼具等效大口径发射及自适应光学校正能力,在体积、重量和功耗等方面相较于单一大口径光学系统更具优势,受到了越来越多的关注。当前,光纤激光相干合成技术在甚多单元合成和高功率合成方面都取得了突破,据公开文献报道,最高合成路数和最大合成功率已分别超过100路和10 kW。但是,该技术距实际的激光传输应用还有一定差距,必须要解决传输全程的像差管控问题,尤其是需要校正大气湍流效应,以实现目标处的相干合成。基于盲优化算法的目标在回路(TARGET⁃IN⁃THE⁃LOOP,TIL)闭环控制是一种实现光纤相控阵光束室外传输、校正与合成的有效策略。2016年,美国戴顿大学M. Vorontsov团队通过三个7单元光纤相控阵基本模块的簇拼接,完成了基于TIL的21孔径光纤阵列激光于室外7 km水平链路的发射校正,证明了光纤相控阵的自适应光学校正能力,代表着业界的最高水平。国内开展光纤相控阵TIL闭环控制研究的单位较少,仅中国科学院光电技术研究所和国防科技大学分别在2017年和2019年报道过1 km以内激光传输距离的TIL相干合成实验。近期,本团队利用单一基本模块的19孔径光纤相控阵,演示了2 km水平传输链路下的TIL相干合成。这是目前国内公开报道的路数最多、距离最远的光纤相控阵激光室外传输全程像差校正实验,同时也是国际上基于最多孔径(19孔径)单一基本模块实现的光纤相控阵激光室外传输校正实验。

实验原理及装置实物如图1所示,保偏单模激光波长为1064 nm,总发射光功率约为500 mW。19路单元孔径尺寸为28 mm、相邻中心距为31 mm的自适应光纤准直器(AFOC)组成填充因子为0.903的密排发射阵列。阵列准直光束以共形波前的方式传输至2.1 km目标处。考虑到发射光功率较低,目标屏中心开直径为10 mm的圆孔,并在目标屏背面放置角反射器,以提高回光功率。目标屏前放置一高速CCD相机,用以观察远场干涉图样。在发射端,将100 mm口径望远镜接收的目标回光作为随机并行梯度下降(SPGD)算法的性能指标,通过闭环控制同时实现对全程像差的锁相校正(PL)及倾斜校正(TT)。本实验装置中的AFOC阵列、压电相位补偿器(PZT⁃PC)阵列以及基于现场可编程门阵列(FPGA)的SPGD算法硬件控制平台均为本课题组自行研制。实验中,PL的算法迭代速率设置为6 kHz,TT的算法迭代速率设置为600 Hz。

图 1. 实验原理及装置实物图

Fig. 1. Experimental principle and setup diagram

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实验得到的目标回光性能指标(J_PIB)曲线及远场长曝光图像分别如图2及图3所示。在PL控制和TT控制全闭环条件下,回光性能指标均值提升至3.51,是开环时相应指标的8.5倍。受有限迭代速率及回程湍流效应的影响,PL和TT控制闭环后指标依然存在抖动。对比图3(b)和图3(c)所示的远场长曝光图可以发现,在PL控制的基础上再引入TT控制,合成光斑的形态分布和旁瓣位置更接近图3(d)所示的理想远场情况。实验结果表明:TIL方法在长距离下可以实现稳定的全程像差校正闭环,当前的传输距离主要受实验条件限制;共用同一个性能指标的PL和TT控制可独立运行,建议设置PL的迭代速率比TT至少高出一个量级。未来,本团队将瞄准实际激光传输应用需求,进行更长传输距离、更多路数的TIL相干合成实验研究。

图 2. 目标回光的性能指标曲线

Fig. 2. Metric curve of back-reflected signal from target

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图 3. 目标屏上的长曝光图。(a)开环;(b)PL;(c)PL+TT;(d)理想情况

Fig. 3. Long exposure patterns on target screen. (a) Open loop; (b) PL only; (c) PL and TT; (d) ideal pattern

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