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光纤激光相干合成高速高精度相位控制器

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资料介绍

基于随机并行梯度下降算法( SPGD)和现场可编程逻辑阵列(FPGA)设计制作了相干合成(CBC)相位控制器.理论分析表明,该控制器单次迭代速率大于1.125 MHz,对于2路和16路相干合成,其平均控制带宽的理论值分别大于70 kHz和9 kHz,与现有的SPGD算法相位控制器相比有了量级上的提高.利用该控制器进行了验证性实验,表明该控制器能够实现高速高精度相位控制.当利用相位控制器对两路激光的相位进行锁定时,目标圆孔内能量提高了1.51倍,远场光斑对比度提高了5.29倍.

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V01．24，No．6

Jun．，2012

激

POWER

光

与

粒

LASER AND PARTICI。E BEAMS

子

束

第24卷第6期

文章号：1001— 4322(2012)06— 1290— 05

光激光相干合成高速高精度相位控制器’

粟荣涛，

周

朴，

王小林，

，

(国防科学技大学光科学NT程学院，沙410073)

摘要：基于随机并行梯度下降算法(SPGD)和

可

程

列(FPGA)

制作了相干合成

(CBC)相位控制器。理分析表明，控制器次迭代速率大于1．125 MHz，于2路和16路相干合成，其平

kHz和9 kHz，与有的SPGD算法相位控制器相比有了量上的提高。利

均控制

的理

分大于70

用

控制器行了

性

，表明控制器能

孔内能量提高了1．51倍，

高速高精度相位控制。当利用相位控制器两路激光

光斑比度提高了5．29倍。

的相位

关

行

定

，目

：

光

激光器；相干合成；随机并行梯度下降算法} 相位控制器；

可

程

列

中

分

号：TN248

文献志： dol：10．3788／HPLPB20122406．1290

光

激光器具有

效率高、光束量好、散性能良、系

构

凑的点。但是，由于受非性效

取高的激光出功率同

、

透

效

等影响，根光的出功率受到限制⋯ 。相干合成能在

保持良好的光束量，

各路激光的相位定，

近衍射极限的激光出，是一种受关注的技途径嵋1。相干合成的关在于

相位定的方法主要有被相位控制[3‘7]和主相位控制[8。9]。基于主振功率

放大器(MOPA) 构的主相位控制光激光相干合成方案在向大功率、多数目激光合成方面具有很

展能力，成高能激光域的学科前沿和研究点。目前道的主相位控制方法主要有模退火算法“⋯ 、

3和随机并行梯度下降法(SPGD)[1朝等。于N路光束行相干合成

的

外差法Ⅲ。1“、多抖法n“、

抖法n4

，外差法需要N个光

器，但是需要 N路信号

化算法行相位控制，系

核心是相位控制器。2005年，美国

控制 16 kHz和310 HzC”]；2007年，他用AVR微理器代替算机，将控制器的迭代速率提高

Hz[171；2009年，他控制器行改，7路相干合成的

探

器和N路信号

理

路，系

于复。多抖法和

抖

法

然只需要

个

探

行

制和解，控制策略复。而基于SPGD算法的相干合成方案根据最

凑。得到了广泛的用。基于SPGD算法的主相位控制相干合成系

的

里

大学Liu等人基于算机

了SPGD相位控制器，其迭代速率和

分

到95 kHz， 2丌幅度相移的

迭代速率达到1 kHz， 27c幅度的噪声的控制 kHz018]。2009年，若夫利用算机和DSP 理器

50 Hz[9]。2010年，王小林基于DSP 理器

控制

100

SPGD算法，两路光放大器行相干合成，控制

kHz，平均控制

大于12．5 kHz¨叫‘此

了相的算法控制器。王三宏等

行控制，迭代速率 100 Hz¨⋯ 。

的SPGD算法自适光学控制器，在6l 元自适光学系中的迭代速率

了基于SPGD算法的相位控制器，两路相干合成的迭代速率 200

外，研究人

光束化和自适光学等

用域，利用SPGD算法

人基于算机的SPGD算法光束化控制器， 37 元的

形

系

金宝等人基于FPGA

Hz∞“。本文基于FPGA

了SPGD算法相干合成相位控制器，

kHz，迭代500次可以收，控制

并利用

了其有效性。

1基于SPGD算法的相干合成原理

基于SPGD算法MOPA 构相干合成的系

构如 1所示。主振激光器(MO) 出光束通分束

LiNb0。相位制器(PM)和多激光放大器(AMP)，PM和AMP分

放大的两柬激光通准直器后形成列光束，透分光提取的

光斑。另一个分光聚焦后的光再分两束．高速相机置于其中

及相干合成效果。光器(PD) 小孔光放置，

另一束光行探，探到的信号作性能价函数．，入相位控制器，控制器行SPGD算法并生成相位

器后被分 N路，每一路先后

起到相位控制和功率放大的作用。

小部分列光束行聚焦，用于模

光

将

一束光的后焦面上。用于察光束的程光斑

探

-收稿13期：201卜09— 13；

修日期：20l卜1卜08

作者介：粟荣涛(1984一)．男．博士研究生，从事高能激光技研究：,4urongtao@126．corn。

万方数据

第6期

粟荣涛等：光激光相干合成高速高精度相位控制器

控制信号，信号施加 LiNbO。相位制器行相位控制，从而

相干合成。示波器用于察相干合成光

束的目

孔内部包含的能量随

化的关系。

for coherent beam

in MOPA

SPGD

configuration using algorithm

Fig．1 System setup

combining

1基于SPGD算法和MOPA 构的相干合成系

构

系

用SPGD算法使得性能价函数_r达到唯一极，从而达到消除系中的相位噪声、

SPGD算法的程(第k次迭代

各光束

相干合成的目的。双向

行

) ：

(1)随机生成

度关于均称。

向量跏“’={8“。，6“。，⋯ ，。)¨’，其中a峨相互独立，足均

零、方差相等且概率密

(2)依次将正向(Su¨’)和向(一脚“’)的

起的性能价函数化量 “’

施加到相位制器上，通性能价函数感器

得

引

(1)

Ⅳm一掣一生地坐与生塑

／

‘

(3)根据性能价函数化量8．，“’更新控制参数U，行k+1次迭代，直至算法束。其中控制参数的更

新按式(2)

行

(2)

“‘ "=Ⅳ‘6’+y占Ⅳ‘6’8．，‘‘’

式中：)，

步

增益。重复以上步，从而使价函数取极大，相干合成达到最效果。

2相位控制器

本文

生随机

其放大倍数可 )后施加到相位制器上，将使各路激光的相位

J≯ 和‘，化。然后，模数器(ADC)将价函数

行梯度估，更新控制参数H““’。重复以上步，直到相位控制器关

了相位控制器的路硬件和件，其

构

如

2所示。首先，作控制器核心的FPGA

数模器(DAC)和放大器(AMP)，

化，而使 1中探到的价函数

数字信号，FPGA根据价函数和出的

向量6H“’，依次使正向和信号““’土6H“’

向

生

’

生

。

Phase controller based on SPGD algorithm

Fig．2

2基于SPGD算法的相位控制器

FPGA内部主要由随机数生器和16个相同的信号理器成。随机数生器采用性反移位寄存

器(LFSR)来

生

随机数序列，

构

，易于

，所生的随机序列周期、随机特性好。信号理器

万方数据

激

光

与

粒

子

柬

第24卷

的主要工作是根据随机数生器生成的随机数

生

信号；利用有限状机分步

SPGD算法；完成

与DAC和ADC的数据握手，从而

信号的施加和性能价函数的取。了保整个相位控制器的

各功能模的工作，FPGA各个工作模、ADC和DAC采用

有序工作，FPGA中利用一的控制信号

一的

信号。

相位控制器的性能指主要有相位控制精度和系控制

。相位控制精度可以表示

(3)

咄一笏

，一般几V；梯度估

式中：V。相位制器的半波

Au= uaJ。在式(3)中，6“和Au不能小于DAC

的响精度，8．，不能小于探器和ADC的响精度。从理

到2U，于10位精度的DAC，响精度就可以达到^／512。于10位精度、入范

的ADC，其响精度比DAC 要高。上，8“和Au都不宜小，跏

器的响精度，无法得正确的梯度估；△H 算法收速度太慢。Nabors的

度高于理想情形下的90％，8“ 小于3A／10[2“。文献[z33研究，)，的取

合适。可，相位控制器的相位控制精度高于所需的精度要求。

上

，如果通

放大器将模数

的

出

范

小

来的占，的化小于

果表明，如

在0．4／

探

小

算

要保

峰

范

艿“2～o．5／au2之

当基于双

SPGD算法的相位控制器的16路通道同运行

，

次迭代的

丁主要由相位

延

t。、价函数采集延 t：和FPGA数据理延 t。三部分构成

(4)

T一2t1+2t2+t3

其中，相位

包括光、AD采集等，小于150

SPGD算法程序次运行小于20个

于1．125 MHz。Vorontsov等人的研究表明，通

延

t。包括DA

、

放大、和相位制器延等，小于50 ns；价函数采集延 tz

ns；FPGA数据理延 t。小于400 ns(FPGA运行

50 MHz，

周期)。由此可知，控制器次迭代的

丁小于800 ns，迭代速率大

化参数，SPGD算法平均迭代步数在相位控制路数的5～8

倍左右口“。取平均迭代步数相位控制路数的8倍，于2路和16路相干合成，相位控制器平均控制

大于70 kHz和9 kHz。

的

理

分

3基于相位控制器的相干合成

利用上述相位控制器行了两路光激光的相干合成

。

装置与

似，由于

主要是

，示波器

化。

光斑也基本定。 3是系

，J的平均从0．465增加到0．703，

光斑的比度(光斑比度V一(I⋯ 一，mm)／(j⋯ +J一)，其中：J眦，：极大，，mm

J⋯ 的近极小 )从开的0．14提高到的0．74，提高了 5．29倍。

了

控制器的性能，没有加入光放大器。当相位控制器未行SPGD算法，系

示的．， (代表了小孔内的平均能量) 于不断化之中，高速相机察到的

当相位控制器行SPGD算法，系，．，定在极大左右，

的-，光斑曝光。当系从从开

提高了1．51倍；

于开状

光斑不停地移

和

于

开

和

入

光

ofJfor control

far field

far field interference

interference

control

(a)change

from

varying

(b)long-exposure

(c)long-exposure

ofclosed control

loop

open-loop

closed-loop

pattern ofopen loop

pattem

Fig，3 Experiments results

and closed

loop

open— loop

系

在开

和

果

比

万方数据

1293

第6期

粟荣涛等：光激光相干合成高速高精度相位控制器

基于MOPA 构的主相位控制光激光相干合成，

控制精度高于所需的精度要求，次迭代速率大于1．125 MHz。和以往基于SPGD算法的相干合成相

位控制器相比有了量上的提升。理分析表明，于2路和16路相干合成，其平均控制的理

大于70 kHz和9 kHz。在两路光激光相干合成的中，当利用相位控制器两路激光的相位

价函数的平均从0．465增加到0．703，提高了1．51倍；曝光光斑的比度从0．14增加到0．74，

提高了5．29倍。和已道的基于SPGD算法相干合成的相位控制器相比，相位控制器具有多的路数和

和制作了基于FPGA的相位控制器。其

分

行

定

，

的控制

。

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激

光

与

粒

子

束

1294

第24卷

Xiaolin．Zhou Pu，Ma

precision

control

in coherent of fiber laser based on stochastic

combining

(Wang

Yanxing。et a1．High

phase

system

descent

parallel gradient

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controller for coherent

phase

High· ’speed

high-。precision

beam

of fiber lasers

combining

Pu，

Xiaolin，Han Kai，Xu

Wang Xiaojun

Rongtao，Zhou

Science and

(College of Opto-electric

University

Defense

410073，China)

Technology，Changsha

Engineering，National

for coherent beam

fiber lasers has been

based

and manufactured

Abstract：

stochastic

controller

phase

combining(CBC)of

designed

and field

shows

parallel gradient descent(SPGD)algorithm

programmable gate array(FPGA)．Theoretical analysis

that the iteration rate is more than 1．125 MHz。and the

of CBC of

or 16 channels is 70

bandwidth

perform

average compensation

validation

shows that the

contro]ler，the

controller

well in

of lasers．When

kHz。respectively．The

experiment

the

phase

phase locking

the

of two lasers are locked

encircled in the

enhances

factor of 1．51，and

the

phases

phase

energy

target

of the

increases

factor of 5．29．

stochastic

fringe visibility

long exposure pattern

words：fiber coherent beam

lasert

descent

Key

combining|f

parallel gradient

controller；

algorithm‘phase

FPGA

万方数据

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