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RSS2023年 35卷 第4期
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2023, 35: 041001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220305
2023, 35: 041002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220282
2023, 35: 041005.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220316
2023, 35: 041001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220305
摘要:
光学相控阵技术具有响应速度快、系统紧凑、功能多样和控制灵活等优点，在众多科学技术领域得到了广泛的应用。在近50年来的光学相控阵研究与应用中，涌现出了众多卓越的成果。为了对光学相控阵领域的发展进行梳理，简要回顾了光学相控阵技术的历史，并论述了光学相控阵技术的基本原理。从光束发射与接收等不同应用场景的角度，结合笔者的思考，深入介绍了光学相控阵在高品质的光源技术、激光相干合成技术、光束扫描技术、大气链路畸变控制技术以及合成孔径探测与成像技术多个领域的发展现状，并最后对光学相控阵技术的瓶颈与未来的发展研究趋势进行了评述。
光学相控阵技术具有响应速度快、系统紧凑、功能多样和控制灵活等优点，在众多科学技术领域得到了广泛的应用。在近50年来的光学相控阵研究与应用中，涌现出了众多卓越的成果。为了对光学相控阵领域的发展进行梳理，简要回顾了光学相控阵技术的历史，并论述了光学相控阵技术的基本原理。从光束发射与接收等不同应用场景的角度，结合笔者的思考，深入介绍了光学相控阵在高品质的光源技术、激光相干合成技术、光束扫描技术、大气链路畸变控制技术以及合成孔径探测与成像技术多个领域的发展现状，并最后对光学相控阵技术的瓶颈与未来的发展研究趋势进行了评述。
2023, 35: 041002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220282
摘要:
从衍射光学元件的基本原理出发，围绕连续波和脉冲波两大应用领域，综述了国内外基于衍射光学元件实现共孔径相干合成的研究进展。在国内，上海光学精密机械研究所分别实现了连续光和脉冲光的合成，连续光实现了206 W的输出功率，光束质量1.38，合束效率29.6%；脉冲光实现了峰值功率1.02 kW，重复频率2.2 MHz的ns级脉冲相干合成光束，合束效率61%。在国外，连续光方面实现了5 kW量级的合成光输出，合束效率82%；脉冲光方面实现了平均功率150 mW，重复频率100 MHz的fs级脉冲相干合成光束，合束效率83.4%。最后对基于衍射光学元件的激光相干合成技术的未来发展做出了展望，相信在不久的将来，基于衍射光学元件的相干合成技术会不断发展，逐渐突破技术瓶颈，从而为更多的应用领域奠定坚实基础。
从衍射光学元件的基本原理出发，围绕连续波和脉冲波两大应用领域，综述了国内外基于衍射光学元件实现共孔径相干合成的研究进展。在国内，上海光学精密机械研究所分别实现了连续光和脉冲光的合成，连续光实现了206 W的输出功率，光束质量1.38，合束效率29.6%；脉冲光实现了峰值功率1.02 kW，重复频率2.2 MHz的ns级脉冲相干合成光束，合束效率61%。在国外，连续光方面实现了5 kW量级的合成光输出，合束效率82%；脉冲光方面实现了平均功率150 mW，重复频率100 MHz的fs级脉冲相干合成光束，合束效率83.4%。最后对基于衍射光学元件的激光相干合成技术的未来发展做出了展望，相信在不久的将来，基于衍射光学元件的相干合成技术会不断发展，逐渐突破技术瓶颈，从而为更多的应用领域奠定坚实基础。
2023, 35: 041003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220323
摘要:
主要介绍了近年来光纤激光相控阵相干合成技术的发展现状，总结了中国科学院光电技术研究所在这方面的最新研究成果，包括基于振幅调制的光纤激光相控阵相干合成能力优化、光纤激光相控阵实现收发一体相干合成、光纤激光相控阵的目标在回路相干合成、光纤激光相控阵在大气湍流下实现耦合接收光束的共相合束、基于多孔径波前探测的相干合成方法、基于自适应光纤准直器和微透镜阵列的光束大角度高精度连续寻址扫描等。以上研究工作将促进光纤激光相控阵技术朝向更多单元、更高功率、更远距离等方向演进，并推动其与激光大气传输、空间激光通信、自适应光学等理论和应用的结合与发展。
主要介绍了近年来光纤激光相控阵相干合成技术的发展现状，总结了中国科学院光电技术研究所在这方面的最新研究成果，包括基于振幅调制的光纤激光相控阵相干合成能力优化、光纤激光相控阵实现收发一体相干合成、光纤激光相控阵的目标在回路相干合成、光纤激光相控阵在大气湍流下实现耦合接收光束的共相合束、基于多孔径波前探测的相干合成方法、基于自适应光纤准直器和微透镜阵列的光束大角度高精度连续寻址扫描等。以上研究工作将促进光纤激光相控阵技术朝向更多单元、更高功率、更远距离等方向演进，并推动其与激光大气传输、空间激光通信、自适应光学等理论和应用的结合与发展。
2023, 35: 041004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220259
摘要:
全光纤激光阵列主动相位控制利用全光纤网络实现阵列激光的活塞相位内部探测与控制，具有结构紧凑、无需外部反馈光学器件和易于扩展等优点，是大阵元规模光纤激光相干合成重要发展方向之一。采用全光纤相位探测结构，介绍了全光纤激光阵列主动相位控制技术的系统原理和利用光纤耦合器实现相位锁定的过程，总结了全光纤激光阵列主动相位控制关键技术，通过优化算法实现全光纤激光阵列主动相位控制验证实验。探讨了在全光纤结构主动相位控制中π相位模糊问题及解决方法，给出了利用双波长探测实现消除π相位模糊问题的仿真结果。最后梳理了全光纤激光阵列主动相位控制研究现状，并从路数扩展、功率提升和应用等方面进行了展望。
全光纤激光阵列主动相位控制利用全光纤网络实现阵列激光的活塞相位内部探测与控制，具有结构紧凑、无需外部反馈光学器件和易于扩展等优点，是大阵元规模光纤激光相干合成重要发展方向之一。采用全光纤相位探测结构，介绍了全光纤激光阵列主动相位控制技术的系统原理和利用光纤耦合器实现相位锁定的过程，总结了全光纤激光阵列主动相位控制关键技术，通过优化算法实现全光纤激光阵列主动相位控制验证实验。探讨了在全光纤结构主动相位控制中π相位模糊问题及解决方法，给出了利用双波长探测实现消除π相位模糊问题的仿真结果。最后梳理了全光纤激光阵列主动相位控制研究现状，并从路数扩展、功率提升和应用等方面进行了展望。
2023, 35: 041005.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220316
摘要:
介绍了目前研究中相干合成多采用空间结构的研究现状，分析了空间结构的相干合成方案需要复杂的光路调节且长时间工作稳定性欠缺，肯定了基于光纤合束器件的全光纤激光相干合成在相干合成光源中的稳定性与实用性，梳理了近年来基于光纤合束器件的全光纤激光相干合成方案，分别介绍了基于光纤耦合器、光子灯笼、相干信号合束器以及基于自成像效应实现全光纤合束的技术方案及研究现状，分析了不同光纤器件目前的主要限制因素和发展瓶颈，并展望了未来的发展方向。
介绍了目前研究中相干合成多采用空间结构的研究现状，分析了空间结构的相干合成方案需要复杂的光路调节且长时间工作稳定性欠缺，肯定了基于光纤合束器件的全光纤激光相干合成在相干合成光源中的稳定性与实用性，梳理了近年来基于光纤合束器件的全光纤激光相干合成方案，分别介绍了基于光纤耦合器、光子灯笼、相干信号合束器以及基于自成像效应实现全光纤合束的技术方案及研究现状，分析了不同光纤器件目前的主要限制因素和发展瓶颈，并展望了未来的发展方向。
2023, 35: 041006.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220359
摘要:
回顾了非线性光学激光合束技术的发展历程，阐述了基于光学相位共轭和基于非线性放大过程的合束思想和基本原理，梳理了重叠耦合、种子注入和布里渊四波混频增强相位锁定激光合束方式的标志性成果，总结了等离子体交叉光束能量转移、金刚石拉曼放大和液体布里渊放大激光合束技术的优势和瓶颈。面向高峰值功率、高平均功率、高重复频率激光输出的实现需求，基于布里渊放大激光合束技术具备系统结构简单、功率负载高且散热效率高的优点，提出了实现单脉冲能量100 J、脉冲宽度10 ns、重复频率10 Hz合束激光输出的可行性方案。
回顾了非线性光学激光合束技术的发展历程，阐述了基于光学相位共轭和基于非线性放大过程的合束思想和基本原理，梳理了重叠耦合、种子注入和布里渊四波混频增强相位锁定激光合束方式的标志性成果，总结了等离子体交叉光束能量转移、金刚石拉曼放大和液体布里渊放大激光合束技术的优势和瓶颈。面向高峰值功率、高平均功率、高重复频率激光输出的实现需求，基于布里渊放大激光合束技术具备系统结构简单、功率负载高且散热效率高的优点，提出了实现单脉冲能量100 J、脉冲宽度10 ns、重复频率10 Hz合束激光输出的可行性方案。
2023, 35: 041007.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220411
摘要:
介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法，大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响，以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明，大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。
介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法，大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响，以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明，大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。
2023, 35: 041008.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220258
摘要:
介绍了本课题组近年来在基于空间结构内部锁相的光纤激光相干合成方面的研究工作，给出了空间结构内部锁相相干合成的基本原理,搭建了七路低功率光纤激光阵列实验系统，结果表明在内部相位噪声校正基础之上，可以稳定补偿外部相位差进而实现激光阵列同相位输出，验证了内部锁相方法的可行性。进一步介绍了空间结构内部锁相技术在目标在回路相干合成、阵列光束光场调控等方面的拓展应用，通过实验论证了空间结构内部锁相技术能够有效提升目标在回路相干合成系统的相位控制带宽，并在远场有效生成轨道角动量光束阵列，其拓扑荷数可从−1到+1切换。
介绍了本课题组近年来在基于空间结构内部锁相的光纤激光相干合成方面的研究工作，给出了空间结构内部锁相相干合成的基本原理,搭建了七路低功率光纤激光阵列实验系统，结果表明在内部相位噪声校正基础之上，可以稳定补偿外部相位差进而实现激光阵列同相位输出，验证了内部锁相方法的可行性。进一步介绍了空间结构内部锁相技术在目标在回路相干合成、阵列光束光场调控等方面的拓展应用，通过实验论证了空间结构内部锁相技术能够有效提升目标在回路相干合成系统的相位控制带宽，并在远场有效生成轨道角动量光束阵列，其拓扑荷数可从−1到+1切换。
2023, 35: 041009.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220285
摘要:
分析了多抖动算法的工作原理，通过波动光学原理以2-11路相干合成系统作为数学模型进行仿真模拟，引入了动态噪声模型，以总合成光束的均方根相位误差作为评价函数，分析了不同阵列规模下的相干合成系统中噪声频率以及噪声振幅对系统相位锁定效果的影响，当噪声频率或噪声振幅过大，超出算法补偿相位噪声的能力时，便会锁相失败。证明了增益系数与调制振幅存在一个最优区间且只有处于该区间内时，才能快速完成锁相。引入有效控制带宽概念，用以直观评价多抖动算法的锁相性能，研究表明，有效控制带宽与采样频率、第一路调制频率成正比例，与噪声振幅成反比例，且随着阵列规模增大，有效控制带宽降低。
分析了多抖动算法的工作原理，通过波动光学原理以2-11路相干合成系统作为数学模型进行仿真模拟，引入了动态噪声模型，以总合成光束的均方根相位误差作为评价函数，分析了不同阵列规模下的相干合成系统中噪声频率以及噪声振幅对系统相位锁定效果的影响，当噪声频率或噪声振幅过大，超出算法补偿相位噪声的能力时，便会锁相失败。证明了增益系数与调制振幅存在一个最优区间且只有处于该区间内时，才能快速完成锁相。引入有效控制带宽概念，用以直观评价多抖动算法的锁相性能，研究表明，有效控制带宽与采样频率、第一路调制频率成正比例，与噪声振幅成反比例，且随着阵列规模增大，有效控制带宽降低。
2023, 35: 041010.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220312
摘要:
针对阵列光束相干合成中存在的倾斜相差大的问题，提出了基于合成光束远场光斑二阶矩的阵列光束倾斜相差自适应控制方法。以合成光束远场光斑二阶矩作为评价函数，理论上模拟了采用随机并行梯度下降算法实现7路光束的倾斜闭环控制过程。实验上搭建了7路光纤激光相干合成系统，利用自适应光纤准直器对倾斜相差进行校正。以合成光束远场光斑的二阶矩作为评价函数，采用随机并行梯度下降算法，实现了7路光束的倾斜的闭环控制，合成光束模拟远场光斑的桶中功率由0.05 V提升至1.95 V。实验中将倾斜扰动的增益系数变为与二阶矩相关的函数，实现了自适应变增益系数的倾斜闭环，在一定程度上提升了倾斜控制的带宽。从理论上和实验上验证了基于光斑二阶矩的倾斜相差自适应控制方法在光束合成及合成孔径探测领域应用的可行性。
针对阵列光束相干合成中存在的倾斜相差大的问题，提出了基于合成光束远场光斑二阶矩的阵列光束倾斜相差自适应控制方法。以合成光束远场光斑二阶矩作为评价函数，理论上模拟了采用随机并行梯度下降算法实现7路光束的倾斜闭环控制过程。实验上搭建了7路光纤激光相干合成系统，利用自适应光纤准直器对倾斜相差进行校正。以合成光束远场光斑的二阶矩作为评价函数，采用随机并行梯度下降算法，实现了7路光束的倾斜的闭环控制，合成光束模拟远场光斑的桶中功率由0.05 V提升至1.95 V。实验中将倾斜扰动的增益系数变为与二阶矩相关的函数，实现了自适应变增益系数的倾斜闭环，在一定程度上提升了倾斜控制的带宽。从理论上和实验上验证了基于光斑二阶矩的倾斜相差自适应控制方法在光束合成及合成孔径探测领域应用的可行性。
2023, 35: 041011.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220317
摘要:
研究了脉冲光束的偏振和时序非相干合成技术，通过偏振合束器将两路50 W级500 Hz的589 nm钠信标激光在空间上合为一束光线，成功突破了100 W级μs脉冲全固态钠信标激光输出；利用脉冲激光同步延时器控制两路激光脉冲的时序，使其按先后顺序合成一束脉冲激光，重复频率提升到1 kHz。合束后的激光光束质量M2约为1.41，与单光束的光束质量基本保持一致，光斑抖动性约为40 μrad，可满足激光钠导引星自适应光学系统的应用需求。与传统的相干合成方法相比，该偏振和时序非相干合成方案具有结构简单、稳定、效率高的优点，且整个系统无需复杂的相位控制机制，为脉冲激光功率扩展提供了新途径。基于上述技术基础，结合自主提出的精密偏振分光专利技术，在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束25 W/束的µs脉冲黄激光发射到钠层，成功产生了四颗钠导引星，这一结果将有助于推动大型地基光学望远镜中多层共轭自适应光学技术的发展。
研究了脉冲光束的偏振和时序非相干合成技术，通过偏振合束器将两路50 W级500 Hz的589 nm钠信标激光在空间上合为一束光线，成功突破了100 W级μs脉冲全固态钠信标激光输出；利用脉冲激光同步延时器控制两路激光脉冲的时序，使其按先后顺序合成一束脉冲激光，重复频率提升到1 kHz。合束后的激光光束质量M2约为1.41，与单光束的光束质量基本保持一致，光斑抖动性约为40 μrad，可满足激光钠导引星自适应光学系统的应用需求。与传统的相干合成方法相比，该偏振和时序非相干合成方案具有结构简单、稳定、效率高的优点，且整个系统无需复杂的相位控制机制，为脉冲激光功率扩展提供了新途径。基于上述技术基础，结合自主提出的精密偏振分光专利技术，在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束25 W/束的µs脉冲黄激光发射到钠层，成功产生了四颗钠导引星，这一结果将有助于推动大型地基光学望远镜中多层共轭自适应光学技术的发展。
2023, 35: 041012.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220203
摘要:
为解决光寻址液晶光阀在高功率密度光束控制领域的应用限制，介绍一种可用于高功率密度激光系统的光寻址液晶光阀，该光阀开关比不低于140∶1，可在高于2300 W/cm2的连续激光系统中正常工作。同时，所研制的光阀可在高重频吉瓦（GW）级功率密度的fs脉冲激光系统中正常工作，在该系统最大功率密度激光作用下，光阀未见明显温度变化，该脉冲激光系统最大平均功率密度超过300 W/cm2。
为解决光寻址液晶光阀在高功率密度光束控制领域的应用限制，介绍一种可用于高功率密度激光系统的光寻址液晶光阀，该光阀开关比不低于140∶1，可在高于2300 W/cm2的连续激光系统中正常工作。同时，所研制的光阀可在高重频吉瓦（GW）级功率密度的fs脉冲激光系统中正常工作，在该系统最大功率密度激光作用下，光阀未见明显温度变化，该脉冲激光系统最大平均功率密度超过300 W/cm2。
