用于调整大量激光源的相位的系统技术方案

本发明专利技术涉及用于调整具有周期性配置的激光源的相位的系统，该系统包括：用于将来自光源的光束准直和引导到具有周期性相位网络的复合衍射光学元件(1)上的装置，其中入射角在每个光束之间不同，入射角根据网络周期来确定；用于基于来自复合光束的反向反应信号来控制所述源的相位的装置；用于对复合光束的一部分(12)进行采样的装置(5)；在该光束部分的路径上的傅里叶透镜(6)，在其物平面中设置有复合衍射光学元件(1)；傅里叶透镜(6)的像平面中的检测器阵列(7)，其能够检测强度分布；用于基于这些强度分布来计算反向反应信号的装置(8)。

System for adjusting the phase of a large number of laser sources

The invention relates to a system for phase laser source with periodic adjustment of configuration, the system includes a collimated light beam from a light source and guide to the composite diffractive optical elements with periodic phase network (1) on the device, the incident angle in each beam between the different incident angle, according to the network to determine the cycle apparatus for phase; to control the source signal from the reverse reaction based on the composite beam; used part of the composite beam (12) sampling device (5); in the path of the beam on the part of Fu Li Ye Toujing (6), in which the object plane is arranged in the composite diffractive optical element (1); Fu Liye (6) lens like detector array in the plane (7), which can detect the intensity distribution; to calculate the reverse reaction device for these signal intensity distribution based on (8).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的领域为大量基本激光源的相干合成的领域。
技术介绍
激光源的相干合成特别适用于高功率激光源的产生和/或超短脉冲源情况下的高能量激光源(例如，脉冲宽度小于1皮秒)的产生。高功率(或者高能量)以及高亮度激光源的获得目前受限于增益材料的通量稳定性。对于这个问题的一种方案是并行地在多个增益介质上分布放大。这需要从每个增益介质输出的激光束同相，从而确保全部激光束的最佳相干合成。因此，有必要动态地补偿由于经过并联连接的增益介质(例如，光纤放大器)的组件的传播而在大量M个激光束中引入的延迟。一旦锁相，M个新生激光束相长干涉，且因而形成亮度为基本放大器的亮度的M倍的源，并且保持其束状质量(例如，在单模光纤的情况下，受限于衍射)。因此，设置与发射器一样多的锁相环是一个问题。用于调整激光源的相位的架构可以根据多个标准来分类。第一种是光束在空间上合成或者叠加的方式。因而，两个族可以被区分：平铺孔径合成：M个激光束被准直并具有平行的传播方向。这种合成模式是雷达波束成形天线的光学等效物。平铺孔径具有强的主瓣和寄生旁瓣。填充孔径合成：通过使用偏振器或衍射光学元件(DOE)将M个光束叠加在近场中。填充孔径合成方法的优点是其效率，因为在这种情况下在远场中没有旁瓣。接下来是误差信号的性质以及将使得可以在激光源之间的相位上抵消它以及优化它们的相干相加的处理。基本上用于激光束的相干合成的四种方法被区分，根据包含在负反馈信号中的信息量分类：称作为“爬山”方法的方法：通过抽取合成能量的一部分简单地形成误差信号，该部分通过改变要合成的M个通道(光束)的相位而被最大化。该技术基于具有M-1维度的基于梯度的优化算法。在这种情况下，复杂性在于处理算法，作为标量信号的误差信号是非常简单的且低成本的。该方法的缺点是环路的带宽，其变化1/M。因此，该方法更适合于少量的合成光束，通常小于10个。称为OHD(光学外差检测)方法的方法。在该方法中，由每个发射器相对于参考光束的相位的测量组成的误差信号是矢量信号；每个通道使用一个检测器。通过外差混频和解调并行地进行M个测量。该方法的缺点为：利用了RF部件，这增加了每个通道的成本；借助于参考光束；在合成之前测量的并且不保证最佳合成质量的误差信号：其不能补偿相位测量平面与合成平面之间的相位波动。因此，需要对系统进行校准。称为LOCSET或同步多重抖动方法的方法。对于爬山方法，该方法使用合成能量的一部分作为误差信号，但是在这种情况下，来自各个通道的贡献通过在其专有频率处的RF调制对每个通道进行“频率标记”来识别。然后通过使用参考光束的外差混频来获得每个光束的误差信号。该方法是有利的，因为其仅需要一个检测器，并且快速相位调制器的可用性允许设想大量的通道。另一方面，该方法在负反馈回路(混频器、调制器等)中需要大量的RF部件，由此显著地增加系统的每个通道的成本。在这种情况下，通过以相同的频率在时间上顺序地调制每个光束，获得类似的信号，但是对系统的带宽具有负面影响。直接测量发射器之间的相位的方法，其中，误差信号为从待合成的光束彼此干涉或者与参考光束干涉的干涉图提取的相位的映射。这种直接干涉测量方法是共同的：通过由阵列传感器记录单个图像来获得所有相位，并且因此完全地适用于大量发射器。所使用的成像器的成本要除以通道的数量，且因此不是决定性的。另一方面，系统的带宽可以受限于所使用的传感器，特别是在红外线中。然而，这不是基本限制。最后，对于OHD方法，在合成之前测量相位；它不能补偿相位测量平面与合成平面之间的相位波动，因此不能保证最佳的合成质量。因此，需要对系统进行校准。下表总结了相干合成技术的现有技术。灰色的单元格表示每种方法的缺点。因此，目前没有用于激光束的相干合成的现有架构，其同时满足如下的条件：环路带宽>1kHz，光束数量可能为100、1000或甚至更高，操作无校准(在合成平面中的误差信号)且低成本。
技术实现思路
本专利技术的上下文涉及其中激光束使用衍射光学元件(DOE)在空间上合成的系统。根据本专利技术的系统基于该衍射元件的原始使用，其除了提供光束的空间合成之外还允许产生创新的误差信号，该误差信号使得可以补偿激光源之间的相位差。该误差信号由衍射合成元件的较高阶衍射的强度来计算。这种误差信号允许满足所有上述条件。更具体地，本专利技术的主题为一种用于调整具有以λ0为中心的相同波长的M个激光源的相位的系统，所述M个激光源具有周期性的空间配置，M为大于2的整数，该系统包括：用于将从源产生的M个光束准直和引导到具有周期性相位光栅的合成衍射光学元件上的装置，其中入射角在每个光束之间不同，这些入射角根据光栅的周期来确定；以及用于基于从合成光束产生的负反馈信号来控制所述源的相位的装置。其主要特征是，该系统包括：用于抽取合成光束的一部分的装置；在合成光束的该部分的路径上的傅里叶透镜，所述傅里叶透镜具有物平面和像平面，其中合成衍射光学元件在其物平面中；傅里叶透镜的像平面中的检测器阵列，其能够检测合成光束的该部分的强度分布；用于基于这些强度分布来计算负反馈信号的装置。实际上获得了矢量误差信号(其大小由所测量的较高阶衍射的数量给出)，但是不需要使用RF部件。此外，由于优化不针对锁相(参见OHD和直接干涉测量技术)，而是(通过使较高阶的强度最小化)直接针对合成强度，所以系统在其原理上不要求校准。因此组合了以下优点：对于LOCSET和爬山方法，在合成平面中产生误差信号，因此不需要校准。误差信号由一组非冗余测量组成，其使得通过简单的处理操作能够产生负反馈信号。每个通道(光束)的系统成本相对较低，因为它不涉及任何RF元件，并且每个通道仅需要一个检测器。该系统与大量通道兼容，并且具有大于1kHz的带宽。根据本专利技术的一个特征，用于计算负反馈信号的装置包括用于通过如下限定的矩阵的逆矩阵来计算在检测器阵列的平面中检测到的强度分布的乘积的装置：所述矩阵由通过在一个周期上将合成衍射光学元件的相位展开成傅里叶级数而获得的系数限定，如果M是奇数则所述矩阵的大小为(2M-1)×(2M-1)，如果M为偶数则所述矩阵的大小为2M×2M。通常，M＞100。优选地，源被布置成一维或者二维空间配置。根据本专利技术的一个优选实施方案，从激光源产生的光束具有同一出射平面，则系统包括具有物平面和像平面的另一傅里叶透镜，激光源的出射平面位于物平面中，合成衍射光学元件位于像平面中。附图说明通过阅读以下作为非限制性示例并且参照所附附图给出的具体描述，本专利技术的其它特征和优点将变得明显，在所述附图中：图1示意性地示出了使用衍射光学元件作为用于从“M到1”(在附图的示例中为5到1)合成光束的装置；图2示意性地示出了根据本专利技术的示例性的调整相位的系统；图3示意性地显示了衍射光学元件的强度分布，该衍射光学元件用作从1到M(在附图的示例中，从1到5)的分束器(图3a)，或用作用于从M到1(在附图的示例中，从5到1)合成光束的装置，其中强度分布通过衍射光学元件衍射。相同的元件在每个图中具有相同的附图标记。具体实施方式本专利技术的上下文是这样的系统，其首先基于使用衍射光学元件1(或DOE)作为用于合成各个激光束10的装置，如图1的示例所示。激光束10以由DOE的空间周期限定的角度入射在DOE1上。一旦光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于调整具有以λ0为中心的相同波长的M个激光源的相位的系统，所述M个激光源具有周期性的空间配置，M为大于2的整数，该系统包括：‑用于将从源产生的M个光束准直和引导到具有周期性相位光栅的合成衍射光学元件(1)上的装置，其中入射角θ2k在每个光束之间不同，这些入射角根据光栅的周期来确定；以及‑用于基于从合成光束产生的负反馈信号来控制所述源的相位的装置；‑用于抽取合成光束的一部分(12)的装置(5)；‑在合成光束的该部分的路径上的傅里叶透镜(6)，所述傅里叶透镜(6)具有物平面和像平面，其中合成衍射光学元件(1)在其物平面中；‑傅里叶透镜(6)的像平面中的检测器阵列(7)，其能够检测合成光束的该部分的强度分布；其特征在于，该系统包括：‑用于基于这些强度分布来计算负反馈信号的装置(8)，其包括用于通过如下限定的矩阵的逆矩阵来计算在检测器阵列的平面中检测到的强度分布的乘积的装置：矩阵由通过在一个周期上将合成衍射光学元件的相位展开成傅里叶级数而获得的系数限定，如果M是奇数则矩阵的大小为(2M‑1)×(2M‑1)，如果M为偶数则矩阵的大小为2M×2M。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.28 FR 14012221.一种用于调整具有以λ0为中心的相同波长的M个激光源的相位的系统，所述M个激光源具有周期性的空间配置，M为大于2的整数，该系统包括：-用于将从源产生的M个光束准直和引导到具有周期性相位光栅的合成衍射光学元件(1)上的装置，其中入射角θ2k在每个光束之间不同，这些入射角根据光栅的周期来确定；以及-用于基于从合成光束产生的负反馈信号来控制所述源的相位的装置；-用于抽取合成光束的一部分(12)的装置(5)；-在合成光束的该部分的路径上的傅里叶透镜(6)，所述傅里叶透镜(6)具有物平面和像平面，其中合成衍射光学元件(1)在其物平面中；-傅里叶透镜(6)的像平面中的检测器阵列(7)，其能够检测合成光束的该部分的强度分布；其特征在于，该系统包括：-用于基于这些强度分布来计算负反馈信号的装置(8)，其包括用于通过如下限定的矩阵的逆矩阵来计算在检测器阵列的平面中检测到的强度分布的乘积的装置：矩阵由通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·布尔德里奥内，A·布里尼翁，
申请(专利权)人：泰勒斯公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR