高压放大器在光纤激光相控阵室内相干合成实验研究中的应用

实验名称：光纤激光相控阵室内相干合成实验

测试设备：高压放大器、光纤激光器、位置敏感传感器等。

实验过程：

图1：光纤激光相控阵系统的示意图

实验中SPGD算法输出的电压控制信号由采集卡分别输出至PZT-PC和AFOC的高压放大器上，以对活塞相差和倾斜相差进行实时的补偿校正，系统算法迭代速率已经可以满足实验室环境下数百Hz量级的动态相差实时校正需求，其中锁相控制迭代速率为9.8kHz，倾斜控制迭代速率为1kHz。在驱动AFOC时，算法控制器输出的控制电压被高压放大器（HVA）放大了一百倍，以产生足够大的推力。

实验结果：

图2：归一化性能指标变化曲线

分别采集5s开环状态、仅锁相控制状态与锁相控制和倾斜控制同时运行的闭环状态下合成光束的性能指标与远场长曝光图像，然后对其进行分析。由PD采集的15s归一化性能指标曲线如图2所示。当未校正活塞相差和倾斜相差时，系统处于开环状态,归一化性能指标均值（Ave）为0.0182，其开环状态下的均方误差（MSE）为0.0162，这两个指标都是无量纲的数据，Ave越高，代表合成光束质量越好，MSE越高，则光斑强度的抖动越明显。36ms之后，系统通过锁相控制并进入收敛状态（SPGD算法的收敛时间定义为归一化目标函数达到稳定值的90％时所需的时间）。当活塞相差得到校正并且系统处于锁相状态时，Ave值从0.0182上升至0.335，MSE从0.0162下降到0.0021，这表明锁相控制能提升部分相干合成的效果。在670ms之后，活塞相差和倾斜相差均得到校正，此时Ave值进一步上升至0.994，由于闭环时进行的倾斜控制会使AFOC中光纤端面发生轻微抖动，因此MSE略微上升至0.0034。比较这三种状态下的归一化性能指标强度可知，只有同时校正活塞相差和倾斜相差，针孔中的能量密度才能达到实验过程中的最高值，取得高效的相干合成效果。

图3：远场光斑的归一化长曝光图像(a)开环；(b)仅锁相控制；(c)闭环

远场中合成光束的5s长曝光图像如图3所示。其对应的PIB可以通过计算合成光束主瓣像素的强度与整个远场图像的像素强度的比值来获得。图3（a）显示了开环时不执行锁相和倾斜控制的长曝光图像。从图中可以看出，相机表面几乎没有干涉图样，远场光斑处于非相干状态，同时合成光束的能量集中度非常低，PIB的均值仅为0.08。图3（b）显示了仅执行锁相控制时的远场光斑长时间曝光图像。可以看出，在相机靶面上出现了部分相干合成效果，合成光束的主瓣周围出现了四个旁瓣。在此阶段，合成光束的PIB均值为0.26，比开环状态高0.18。图3（c）是闭环后远场光斑的长曝光图像。当闭环状态稳定时，可以看出在远场中有7个清晰的光斑。此时，合成光束主瓣的强度明显高于其他两个状态，其平均PIB为0.49，是实验中的最高水平。

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