高功率激光合束的指向控制分析及研究進展

陳建華,鄭 也,劉小溪,張 琳,王學鋒,2,王軍龍

（1.北京航天控制儀器研究所,北京 100039;2.北京市光纖傳感系統工程技術研究中心,北京 100094）

0 引言

近年來,高功率激光器在軍事國防領域扮演了越來越重要的角色,軍事強國一直致力于將高功率激光武器應用于海陸空天等加載平臺［1-3］。與工業加工不同,國防應用對激光器的輸出功率、光束質量、能量轉換效率以及結構緊湊性和可靠性都有更為嚴苛的要求。一般而言,武器級的應用要求較高的輸出功率,通常要達到100kW以上,同時還需要良好的光束質量以滿足遠距離毀傷要求。光纖激光器［4-5］具有效率高、光束質量高、結構緊湊、維護成本低、可靠性高等一系列優點,近年來得到廣泛研究,其輸出功率不斷提升。然而,受限于泵浦源亮度、非線性效應、熱效應等物理限制,單根光纖輸出的單模激光功率存在極限,目前公開報道的單根單模光纖激光的最高輸出功率僅為20kW,無法滿足激光武器系統對光源功率的需求。

激光合束技術［6-10］能夠將多路激光進行疊加,在提高輸出功率的同時,保持了良好的光束質量,是突破單纖輸出功率極限的有效技術途徑,成為實現滿足激光武器應用的激光光源的必然選擇。目前,主流的合束技術分為非相干功率合成、相干合成和光譜合成。無論采用何種合成技術,都需要通過分立的光學元件將多路子光束的指向進行特定偏轉,從而達到合束所需的子光束指向要求。但是在實際應用中,較長的空間光路傳輸路徑、光學元件支撐結構對振動、溫變等因素比較敏感,會影響光束指向的穩定性,進而造成合成激光器性能的下降。此外,當單路激光以數千瓦的高功率運轉時,光學元件膜層及基底吸收等因素也會對光束指向產生影響,從而導致各路激光的光束指向發生偏轉,影響合束效果。采用光束指向控制技術可以實時校正各個單元光束的指向偏差,消除環境因素對合束效果的影響,有效提高光束合成的效率和光束質量,為高功率激光合束系統的實際工程應用提供有力支撐。

本文對合束系統中的指向偏差對合束效果的影響進行了理論分析,得出滿足實際應用需求的光束指向控制精度要求。對典型控制器件、控制算法、位置探測等核心單元進行了介紹及對比分析,同時介紹了基于不同控制器件的指向控制發展現狀和最新研究進展,最后展望了激光合束的指向控制技術的發展方向。

1 光束指向控制方法

1.1 光束指向偏差對合束性能的影響

激光合束的目的是將多波長的激光合成一束,在保持良好光束質量的前提下實現更高的輸出功率。以基于二向色鏡的波長合束為例,選取三束不同波長的光束,如圖1所示。

圖1 波長合束原理圖Fig.1 Schematic diagram of wavelength beam combination

其工作原理是利用二向色鏡的分光原理,即利用二向色鏡對某一波長帶寬內的激光高效率透射,同時對另一帶寬內的激光高效率反射,通過調整光學元件的角度使得所有光束最終在近場和遠場實現空間重合［11-12］。

但在實際應用中,激光合束系統受振動、溫變等各種因素影響會導致子光束指向偏移,進而降低合束激光的光束質量,如圖2所示。可以看出,當光束指向存在偏差時,合束光斑在遠場重疊度嚴重下降,輸出激光的中心強度也明顯下降,進而影響實際應用效果。

圖2 指向偏差對合束的影響Fig.2 Influence of pointing deviation on beam combination

為了進一步探究光束指向偏差對合束性能的影響,現選用兩束中心波長分別為1070nm和1090nm的激光束,通過二向色鏡進行光譜合束。其中,二向色鏡對1070nm的激光具有高反特性,對1090nm的激光具有高透特性。

設兩路光束為空間傳輸的高斯光束,高斯光束在空間坐標系中沿z軸的傳輸公式如下

式（2）中,θx為光束沿x軸轉過的角度,θy為光束沿y軸轉過的角度。

合束效率是評價光束合成的重要指標,用來評價合成效果的好壞。現選用合束效率作為評價指標,對于二向色鏡合束系統,其合束效率可表示為

式（3）中,F1（λ）和F2（λ）為入射光光譜,R（λ）為二向色鏡反射曲線。使用Matlab軟件模擬不同位置和傾斜誤差情況下的光束傳輸,計算不同情況下的光束合束效率,其仿真初始條件如表1所示。

表1 仿真初始條件Table1 Initial conditions of simulation

位置誤差是光束在保持平行的條件下在輸出面垂直光軸方向上的相對位置發生變化,反映了光軸的整體平移誤差。在數值仿真中,通過在原中心坐標位置加上位置擾動,實現不同位置誤差下合束效率的計算,計算結果如圖3所示。隨著位置誤差的增大,光束的合束效率顯著下降,尤其是誤差超過0.5mm時,合成效率的下降更為明顯;當位置誤差控制在0.75mm內,可保持合束效率在94%以上。

圖3 激光器輸出端位置誤差對合束效率的影響Fig.3 Influence of laser output position error on beam combining efficiency

傾斜誤差是指輸出光束光軸與理想光軸之間的夾角,其仿真結果如圖4所示。隨著傾斜誤差增大,合束效率也隨之下降,要想合束效率保持在97%以上,傾斜誤差要控制在0.5mrad內。因此,為了保持較高的合束效率,必須盡可能地減小傾斜誤差。

從圖3、圖4可以看出,光束位置誤差和傾斜誤差都會嚴重影響光束合成效率,尤其是在高功率光譜合束中,數十路光束產生的熱效應會進一步增大光束的誤差,降低合束效率。因此,非常有必要開展光束的指向控制研究,對偏移光束進行校正,以滿足實際工作需要。

圖4 傾斜誤差對合束效率的影響Fig.4 Influence of tilt error on beam combining efficiency

1.2 指向控制系統組成

常見的指向控制系統主要由探測器、處理器、執行器三部分組成,如圖5所示。具體工作流程如下:PSD探測器主要用于探測光斑位置,探測器接收到激光信號并得到激光傳播方向與光軸的偏差角信號,偏差角信號經過A/D轉換后送往算法控制模塊,該模塊將計算好的控制指令送D/A模塊進行轉換,經濾波器濾除不必要的信號,然后送放大器放大,再送給壓電陶瓷,帶動反射鏡使其按指定的方式運動,反射鏡位置由測量機構進行測量并將結果經A/D轉換后送回算法控制器進行再次處理和調節,實現合束系統光束偏轉角的實時閉環控制［13-17］。

圖5 光束監測校正系統示意圖Fig.5 Diagram of beam monitoring and correction system

（1）探測單元

應用指向控制系統中的探測器種類繁多,最常用的主要是PSD位置探測器、CCD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器和四象限探測器等［18-21］,主要用來探測光斑位置,經計算得到光束偏轉的偏差角信號。上述幾種探測器的具體優缺點比較如表2所示。

表2 不同光電探測器的對比Table2 Comparison of different photodetectors

通過對比幾種光電探測器,可以看出PSD位置探測器和CCD圖像傳感器具備高分辨、高響應速度的特點,滿足指向控制系統的需求,因此被廣泛應用于指向控制系統。

探測器放置在分束鏡之后,合束光通過分束鏡后分為兩部分,其中擁有大部分光能的部分進入到激光發射系統,另一部分含有極小光能的部分進入探測器,完成各光束相對光軸的偏轉角監測。但是,探測器無法在同一時間內執行多束激光與光軸的夾角測量,只能對一束激光進行準確的角度測量,因此需要一個切換機構使得某一時間只有一束激光聚焦到探測器光敏面上。系統常采用的是切換轉輪來完成這一功能,切換轉輪與計算機相連,轉輪圓盤上的通光孔放置對應激光波長的窄帶濾光片,當轉輪轉動時,即可完成對不同波長激光的選擇。轉輪結構如圖6所示。

圖6 切換轉輪結構示意圖Fig.6 Structure diagram of switching runner

（2）處理單元

在處理單元中,控制算法是核心部分,必須要保證算法收斂精度的同時,提高算法的收斂速度,因此控制算法的選擇也是至關重要的。常用的優化算法主要包括模擬退火算法、遺傳算法、帝國競爭算法、粒子群算法以及隨機并行梯度下降（SPGD）算法等。其中,使用最多的優化控制算法是SPGD算法,SPGD算法通常只需要一個探測器,系統搭建相對容易,控制參數設置簡單,收斂速率較高［22-25］。中科院相關研究人員對各種算法在自適應光學中的應用進行了詳細的研究,認為SPGD算法是目前收斂速度較快的算法［26］。同時,國內外不少研究人員也都使用SPGD算法作為指向控制中的控制算法。

SPGD算法是一種有效的梯度估計算法,通常選用桶中功率作為性能評價函數,并作為控制依據。控制過程中,先對控制參量并行施加正向的隨機微小擾動,獲得相應的桶中功率數值;然后并行施加負向的隨機微小擾動,并獲得其桶中功率數值;之后利用兩次擾動大小和桶中功率數值的變化對控制對象的變化進行梯度估計;最后利用這個梯度估計,根據一定的方式更新控制參量,并進行反復迭代,直至控制對象達到最優值,從而實現優化控制。

（3）執行單元

執行器是用來調節光束指向的器件,主要有液晶空間光調制器、自適應光纖準直器和快反鏡等,三種執行器的主要優缺點如表3所示。

表3 執行器優缺點的比較Table3 Comparison of advantages and disadvantages of actuator

在下文中,將重點介紹基于這三種執行器的指向控制技術的發展現狀和研究進展,并對未來指向技術的發展進行展望。

2 指向控制技術的發展現狀和研究進展

2.1 基于液晶空間光調制器的指向控制

液晶空間光調制器是一種動態衍射光學器件,液晶分子的有效折射率可表示為

式（4）中,n0為尋常光折射率,ne為非尋常光折射率,液晶分子的長軸與基地材料層之間的夾角設為α,若晶層厚度為d,則整個液晶材質的有效折射率為所有層的有效折射率的疊加,可表示為

由式（4）、式（5）可知,若改變夾角α,則可以改變液晶材質的有效折射率。在導電層之間放置液晶材料,不向導電層施加電壓的情況下,液晶分子的長軸保持與基材平行。當施加到導電層的電壓超過液晶分子的閾值電壓時,液晶分子偏轉,有效折射率發生變化,從而對入射光的相位施加調制使光束偏轉。可以根據預先確定的電壓大小和偏轉角度的關系來產生可控的液晶移相器,其結構原理示意圖如圖7所示。

圖7 液晶相空間光調制器結構示意圖Fig.7 Structure diagram of liquid crystal phase spatial light modulator

與傳統機械式控制裝置相比,液晶空間光調制器具有結構簡單、體積小、成本低、功耗小、響應速度較快等優點,應用前景比較廣泛。基于液晶空間光調制器的上述優點,研究人員提出了液晶相控陣、液晶微透鏡陣列和液晶偏轉光柵等新型光束偏轉技術,對光束偏轉的控制方式、效率和范圍進行了廣泛深入的研究。

2005年,Vorontsov［27］提出了自適應光學鎖相陣列系統的概念。該系統使用小口徑發射陣列代替傳統的大口徑發射鏡,通過控制各個子孔徑的相位實現對整體波前畸變的補償。發射子孔徑結構如圖8所示。系統中,活塞相位的控制通過相位調制器利用SPGD算法實現,光束傾斜波前的校正則是由發射子孔徑端口的透射式液晶空間相控陣實現。

圖8 發射子孔徑結構示意圖Fig.8 Structure diagram of emitter sub aperture

2009年,Engstr?m等［28］利用鐵電液晶光學相控陣進行光束的傾斜波前控制,實驗系統如圖9所示。該液晶空間光調制器可以實現對光軸82°范圍內的偏轉控制,對0～2π范圍的活塞相位可以進行91%的補償,反應速度約為200μs。

圖9 鐵電液晶光學相控陣系統光路示意圖Fig.9 Optical path diagram of ferroelectric liquid crystal optical phased array system

國內對液晶空間光調制器的研究則主要集中在一些研究所以及高校中,具體的單位包括中國科學院長春光機所以及哈爾濱工業大學等,目前來說還缺少較為成熟的商業產品。

液晶空間光調制器在光束偏轉控制方面具有其特有的優勢,但是目前而言,其承受功率較低,通常為5W/cm2,而且偏轉范圍小、偏轉速率較慢,因此主要應用在低功率、小偏轉角的場合。

2.2 基于自適應光纖準直器（AFOC）的指向控制

自適應光纖準直器（AFOC）是在光纖激光發射端周圍安裝橫向微型壓電陶瓷片的集成器件,該器件通過控制施加在壓電陶瓷上的電壓對光纖的橫向位置進行調整,改變光纖發射端在發射透鏡焦平面的位置,從而實現對發射光束波前高速精確的指向控制［29］。AFOC具有精確控制、慣性小、諧振頻率高、結構緊湊等優點,其具體結構如圖10所示。

圖10 自適應光纖準直器結構示意圖Fig.10 Structure diagram of AFOC

2007年,Liu等［30］利用3個AFOC構成了共形發射陣列,采用SPGD算法研究了在相干合成中傾斜波前和活塞相位的控制,同時實現了全保偏光纖結構的鎖相控制和指向控制。傾斜控制是通過壓電纖維定位器實現的,壓電纖維定位器由SPGD控制器調制,傾斜SPGD控制器的擾動率高達每秒約950次迭代,傾斜補償帶寬在60μrad時達到10Hz。

2012年,國防科技大學的王雄［31］利用AFOC為控制器件、高速CMOS相機為探測器件進行了兩路光纖激光相干合成實驗研究,該實驗實現了350W的合成功率輸出,記錄了開環狀態下、鎖相狀態下、傾斜控制狀態下以及鎖相和傾斜控制同時進行狀態下的實驗數據,實驗結果如圖11所示。可見,傾斜控制可以使兩個分離光斑實現有效重合,歸一化PIB值從0.27提升至0.99,條紋對比度從0提升至97%,控制效果顯著。

2012年,Goodno等［32］提出了一種偏振相干合成指向控制方案,利用該方案實現了在主動鎖相的相干合成陣列中光束的高精度對準,實驗結構如圖12所示。活塞相位控制由相位調制器實現,傾斜波前控制利用帶有壓電陶瓷的光纖準直器實現。該方法通過光學轉換將光束的指向誤差轉換為活塞相位誤差,然后利用SPGD算法對活塞相位誤差進行校正;校正電壓信號分別施加到相位調制器和光纖準直器的壓電陶瓷上,從而達到校正活塞相位和傾斜波前的目的。

圖12 5單元偏振相干合成系統結構示意圖Fig.12 Structure diagram of5-cell polarization coherent synthesis system

實驗結果如圖13和圖14所示,圖13為系統開環（無傾斜和鎖相控制）情況下合成光斑的長曝光圖案,圖14為閉環（傾斜和鎖相同時控制）情況下的光斑圖案。對比開環和閉環情況下的合成光斑,可發現控制效果明顯,原來分散的光斑高度重疊在了一起,合成光斑能量高度集中。

圖13 開環狀態下相干合成系統光斑圖Fig.13 Spot pattern of coherent synthesis system in open-loop state

圖14 閉環狀態下相干合成系統光斑圖Fig.14 Spot pattern of coherent synthesis system in closed-loop state

2015年,中科院光電所的譚毅［33］報道了基于AFOC的七單元光纖激光陣列相干合成實驗,在200m實際大氣湍流環境下單路激光功率為150mW。在7路相干合成實驗中,陣列閉環后平均探測回光功率由0.32V上升至1.93V,并且在5s的曝光時間內獲得了接近理想的干涉條紋,如圖15所示。2018年,中科院光電所的耿超等［34］報道了自主研制的七單元光纖激光陣列在200m大氣傳輸距離下的湍流補償結果。實驗結果顯示,當系統閉環后,30s曝光時間內目標處獲得了接近理想的干涉條紋。

圖15 7單元光纖激光陣列大氣傳輸校正結果Fig.15 Atmospheric transmission correction results of 7-cell fiber laser array

目前利用AFOC進行的傾斜波前控制獲得了良好的效果,但是當前研究都是在低功率情況下進行的,AFOC在大功率應用和高光束質量輸出等方面尚需進一步的研究。對于大功率的激光輸出,包括橫梁的熱變形對于指向控制效果的影響以及光纖頭的擠壓變形對于出射光束的影響都缺乏理論上的證明,因而限制了其在高能激光領域上的應用［35-37］。

2.3 基于快反鏡的指向控制

快反鏡是在驅動器上安裝一塊小面積的反射鏡,通過高速率、高精度地改變施加在器件上的電壓大小,控制反射鏡高速擺動,使其反射光束波前產生快速、小角度的傾斜變化,達到波前指向控制的目的。與傳統的電機驅動器件相比,快反鏡具有運動慣性小、響應速度快、角分辨精度高等顯著優點［38-40］,其原理圖如圖16所示。

圖16 快反鏡工作原理示意圖Fig.16 Working principle diagram of fast steering mirror

2006年,Wilcox等［41］將微機電陣列反射鏡組裝在一個雙軸傾斜平臺上,從而同時實現單元光束的活塞相位和傾斜波前畸變的補償,該實驗裝置如圖17所示。其中,微機電陣列用來補償活塞相位,快反鏡可以實現±2mrad范圍內的光束偏轉控制。該裝置簡化了相干合成的光路結構,降低了系統的復雜性。

圖17 微機電陣列快反鏡系統結構示意圖Fig.17 Structure diagram of MEMS array fast steering mirror system

2011年,譚逢富等［42］利用壓電陶瓷快反鏡對激光在大氣中傳輸的傾斜波前進行了校正。該系統結構如圖18所示,通過位敏傳感器PSD進行光束位置的探測,采用PID控制算法,利用快反鏡對傾斜波前誤差進行實時補償。實驗結果表明,系統具有很好的魯棒性,對50Hz以內、振幅為4.5μrad的傾斜誤差校正效果明顯,跟蹤精度可以到達0.6μrad。

圖18 快反鏡指向控制系統結構示意圖Fig.18 Structure diagram of fast steering mirror pointing control system

2019年,多普勒實驗室的Csencsics等［43］設計出了一種基于混合磁阻致動器的、緊湊型的、高度集成化的快反鏡系統。該快反鏡系統的驅動器以永磁體來產生恒定磁通量偏置磁路,并通過兩對線圈產生轉向磁通量,從而使動子繞兩個系統軸旋轉。在高達200Hz的兩個旋轉自由度上,該系統可以提供的偏轉角度范圍為±52.4mrad,同時對兩個系統軸均具有1.5kHz的小信號閉環帶寬。

隨著快反鏡的進一步發展,目前快反鏡技術已經相當成熟,不僅可以應用于湍流中傳輸的光束校正,也在高功率激光合束中作為指向控制元件發揮著不可替代的作用。北京航天控制儀器研究所就在高功率激光合束的指向控制上實現了突破,以壓電陶瓷偏擺鏡為驅動元件、位置探測器為探測元件,完成了6路單模光纖激光器的空間合束,實現了6路的閉環反饋控制,其實驗裝置如圖19所示。

圖19 6路空間組束激光控制系統示意圖Fig.19 Schematic diagram of6-channel space beam laser control system

該系統由6個單模光纖激光器組束而成,各路單模光纖激光器發出激光,每路激光功率超過2kW,經過準直由空間光路折返,拼接成環形光斑。如圖20所示,探測裝置采用德國TEM公司的位置探測器,可實現空間納米級（nm）和角度納弧度級（nrad）的探測。位置探測器實現對激光入射角度的測量,將激光入射的角度值轉換成電信號傳輸給光束平行控制器,光束平行控制器接收PSD電信號,計算各個激光與基準激光的角度差,通過控制壓電陶瓷偏擺鏡實現激光傳輸方向的控制,確保激光的平行度,其實驗結果如圖21、圖22所示。

圖20 位置探測器實物圖Fig.20 Physical drawing of position detector

圖21 開環狀態下6路閉環反饋控制實驗光斑圖Fig.21 Spot pattern of6-channel closed-loop feedback control experiment in open-loop state

圖22 閉環狀態下6路閉環反饋控制實驗光斑圖Fig.22 Spot pattern of6-channel closed-loop feedback control experiment in closed-loop state

通過對比可以看到,圖22的校正效果顯著。進行閉環指向控制校正后,原來分散的光斑高度重疊在了一起,合成光斑的能量也高度集中。其中,指向控制精度優于5μrad,控制帶寬高于10Hz。

3 發展趨勢展望

目前來說,液晶空間光調制器具有較大的靈活性,但是偏轉效率低下、承受功率不高的問題極大地限制了其應用;AFOC對波前的指向控制簡單有效,但是很難應用在高功率合束中,其自身對光束質量的影響較為明顯;快反鏡響應速度快,并且可以應用于高功率激光合束中,是高功率激光合束中最為重要的器件。對于高功率指向控制系統,未來發展也面臨以下問題,相關技術仍需開展深入研究。

光束指向控制的算法改進是大陣列合束中的關鍵技術之一。隨著激光合束技術的不斷發展,合束系統中激光路數不斷增加,光束指向控制技術也將更多的應用在大陣列控制中,這對控制算法提出了很高的要求。在數十路光束合成系統中,隨著系統探測噪聲的增大,探測信噪比不斷下降,這將嚴重降低控制算法的性能指標,所以需要考慮探測噪聲的抑制方法,來滿足大陣列指向控制的需要。由于大陣列控制系統中激光路數的增多,系統帶寬也會嚴重降低,因此還需要在控制算法的帶寬優化上進一步提升,以滿足實際應用需求。SPGD算法是目前應用最多的算法,當遠場各單元光斑彼此偏差角度不是很大,即各光斑總有重疊部分時,算法可以對傾斜誤差進行有效的校正,但是單元光束彼此完全分離時,算法的控制效果大大降低,因此可以將性能評價函數PIB的環圍半徑根據光斑離散情況進行調整,同時SPGD算法的控制參數也做自適應調整,從而在更大的光束偏離范圍有效地實現校正。

其次,多光束合束中,閉環控制的執行元件需要在擴大控制范圍的同時提高控制精度,并降低功耗。快反鏡作為執行裝置,要求其具有大作動量、高精度、高響應的能力。目前,快反鏡的驅動裝置主要是壓電陶瓷和音圈電機兩種驅動器:壓電陶瓷驅動器控制精度高,但是由于壓電材料伸縮量的限制,控制行程較小,很難滿足大范圍偏轉的合束系統應用需求;相比于壓電陶瓷,音圈電機控制行程更大,但是其耗電量更大、發熱量更大的劣勢在一定程度上也限制了其應用。因此,需要進一步開展壓電陶瓷驅動快反鏡的最優設計方法,也可以尋找、設計控制行程更大、控制精度更高的驅動器,應用于激光光束指向控制系統,滿足日后遠距離、高精度的控制需求。

最后,在光電探測方面,還需要提高探測精度的同時降低功耗。PSD位置探測器和CCD圖像傳感器是應用最多的探測器件,用以獲取反饋信號。它們可以直觀地反映遠場光斑的形態,但也具有其固有的劣勢:PSD探測器很容易受到雜光影響,進而影響其探測精度;而CCD圖像傳感器雖然成像質量較好,但是由于自身功耗過大且制作工藝非常復雜,也在一定程度上限制了其應用。因而在實際應用中,還需要不斷拓展新型的光電傳感器在高功率合束系統中的應用,構建多傳感器協同配合體系,發揮優勢互補,滿足實際工作需求。

4 結論

激光合束技術是實現大功率激光輸出的重要技術途徑,而激光合束技術中對單束激光的指向控制技術對于提高激光合束的效率具有重要意義。文中介紹了指向控制技術的基本原理,分析了光束指向誤差對合束效率的影響,對不同指向控制器件的優缺點進行了比較,總結了指向控制技術的發展現狀,并對未來發展趨勢進行了展望。光纖激光器激光合束的指向控制研究取得了一定的進展,但缺乏更為深入、全面的理論分析,后續還需要在高功率激光合束實驗中進一步驗證指向控制系統的可行性,滿足激光武器的高功率光源需求。相信在不久的將來,上述技術一定會有重大突破,應用指向控制技術也一定可以實現大于百千瓦輸出功率的高亮度光束合成。