打破路数纪录，近400束光纤激光相干合成
01 导读
近日，国防科技大学前沿交叉学科学院研究团队在实验模拟大阵元光纤激光相干合成取得重要进展：利用高速二维光场计算实现了397单元光纤激光相位锁定。
研究成果以“Experimental phase stabilization of a 397-channel laser beam array via image processing in dynamic noise environment”为题发表于Journal of LighTWave Technology。
02 研究背景
高功率光纤激光器具有结构紧凑、效率高、操作方便等特点，已广泛应用于工业加工等领域。然而，随着纤芯功率密度的增加，光纤中的非线性效应和热致模式不稳定效应成为制约单光束光纤激光器亮度提高的重要物理因素。
03 研究创新点
针对这一问题，研究团队自研高速图像处理系统，实现了对于397单元光束大于2000 Hz的实时活塞相位计算，通过实验验证系统将千瓦级光纤激光放大器中的活塞相位噪声进行模拟与补偿。实验装置图如图1所示。
图1 实验装置示意图（其中SLM指“空间光调制器”）光源是波长为1064 nm的单频光纤激光器。激光器发出的激光经过SLM1调制为397单元光束，再分别经过SLM2与SLM3施加与补偿相位噪声。
通过参考光与阵列光束剪切干涉，得到阵列激光干涉图像，如图2所示。随后，通过自研的高速图像处理系统，将阵列激光的活塞相位误差解算出来，并驱动SLM3实现活塞相位噪声的实时补偿。实验中，SLM2施加的相位噪声是来自千瓦级光纤放大器中的活塞相位噪声，关闭SLM3对应开环状态，打开SLM3对应闭环状态。
图2 阵列激光强度与干涉条纹为了精确测量和表征相干合成系统的控制效果，从SLM3反射后的透镜后分出一束光，通过CCD相机记录合成光斑，通过PD记录桶中功率时序变化，分别进行长时间曝光叠加与傅里叶变化，得到如图3所示的开环与闭环的100 s曝光图样与桶中功率频谱特性。
图3 实验中开环与闭环状态实验效果对比实验结果验证了世界上首个400束规模光纤激光的CBC系统。当锁相模块工作时，中央主瓣能量占比从0.62%提高到59.51%，实现了高达~96%的合成效率，这意味着活塞相位的锁定残差小于λ/31（即0.2 rad，λ为波长，在CBC系统中一般表示为λ/x，其中x为2π与残差的比值），实验结果充分证明了锁相模块的相位控制能力。
04 总结与展望
该研究工作，基于二维光场计算首次实现了近400束光纤激光相干合成，单路千瓦级的动态活塞相位噪声得到了有效的抑制，研究结果为百千瓦级相干合成系统的构建奠定了技术基础。
论文通讯作者为国防科技大学前沿交叉学科学院周朴研究员和马鹏飞副研究员，第一作者为博士研究生常琦。研究工作得到国家自然科学基金项目(NSFC62075242)、湖南省创新研究群体基金项目（2019JJ10005）、湖南创新型省份建设专项（2019RS3017）等资助。
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