作者

尤阳1，2，漆云凤1*，何兵1，沈辉1，邹星星1，刘美忠1，2

1中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室

2中国科学院大学材料与光电研究中心

在光纤激光相干合成中，为了得到较好的合成效果，比较理想的方法是利用全保偏器件组成的保偏放大器进行相干合成。但是，大功率的保偏器件价格比较昂贵，工艺较为复杂，如果对系统实施全保偏器件搭建，构造系统的成本将会成倍地提高。

因此，如果能够将低功率的前级保偏器件与高功率的后级非保偏器件结合，通过偏振控制方法在输出端实现高消光比的激光输出，就可以有效降低系统的成本。

01

主动偏振控制技术的基本原理

主动偏振控制的基本原理是利用光电探测器对激光输出的偏振误差进行探测，再将这些误差信号转换为电信号，并送入如数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)等算法控制器中，利用一些优化算法产生误差补偿信号，反馈至偏振控制器中。偏振控制器通过控制光纤中激光的方位角或延迟量实现消除偏振态误差的目的。

在非保偏光纤中，造成偏振态变化的因素有很多，可分为光纤内部因素和外部因素两方面：

内部因素包括由材料缺陷导致的残余应力双折射，由制作工艺缺陷导致的波导形状双折射；外部因素主要包括如受压、扭绞、震动、弯曲等机械应力，其导致的不规则双折射将会对光纤链路引入很大的偏振噪声。

在大模场光纤中，不同模式的偏振特性不同，此时，增益光纤的光增益同样会对光纤中光的偏振态造成较大的影响。上述原因引起的偏振态变化或退化，会导致相干合成效率下降。而运用偏振控制技术，消除光纤链路中的偏振噪声，稳定光纤中光的偏振态，是获得成本低廉、高消光比输出的有效途径之一。

近年来，主动偏振控制技术得到了较为高速的发展，完成了从低功率低消光比向较高功率较高消光比的转变，并且保持了较好的光束质量。制约输出功率继续提高的因素主要是器件的损伤阈值比较低；而制约偏振度继续提高的因素主要是控制算法没有得到完善。因此，研究主动偏振控制技术可以从这些方面着手。实现偏振态控制后，可以运用相位控制技术，对其进行锁相，用于相干合成，以进一步提高激光的输出功率。

02

主动偏振控制技术的发展

对主动偏振控制技术的初始研究，是基于光纤通信的需要。20世纪70年代以来，光纤通信的相关研究和应用不断推进。而随着光纤通信和光纤传感技术的快速发展，光纤通信中的各种问题逐渐显露，其中关于光纤中的偏振效应的研究，已成为光纤通信的主要研究方向之一。

在光纤激光的相干合成中，主动偏振控制的研究也占据着非常重要的地位。将合成之前各个链路光纤中的光，进行偏振控制以及相位调制，那么合束输出的光仍然是偏振光，这样就可以实现合成路数的扩展。用于非保偏光纤偏振态控制的方案主要有两种：偏振预补偿技术和偏振末端补偿技术。

2.1 偏振预补偿方案

偏振预补偿技术是通过改变种子光的偏振态影响主激光输出偏振态的控制技术，偏振预补偿示意图如图1所示，其中AD conversion circuit为模拟数字转换电路，用于实现模数转换。种子光经过非保偏光纤的传导，以及非保偏放大器的放大之后，由偏振器件如偏振分光棱镜(PBS)等，将光的偏振态分为两束，功率较小的一束通过衰减后，由光电探测器(PD)转变为电信号，为控制回路提供电反馈，进而控制种子光的偏振态。

图1 偏振预补偿示意图

2010年，Goodno等基于偏振和相位主动控制进行了相干光束合成(CBC)实验，总功率为1.43 kW。CBC远场图像如图2所示，给出了两束输出光进行相干合成后，平铺孔径和填充孔径的远场图像。

从图2可以得出，通过基于主动偏振控制和锁相的相干合成的远场条纹对比度超过90%。这一结果充分地说明了通过主动相位和主动偏振控制得到的相干合成效果比较理想，稳定性很好，而且主动偏振控制对种子光偏振态中的噪声起到了较好的补偿效果。

图2 CBC远场图像。(a)分孔径远场图像；(b)相位控制开启时填充孔径远场图像；(c)相位控制关闭时填充孔径的远场图像

Goodno等在CBC的相关研究上，通过5路非保偏光纤的相干合成和孔径的填充实验取得了较好的合成效果。McNaught等利用3台镱(Yb)掺杂的非保偏光纤放大器，每台光纤放大器的功率约为1 kW，通过将3台放大器与衍射光学元件(DOE)组合进行光束相干合成，产生了功率为2.4 kW的输出光束，没有出现明显的热效应和非线性效应，意味着该系统可以合成得到更高的功率。美国空军研究实验室的Angel等使用5台基于偏振控制的窄线宽放大器(单路输出功率约为1.2 kW)，实现了5 kW级相干合成输出。这是运用伪随机调制光纤放大器的第一个多千瓦级光束组合的实验。

刘泽金等在单路窄线宽、线偏振光纤激光技术方面取得突破，得到的输出激光功率高达5.02 kW，而且是近衍射极限的合成激光。王岩山等基于主动偏振控制的原理，实现了最大输出功率为964 W的线偏振光。当激光的输出功率大于1 kW时，激光器出现了自脉冲现象，若解决这个问题，就可以得到功率更高的激光输出。

2.2 偏振末端补偿方案

在非保偏放大器中，对输出主激光的那一端进行偏振补偿的方案就是偏振末端补偿方案。该方案通过直接控制主激光来提高偏振消光比，因此，在进行高功率非保偏放大器的偏振控制时，所需检测器件的损伤阈值比较高。另外，偏振控制器的控制速度相对缓慢，控制带宽较窄，因此不太适用于对偏振态变化较快的光进行控制。

偏振末端补偿技术有两个主要的缺点：

1) 偏振控制器件的损伤阈值要足够高，以承受来自放大器输出主激光的能量冲击，这给偏振光功率的提升造成了一定困难；偏振控制器的控制速度比较低，控制带宽较窄，在偏振态变换较快的情况下，控制效果可能不是很完美。但是，这种方法也有其自身的优点，通过主激光直接采样，更能反映出主激光的偏振态变化情况，从而可以对主激光的偏振态、光束质量等进行更优的控制。

2010年，Taylor等进行了3路拉曼光纤放大器的合成实验,最终产生了50 W的589 nm的钠黄光，是当时钠黄光的输出功率的最大值。2015年，王鹏等提出了一种基于锥棱镜和波片组合的偏振转换系统，运用末端偏振补偿技术，能较好地将自然偏振光转换为线偏振光。2017年，Yang等基于偏振控制提出的一种新颖的、可扩展的相干偏振光束组合(CPBC)方法，可以有效地组合具有任意功率比的不平衡光束，且光束的数量不一定是偶数，对各光束的功率也没有统一的要求，具有较大的应用潜力。

2.3 主动偏振控制技术在算法方面的进展

进入21世纪，控制算法的研究也是学术界的热点研究之一。近些年来，研究者通过将控制算法用于非保偏光的偏振控制中，取得了偏振消光比较高的偏振光输出，进而可以用于激光通信、相干合成等领域。在主动偏振控制技术中运用的主要算法包括模拟退火(SA)算法、粒子群优化(PSO)算法、快速搜索算法和SPGD算法等。

其中，SPGD算法按照梯度计算的方法不同，又可以分为单向扰动SPGD和双向扰动SPGD。不同算法的各种特性与其算法内部参数的选取相关。在大量的仿真的结果下，可以找到每种算法在不同场合下的最优参数。

在参数最优的情况下，可以得到SA算法具有最快的收敛速度，最不易陷入局部极值；SPGD算法的收敛速度相对较慢，较易陷入局部极值，但有最好的校正结果；PSO算法的收敛速度最慢，容易陷入局部极值，而且校正结果也不如前两种算法。

因此，SA算法和SPGD算法是在光学领域中比较具有应用前景的控制算法。另外，通过结合几种不同的算法，也可以产生新的算法，例如快速搜索算法，这些算法有可能会得到优于单独的算法的控制结果，因此，在光纤激光的主动偏振控制中，改进旧算法和研发新算法是提高输出激光偏振度的有效途径。

03

偏振相干合成及锁相算法简析

偏振相干合成就是通过PBC将两个相位差Δφ=mπ(m取整数)，偏振态相互正交的线偏振光合成一束。在理论上，如果两束光的相位差严格等于mπ，那么偏振合成后得到的依然是线偏振光，由此可以实现无限路数的扩展。若要实现扩展，需要对合成前的光进行严格的锁相控制。近些年来，国内外对于锁相研究的文献有很多，关于锁相的控制算法也是层出不穷，最常见的锁相算法有外差法、抖动法和其他一些优化算法。

相干合成时，将其中一束光作为参考光和其他光束作为主激光输出，由取样镜取样打在探测器阵列上，将光信号转化成电信号，输出的电信号中包含了相位差信号，可以解调出各路光的相位误差，再将误差施加到相位调制器上，实现闭环控制，就可以逐渐消除相位误差，实现锁相。

外差法有其局限性。由于光外差法要求参考光和信号光的光轴要严格平行，并且与探测器的平面严格垂直，因此对光路的要求极为苛刻。如果相干合成的路数增多，那么光轴平行的难度就会增加，而且相位误差检测的精确度也会下降，因此，这种锁相方法不适合用于多路光束的相干合成。

抖动法与外差法类似，其实验系统结构大致相同，不同之处在于抖动法是利用不同频率的高频振荡信号对相位调制器进行相位调制，这个调制信号就是相位噪声的载波，再通过带通滤波器就可以得到相位的噪声，并反馈到相位调制器，实现对多路激光相位的补偿。在进行多路光束的相干合成中，抖动法对锁相控制的精度要高于外差法。根据施加高频振荡信号的种类划分，抖动法可以分为单抖动、多抖动和单频正交抖动3种。

对于多路激光的锁相控制，同样可以使用多种控制算法实现。将多路激光的相位作为控制变量，对控制算法进行迭代优化，最终可使相干合成的性能评价函数达到最优值。

04

总结

主动偏振控制的研究对于相干合成非常重要。在功率较高的单路偏振光输出以及多路光的相干合成中，大多采用偏振预补偿控制技术，原因是这种技术是通过改变种子光的偏振态进而改变主激光偏振态，从主激光中获得少量样本便可以提取出其所有的偏振态信息作为反馈信号，但缺点是转化之后的偏振光的消光比不高，根据目前的报道，可得到的消光比最高不超过20 dB。

由于偏振末端补偿技术是对主激光直接进行偏振控制，因此不适合用于功率较高的场合，只能通过研制高损伤阈值的实验器材以提高其功率，这种补偿技术得到的激光消光比通常较高，具有偏振预补偿技术不可替代的优点。

对于偏振预补偿技术，不仅要追求更高的偏振消光比，还要追求更高功率的单路线偏光输出，其用途之一就是作为相干合成的信号光，以提高相干合成的功率；对于偏振末端补偿技术，应该积极地开发高损伤阈值的器件，同时要注重对光路的调试与优化，得到更高消光比的输出；对于单路偏振控制的算法，要积极地对算法进行改进，比较、总结各种算法的优缺点，以便保留优点，改进缺点；对于相干合成的锁相算法，不仅要注重改进算法，更要注重不同算法之间的结合，以提高控制带宽和相位误差的精度，也可以引入如电信等其他研究领域的概念，以更加完善相干合成理论，为研究服务。

参考文献：

尤阳 , 漆云凤 , 何兵 , 沈辉 , 邹星星 , 刘美忠 . . 光纤激光主动偏振控制技术的原理与进展. 光学学报, 2019, 56(10): 100001

微信分享

x

用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈

网站内容来源于互联网、原创，由网络编辑负责审查，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如因内容、版权问题存在异议的，请在 20个工作日内与我们取得联系，联系方式：021-80198330。网站及新媒体平台将加强监控与审核，一旦发现违反规定的内容，按国家法规处理，处理时间不超过24小时。