本發(fā)明的領(lǐng)域?yàn)榇罅炕炯す庠吹南喔珊铣傻念I(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光源的相干合成特別適用于高功率激光源的產(chǎn)生和/或超短脈沖源情況下的高能量激光源(例如，脈沖寬度小于1皮秒)的產(chǎn)生。

高功率(或者高能量)以及高亮度激光源的獲得目前受限于增益材料的通量穩(wěn)定性。對(duì)于這個(gè)問題的一種方案是并行地在多個(gè)增益介質(zhì)上分布放大。這需要從每個(gè)增益介質(zhì)輸出的激光束同相，從而確保全部激光束的最佳相干合成。因此，有必要?jiǎng)討B(tài)地補(bǔ)償由于經(jīng)過并聯(lián)連接的增益介質(zhì)(例如，光纖放大器)的組件的傳播而在大量M個(gè)激光束中引入的延遲。一旦鎖相，M個(gè)新生激光束相長干涉，且因而形成亮度為基本放大器的亮度的M倍的源，并且保持其束狀質(zhì)量(例如，在單模光纖的情況下，受限于衍射)。因此，設(shè)置與發(fā)射器一樣多的鎖相環(huán)是一個(gè)問題。

用于調(diào)整激光源的相位的架構(gòu)可以根據(jù)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來分類。第一種是光束在空間上合成或者疊加的方式。因而，兩個(gè)族可以被區(qū)分：

平鋪孔徑合成：M個(gè)激光束被準(zhǔn)直并具有平行的傳播方向。這種合成模式是雷達(dá)波束成形天線的光學(xué)等效物。平鋪孔徑具有強(qiáng)的主瓣和寄生旁瓣。

填充孔徑合成：通過使用偏振器或衍射光學(xué)元件(DOE)將M個(gè)光束疊加在近場中。填充孔徑合成方法的優(yōu)點(diǎn)是其效率，因?yàn)樵谶@種情況下在遠(yuǎn)場中沒有旁瓣。

接下來是誤差信號(hào)的性質(zhì)以及將使得可以在激光源之間的相位上抵消它以及優(yōu)化它們的相干相加的處理?；旧嫌糜诩す馐南喔珊铣傻乃姆N方法被區(qū)分，根據(jù)包含在負(fù)反饋信號(hào)中的信息量分類：

稱作為“爬山”方法的方法：通過抽取合成能量的一部分簡單地形成誤差信號(hào)，該部分通過改變要合成的M個(gè)通道(光束)的相位而被最大化。該技術(shù)基于具有M-1維度的基于梯度的優(yōu)化算法。在這種情況下，復(fù)雜性在于處理算法，作為標(biāo)量信號(hào)的誤差信號(hào)是非常簡單的且低成本的。該方法的缺點(diǎn)是環(huán)路的帶寬，其變化1/M。因此，該方法更適合于少量的合成光束，通常小于10個(gè)。

稱為OHD(光學(xué)外差檢測)方法的方法。在該方法中，由每個(gè)發(fā)射器相對(duì)于參考光束的相位的測量組成的誤差信號(hào)是矢量信號(hào)；每個(gè)通道使用一個(gè)檢測器。通過外差混頻和解調(diào)并行地進(jìn)行M個(gè)測量。該方法的缺點(diǎn)為：

利用了RF部件，這增加了每個(gè)通道的成本；

借助于參考光束；

在合成之前測量的并且不保證最佳合成質(zhì)量的誤差信號(hào)：其不能補(bǔ)償相位測量平面與合成平面之間的相位波動(dòng)。因此，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

稱為LOCSET或同步多重抖動(dòng)方法的方法。對(duì)于爬山方法，該方法使用合成能量的一部分作為誤差信號(hào)，但是在這種情況下，來自各個(gè)通道的貢獻(xiàn)通過在其專有頻率處的RF調(diào)制對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行“頻率標(biāo)記”來識(shí)別。然后通過使用參考光束的外差混頻來獲得每個(gè)光束的誤差信號(hào)。該方法是有利的，因?yàn)槠鋬H需要一個(gè)檢測器，并且快速相位調(diào)制器的可用性允許設(shè)想大量的通道。另一方面，該方法在負(fù)反饋回路(混頻器、調(diào)制器等)中需要大量的RF部件，由此顯著地增加系統(tǒng)的每個(gè)通道的成本。在這種情況下，通過以相同的頻率在時(shí)間上順序地調(diào)制每個(gè)光束，獲得類似的信號(hào)，但是對(duì)系統(tǒng)的帶寬具有負(fù)面影響。

直接測量發(fā)射器之間的相位的方法，其中，誤差信號(hào)為從待合成的光束彼此干涉或者與參考光束干涉的干涉圖提取的相位的映射。這種直接干涉測量方法是共同的：通過由陣列傳感器記錄單個(gè)圖像來獲得所有相位，并且因此完全地適用于大量發(fā)射器。所使用的成像器的成本要除以通道的數(shù)量，且因此不是決定性的。另一方面，系統(tǒng)的帶寬可以受限于所使用的傳感器，特別是在紅外線中。然而，這不是基本限制。最后，對(duì)于OHD方法，在合成之前測量相位；它不能補(bǔ)償相位測量平面與合成平面之間的相位波動(dòng)，因此不能保證最佳的合成質(zhì)量。因此，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

下表總結(jié)了相干合成技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)?；疑膯卧癖硎久糠N方法的缺點(diǎn)。

因此，目前沒有用于激光束的相干合成的現(xiàn)有架構(gòu)，其同時(shí)滿足如下的條件：環(huán)路帶寬>1kHz，光束數(shù)量可能為100、1000或甚至更高，操作無校準(zhǔn)(在合成平面中的誤差信號(hào))且低成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的上下文涉及其中激光束使用衍射光學(xué)元件(DOE)在空間上合成的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)基于該衍射元件的原始使用，其除了提供光束的空間合成之外還允許產(chǎn)生創(chuàng)新的誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)使得可以補(bǔ)償激光源之間的相位差。該誤差信號(hào)由衍射合成元件的較高階衍射的強(qiáng)度來計(jì)算。這種誤差信號(hào)允許滿足所有上述條件。

更具體地，本發(fā)明的主題為一種用于調(diào)整具有以λ₀為中心的相同波長的M個(gè)激光源的相位的系統(tǒng)，所述M個(gè)激光源具有周期性的空間配置，M為大于2的整數(shù)，該系統(tǒng)包括：

用于將從源產(chǎn)生的M個(gè)光束準(zhǔn)直和引導(dǎo)到具有周期性相位光柵的合成衍射光學(xué)元件上的裝置，其中入射角在每個(gè)光束之間不同，這些入射角根據(jù)光柵的周期來確定；以及

用于基于從合成光束產(chǎn)生的負(fù)反饋信號(hào)來控制所述源的相位的裝置。

其主要特征是，該系統(tǒng)包括：

用于抽取合成光束的一部分的裝置；

在合成光束的該部分的路徑上的傅里葉透鏡，所述傅里葉透鏡具有物平面和像平面，其中合成衍射光學(xué)元件在其物平面中；

傅里葉透鏡的像平面中的檢測器陣列，其能夠檢測合成光束的該部分的強(qiáng)度分布；

用于基于這些強(qiáng)度分布來計(jì)算負(fù)反饋信號(hào)的裝置。

實(shí)際上獲得了矢量誤差信號(hào)(其大小由所測量的較高階衍射的數(shù)量給出)，但是不需要使用RF部件。此外，由于優(yōu)化不針對(duì)鎖相(參見OHD和直接干涉測量技術(shù))，而是(通過使較高階的強(qiáng)度最小化)直接針對(duì)合成強(qiáng)度，所以系統(tǒng)在其原理上不要求校準(zhǔn)。

因此組合了以下優(yōu)點(diǎn)：

對(duì)于LOCSET和爬山方法，在合成平面中產(chǎn)生誤差信號(hào)，因此不需要校準(zhǔn)。

誤差信號(hào)由一組非冗余測量組成，其使得通過簡單的處理操作能夠產(chǎn)生負(fù)反饋信號(hào)。

每個(gè)通道(光束)的系統(tǒng)成本相對(duì)較低，因?yàn)樗簧婕叭魏蜶F元件，并且每個(gè)通道僅需要一個(gè)檢測器。

該系統(tǒng)與大量通道兼容，并且具有大于1kHz的帶寬。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，用于計(jì)算負(fù)反饋信號(hào)的裝置包括用于通過如下限定的矩陣的逆矩陣來計(jì)算在檢測器陣列的平面中檢測到的強(qiáng)度分布的乘積的裝置：所述矩陣由通過在一個(gè)周期上將合成衍射光學(xué)元件的相位展開成傅里葉級(jí)數(shù)而獲得的系數(shù)限定，如果M是奇數(shù)則所述矩陣的大小為(2M-1)×(2M-1)，如果M為偶數(shù)則所述矩陣的大小為2M×2M。

通常，M＞100。

優(yōu)選地，源被布置成一維或者二維空間配置。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，從激光源產(chǎn)生的光束具有同一出射平面，則系統(tǒng)包括具有物平面和像平面的另一傅里葉透鏡，激光源的出射平面位于物平面中，合成衍射光學(xué)元件位于像平面中。

附圖說明

通過閱讀以下作為非限制性示例并且參照所附附圖給出的具體描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，在所述附圖中：

圖1示意性地示出了使用衍射光學(xué)元件作為用于從“M到1”(在附圖的示例中為5到1)合成光束的裝置；

圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性的調(diào)整相位的系統(tǒng)；

圖3示意性地顯示了衍射光學(xué)元件的強(qiáng)度分布，該衍射光學(xué)元件用作從1到M(在附圖的示例中，從1到5)的分束器(圖3a)，或用作用于從M到1(在附圖的示例中，從5到1)合成光束的裝置，其中強(qiáng)度分布通過衍射光學(xué)元件衍射。

相同的元件在每個(gè)圖中具有相同的附圖標(biāo)記。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的上下文是這樣的系統(tǒng)，其首先基于使用衍射光學(xué)元件1(或DOE)作為用于合成各個(gè)激光束10的裝置，如圖1的示例所示。激光束10以由DOE的空間周期限定的角度入射在DOE 1上。一旦光束被鎖相，并且具有最佳相位分布(由DOE設(shè)置)，則所有光束在DOE 11b的階0(＝主階)處相長干涉，并且在較高階11a處相消干涉。

本發(fā)明的原理是使用在DOE的較高階處衍射的強(qiáng)度分布11a作為誤差信號(hào)，以便優(yōu)化合成，如圖2的示例所示。在我們的方法中，對(duì)于LOCSET和爬山技術(shù)，在鏈的末端(即，在DOE之后)測量誤差信號(hào)，從而允許考慮光束所受到的所有干擾。將注意到，如果圖2的示例示出了激光束的線性布置，并且因此示出了一維DOE，則所提出的解決方案等同地應(yīng)用于激光束的二維布置和二維DOE。

參照?qǐng)D2來描述根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)整M個(gè)激光源的相位的系統(tǒng)。M個(gè)激光源具有以λ₀為中心的相同波長。這些激光源可以為脈沖源；脈沖寬度也可以小于10^-12s。

該系統(tǒng)包括：

M個(gè)相位調(diào)制器：在每個(gè)激光源的輸出端有一個(gè)調(diào)制器4。

合成DOE 1，其具有具有預(yù)定空間周期的相位光柵，位于傅里葉透鏡14的像平面中：從調(diào)制器產(chǎn)生的M個(gè)光束通過該傅里葉透鏡14被引導(dǎo)到DOE 1上。每個(gè)光束以由DOE的空間周期限定的特定入射角照射DOE。

用于抽取合成光束11的一部分12的裝置，其可以是高反射率鏡5(例如，抽取1％)或偏振立方體分束器。優(yōu)選地選擇抽取<1/M。合成光束的另一部分形成系統(tǒng)的輸出光束13。

在物平面中的第二傅里葉透鏡6，其中合成DOE 1位于物平面中。

在第二傅里葉透鏡6的像平面(＝平面B)中的檢測器7的矩陣，其能夠檢測由DOE 1合成的光束的衍射級(jí)的一部分的強(qiáng)度分布11b，11a。

用于從檢測器陣列的平面中的這些分布計(jì)算負(fù)反饋信號(hào)的裝置8。這些計(jì)算裝置8連接到M個(gè)相位調(diào)制器4，以便控制它們。

M個(gè)光束可以采用各種方式被引導(dǎo)到DOE 1。在DOE的上游，該系統(tǒng)包括，例如：

同一主振蕩器2，其連接到“1到M”耦合器3，以便產(chǎn)生M個(gè)激光源；

可能地，分別連接至相位調(diào)制器4的M個(gè)放大器9。

M個(gè)激光束(由放大器或調(diào)制器產(chǎn)生)的出射平面(＝平面A)以圖2所示的間距P的空間周期性配置位于傅里葉透鏡14的物平面中。

根據(jù)一個(gè)替選方案，M個(gè)激光源具有與每個(gè)源相關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)直透鏡，并且以周期性的角度和空間配置直接定位，使得光束以由DOE的空間周期限定的特定入射角照射合成DOE。

現(xiàn)在考慮用于計(jì)算負(fù)反饋信號(hào)的裝置8。因此，由這些計(jì)算裝置解決的問題是：

問題的變量是由從每個(gè)激光源產(chǎn)生的電磁場的疊加形成的電磁場的空間分布。

假定電磁場的強(qiáng)度分布在兩個(gè)獨(dú)立的平面中是已知的：源的出射平面(圖2中的平面A)中的均勻(或測量)分布I_A和由DOE(在圖2的平面B中)合成之后測量的分布I_B。

目的是計(jì)算在平面A和B中相位和的分布，使得從A至B數(shù)字傳播的電磁場給出

這個(gè)問題類似于來自于例如在天文學(xué)中遇到的強(qiáng)度的圖像失真的相位像差的測量的問題。用于解決這個(gè)問題的示例性方法可以在文獻(xiàn)中找到。可以引用以下出版物：R.G.Paxman和J.R.Fienup，“使用相位差異的光學(xué)不對(duì)準(zhǔn)感測和圖像重建(Optical misalignment sensing and image reconstruction using phase diversity)”，J.Opt.Soc.Am.A 5,914-923(1988)，或者J.N.Cederquist、J.R.Fienup、C.C.Wackerman、S.R.Robinson和D.Kryskowski，“傅里葉強(qiáng)度測量的波前相位估計(jì)(Wave-front phase estimation from Fourier intensity measurements)”，J.Opt.Soc.Am.A 6,1020-1026(1989)，或者R.G.Paxman、T.J.Schulz、J.R.Fienup，“通過使用相位差異聯(lián)合估計(jì)物體和像差(Joint estimation of object and aberrations by using phase diversity)”J.Opt.Soc.Am.A 9，1072-1085(1992)。

這種類型的方法的主要缺點(diǎn)是它們使用數(shù)字傅里葉變換(用于在尋求解的過程中涉及從A到B的光傳播的類型的計(jì)算)，其可能涉及長的計(jì)算時(shí)間(通常比1s長得多)。

在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中，相位計(jì)算的主要簡化是由于經(jīng)由已知矩陣通過簡單相乘而實(shí)現(xiàn)從平面A的電磁場分布計(jì)算平面B中的電磁場分布。

具體地，對(duì)于在A中考慮的M個(gè)激光束，在A中的電場分布可以根據(jù)M的奇偶性寫成：

如果M＝2N+1，或者：

如果M＝2N。

否則：

其中：

ω為光束(假定為高斯)在平面A中的束腰；

P為光束在平面A中的位置的周期；

α_k是在第k個(gè)光束的幅度方面的加權(quán)系數(shù)(在這種情況下，例如，對(duì)于M＝2N+1時(shí)-N和+N之間的k，以及對(duì)于M＝2N時(shí)-N+1和+N之間的k，α_k＝1；否則，α_k＝0)；

為第k個(gè)光束的光相位；

δ為單位脈沖(Dirac)函數(shù)，以及*為卷積運(yùn)算符。

在DOE的平面中的場通過E_A(x)的傅里葉變換并且與DOE的相位方面的傳輸函數(shù)相乘來獲得：

通過E_DOE(u)的傅里葉變換再次獲得傳播至測量平面(平面B)的場：

此外，由于DOE的相位(通過其結(jié)構(gòu))是周期為1/P(u被認(rèn)為在遠(yuǎn)場中)的周期函數(shù)，所以可以寫成其傅里葉級(jí)數(shù)的形式：

且因此：

計(jì)算用于將M個(gè)光束合成為一個(gè)的合成DOE。相反，由相同DOE衍射的單個(gè)光束將基本上產(chǎn)生其強(qiáng)度具有相同階數(shù)(≈I₁)的M個(gè)光束(稱為主光束)和較低強(qiáng)度I₂(I₂＜＜I₁)的無窮多個(gè)較高階。換言之，這意味著系數(shù)c_k的以下關(guān)系：

對(duì)于M＝2N+1時(shí)-N和+N之間的k以及對(duì)于M＝2N時(shí)-N+1和+N之間的k，|c_k|²≈1/M，

否則|c_k|²＜＜1/M。

因此，對(duì)于下述情形，上述E_B(x)的表達(dá)式的項(xiàng)c_k+hα_h可以具有不可忽略的值：

對(duì)于M＝2N+1，[-N≤k+h≤+N]∪[-N≤h≤+N]，或者

對(duì)于M＝2N，[-N+1≤k+h≤+N]∪[-N+1≤h≤+N]。

或者：

對(duì)于M＝2N+1，k∈{-2N+1，…，+2N}，或者

對(duì)于M＝2N，k∈{-2N+1，…，+2N}。

一般來說，對(duì)于M＝2N+1，E_B(x)的表達(dá)式因此可以被認(rèn)為是對(duì)于從-2N到+2N截?cái)嗟乃饕齥和h是精確的：

或者對(duì)于M＝2N，-2N+1至+2N：

然后對(duì)于M＝2N+1的情況，矩陣乘積的表達(dá)式被識(shí)別并寫出如下：

或者：

其中，E_A，k(以及E_B,k，分別地)為場E_A(x)(以及E_B(x)，分別地)的復(fù)合加權(quán)系數(shù)，使得在x＝kP附近：

H_DOE為由DOE的相位在一個(gè)周期上展開成的傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)c_k限定的矩陣。因此，通過構(gòu)建DOE，該矩陣是先驗(yàn)已知的。如上所示，實(shí)際上，對(duì)于合成M個(gè)激光束計(jì)算的DOE，其中奇數(shù)M等于2N+1，在傅里葉級(jí)數(shù)中需要2M-1個(gè)系數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)相等：

對(duì)于等于2N的偶數(shù)M，則需要2M個(gè)系數(shù)以具有：

在圖3a和3b中還示出了在M＝2N+1的情況下2M-1個(gè)系數(shù)的這種非限制性選擇，因?yàn)橹挥须A數(shù)-2N到+2N的衍射級(jí)(即對(duì)于k∈{-2N，…，2N}，在平面B中x＝kP附近)具有對(duì)于計(jì)算有意義的強(qiáng)度。

因此，M個(gè)光束從平面A至平面B的光傳播經(jīng)由如果M是奇數(shù)則大小為(2M-1)×(2M-1)、如果M是偶數(shù)則大小為2M×2M的矩陣(矩陣H_DOE)與矢量E_A的簡單乘積來計(jì)算。在通常方法中使用的傅里葉變換已經(jīng)被該矩陣H_DOE代替。因此，從光電檢測器的陣列在平面B中檢測的電磁場分布計(jì)算在平面A中的電磁場分布，通過該矩陣H_DOE的逆矩陣與在平面B中檢測到的強(qiáng)度分布的簡單乘積來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)這樣在平面A中計(jì)算的電磁場分布，以常規(guī)方式計(jì)算相位。平面A中的電磁場分布的這種簡化計(jì)算基本上加快了相位計(jì)算算法(＝計(jì)算負(fù)反饋信號(hào))，例如迭代或搜索最大類型，并且使得即使對(duì)于數(shù)千個(gè)光束，這些用于計(jì)算負(fù)反饋信號(hào)的裝置也能實(shí)時(shí)地實(shí)施。作為示例性的迭代相位計(jì)算，可以引用在以下公開文本中描述的計(jì)算：

-J.Markham和J.A.Conchello，“參數(shù)盲解卷積：用于同時(shí)估計(jì)圖像和模糊的魯棒方法(Parametric blind deconvolution:a robust method for the simultaneous estimation of image and blur)”，J.Opt.Soc.Am.A 16(10)，2377-2391(1999)；

-J.R.Fienup，“相位檢索算法：比較(Phase retrieval algorithms:a comparison)”，Appl.Opt.21(15)，2758-2769(1982)。

在示例中，合成DOE通過傳輸來工作，但是根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)在利用反射DOE時(shí)保持有效。