安泰高压放大器在模拟湍流倾斜像差补偿实验中的应用

实验名称：模拟湍流倾斜像差补偿实验

研究方向：本节在实验室内，完成了在小接收口径下AFC校正模拟湍流倾斜像差，提高单模光纤耦合效率及其稳定性的实验，并且对实验结果进行了频谱分析，测得了AFC对模拟湍流的校正带宽。

测试设备：高压放大器、光电探测器、自适应光纤耦合器、激光器、湍流模拟器等。

实验过程：

图1：单模光纤耦合实验装置图

图1是利用AFC校正模拟湍流实验原理图，该方案只是将之前方案中的快速倾斜反射镜换成了湍流模拟器，这里模拟湍流是带有一定风速及温度的气流。AFC接收透镜口径D=18mm、焦距f=120mm，波长为1064nm的平面光束经过模拟湍流后波前发生畸变，畸变光束经耦合透镜聚焦到单模光纤纤芯，实现单模光纤耦合。单模光纤模场半径w0=5μm，光电探测器（PD）位于单模光纤末端，用于探测耦合进单模光纤的光能量，并将探测到的能量输送到控制器，控制器产生控制信号，控制信号经过100倍高压放大器（HVA）施加到AFC上，实现倾斜校正闭环控制。控制算法为SPGD算法，性能指标为光电探测器探测到的光能量J，闭环迭代速率为625Hz。

实验结果：

图2：存在模拟湍流时单模光纤耦合效率迭代曲线

加入模拟湍流，开环与闭环各进行10000次SPGD迭代得到单模光纤耦合效率随时间的变化曲线，如图2所示。AFC未校正模拟湍流倾斜像差时（开环），10000次迭代单模光纤平均耦合效率<η>=30.07%，耦合效率MSE为7.28%，说明模拟湍流使单模光纤耦合效率及稳定性均明显变差；当AFC校正模拟湍流倾斜像差时（闭环），10000次迭代单模光纤平均耦合效率提升到了61.72%，十分接近实验获得最大耦合效率67%，而耦合效率MSE降低到了2.16%，增加了单模光纤耦合效率稳定性；故在小接收口径下只需校正湍流倾斜像差即可获得较好单模光纤耦合效率及稳定性，实验结果与仿真结果相吻合。

图3：耦合效率迭代曲线频谱分析曲线

图3是存在模拟湍流时单模光纤耦合效率迭代曲线的频谱分析曲线。图中实线是图2中开环时迭代曲线的频谱分析曲线，由曲线可知开环时，模拟湍流的扰动能量分布随频率增加先缓慢减小然后再快速减小，扰动主要分布在低频成分（20Hz以内），在80-90Hz之间含有一个扰动能量较大的极值。图中虚线是图3中闭环时迭代曲线的频谱分析曲线，对比开环时频率分析曲线可知，AFC校正倾斜像差明显抑制了20Hz以内的湍流扰动能量，还增强了高频率的扰动能量，但增强部分的扰动能量影响单模光纤耦合效率及稳定性。故AFC校正模拟湍流的带宽在20Hz左右。

实验证明AFC对模拟湍流的校正带宽为20Hz左右，在小接收孔径情况下，只需校正大气湍流倾斜像差即可获得较好的单模光纤耦合效率和稳定性。

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审核编辑 黄宇