實(shí)驗(yàn)名稱：模擬湍流傾斜像差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

研究方向：本節(jié)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，完成了在小接收口徑下AFC校正模擬湍流傾斜像差，提高單模光纖耦合效率及其穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了頻譜分析，測(cè)得了AFC對(duì)模擬湍流的校正帶寬。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、光電探測(cè)器、自適應(yīng)光纖耦合器、激光器、湍流模擬器等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：?jiǎn)文９饫w耦合實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖1是利用AFC校正模擬湍流實(shí)驗(yàn)原理圖，該方案只是將之前方案中的快速傾斜反射鏡換成了湍流模擬器，這里模擬湍流是帶有一定風(fēng)速及溫度的氣流。AFC接收透鏡口徑D=18mm、焦距f=120mm，波長(zhǎng)為1064nm的平面光束經(jīng)過(guò)模擬湍流后波前發(fā)生畸變，畸變光束經(jīng)耦合透鏡聚焦到單模光纖纖芯，實(shí)現(xiàn)單模光纖耦合。單模光纖模場(chǎng)半徑w0=5μm，光電探測(cè)器（PD）位于單模光纖末端，用于探測(cè)耦合進(jìn)單模光纖的光能量，并將探測(cè)到的能量輸送到控制器，控制器產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)100倍高壓放大器（HVA）施加到AFC上，實(shí)現(xiàn)傾斜校正閉環(huán)控制。控制算法為SPGD算法，性能指標(biāo)為光電探測(cè)器探測(cè)到的光能量J，閉環(huán)迭代速率為625Hz。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2：存在模擬湍流時(shí)單模光纖耦合效率迭代曲線

加入模擬湍流，開(kāi)環(huán)與閉環(huán)各進(jìn)行10000次SPGD迭代得到單模光纖耦合效率隨時(shí)間的變化曲線，如圖2所示。AFC未校正模擬湍流傾斜像差時(shí)（開(kāi)環(huán)），10000次迭代單模光纖平均耦合效率<η>=30.07%，耦合效率MSE為7.28%，說(shuō)明模擬湍流使單模光纖耦合效率及穩(wěn)定性均明顯變差；當(dāng)AFC校正模擬湍流傾斜像差時(shí)（閉環(huán)），10000次迭代單模光纖平均耦合效率提升到了61.72%，十分接近實(shí)驗(yàn)獲得最大耦合效率67%，而耦合效率MSE降低到了2.16%，增加了單模光纖耦合效率穩(wěn)定性；故在小接收口徑下只需校正湍流傾斜像差即可獲得較好單模光纖耦合效率及穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。

圖3：耦合效率迭代曲線頻譜分析曲線

圖3是存在模擬湍流時(shí)單模光纖耦合效率迭代曲線的頻譜分析曲線。圖中實(shí)線是圖2中開(kāi)環(huán)時(shí)迭代曲線的頻譜分析曲線，由曲線可知開(kāi)環(huán)時(shí)，模擬湍流的擾動(dòng)能量分布隨頻率增加先緩慢減小然后再快速減小，擾動(dòng)主要分布在低頻成分（20Hz以內(nèi)），在80-90Hz之間含有一個(gè)擾動(dòng)能量較大的極值。圖中虛線是圖3中閉環(huán)時(shí)迭代曲線的頻譜分析曲線，對(duì)比開(kāi)環(huán)時(shí)頻率分析曲線可知，AFC校正傾斜像差明顯抑制了20Hz以內(nèi)的湍流擾動(dòng)能量，還增強(qiáng)了高頻率的擾動(dòng)能量，但增強(qiáng)部分的擾動(dòng)能量影響單模光纖耦合效率及穩(wěn)定性。故AFC校正模擬湍流的帶寬在20Hz左右。

實(shí)驗(yàn)證明AFC對(duì)模擬湍流的校正帶寬為20Hz左右，在小接收孔徑情況下，只需校正大氣湍流傾斜像差即可獲得較好的單模光纖耦合效率和穩(wěn)定性。

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審核編輯 黃宇