《Optics & Laser Technology》：Experimental phase compensation of a 5167-beam array by two-dimensional image processing
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摘要相干波束合成（CBC）为提升激光功率提供了一条稳健的技术路径，然而随着阵列通道数增加，传统的相位控制方法面临显著瓶颈。在本研究中，我们展示了一种基于二维（2D）图像处理控制方案、针对 5167 通道波束阵列的有效相位补偿。在相位补偿作用下，桶内功率（PIB）从 0.48%
摘要
相干波束合成（CBC）为提升激光功率提供了一条稳健的技术路径，然而随着阵列通道数增加，传统的相位控制方法面临显著瓶颈。在本研究中，我们展示了一种基于二维（2D）图像处理控制方案、针对 5167 通道波束阵列的有效相位补偿。在相位补偿作用下，桶内功率（PIB）从 0.48% 提升至 45.53%，归一化小孔平均强度提高了 135 倍。与此同时，在动态活塞噪声作用下，相位残余仅为 λ/20。据我们所知，这是迄今为止在实测动态噪声条件下实验验证的最大规模 CBC 阵列。
引言
相干波束合成（CBC）通过相位锁定，可在保持近衍射极限光束质量的同时提升激光系统的功率与亮度，是一条稳健的技术路线 [1]、[2]、[3]、[4]。它已成为多种高功率需求应用中的基石技术，涵盖定向能与远距离传输、遥感与激光雷达、粒子加速以及先进制造等领域 [5]、[6]、[7]、[8]。然而，在实际应用中实现高性能相位锁定仍然面临若干关键瓶颈：高精度相位传感、快速闭环控制、对通道间不一致的固有敏感性，以及环境扰动 [9]、[10]、[11]、[12]、[13]。尤为关键的是，当阵列通道数扩展至数千量级时，这些挑战会相互叠加，而在此超大规模下 CBC 的实验验证仍基本处于未探索状态。因此，在 CBC 技术能够可靠扩展至包含数千通道的阵列之前，亟需可拓展的相位传感与补偿方法。
研究人员已就相位锁定方法开展了大量研究，以应对 CBC 系统的可扩展性限制。随机并行梯度下降（SPGD）算法至今仍是迭代优化的基准方法。2005 年，Liu 等人首次将 SPGD 应用于拼接式光纤阵列 [14]。2020 年，Fsaifes 等人将系统扩展至 61 通道，相位残余为 λ/55 RMS [15]；Chang 等人则实现了 107 通道 CBC 系统，相位残余为 λ/22 [16]。然而，随着通道数增加，SPGD 的收敛速度通常会受到越来越严重的制约，这促使人们探索基于神经网络的更高效控制方案 [17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。2021 年，Wang 等人利用全连接网络实现了 81 通道 CBC 系统，相位残余为 λ/18 RMS [17]。此后，Zhou 等人将 100 通道 CBC 系统的相位残余抑制至 λ/70 [19]，Liu 等人则利用深度卷积神经网络实现了 1027 通道的相位锁定 [22]。
尽管神经网络表现出令人瞩目的性能，但其部署在超大规模系统中时，可能受到高昂训练需求的限制。结合二维（2D）图像处理的干涉技术作为一种高度并行的替代方案应运而生，并展现出卓越的可扩展性。相关概念在早先的激光阵列相位控制研究中已被探讨，包括干涉测量与基于相关性的相位提取 [23]，以及此前关于拼接阵列相位传感的工作 [24]。近年来，Chang 等人将此类方法扩展至大规模 CBC 系统中的活塞相位提取与校正 [25]。随后的实验验证在 397 通道和 1027 通道波束阵列中实现了基于图像的相位稳定 [26]、[27]。然而，进一步扩展至数千量级仍是严峻挑战，相关方向的研究仍有待深入。
在本工作中，我们研究了一种面向超大规模 CBC 系统、基于二维图像的相位补偿方法的可扩展性。我们在动态活塞噪声条件下，对创纪录的 5167 通道波束阵列实验性地实现了相位补偿。经相位补偿后，桶内功率（PIB）从 0.48% 提升至 45.53%，归一化小孔平均强度提高 135 倍，相位残余优于 λ/20。此外，我们分析并讨论了相位残余随阵列通道数变化的依赖性。这些结果表明，该方法在 5167 通道的仿真阵列中实现了有效相位补偿，并为二维图像处理方法向具有更多可控元件的 CBC 系统扩展提供了实验依据。
章节摘要
方案原理
二维图像处理方法通过干涉实现相位的并行获取，其基本原理如图 1 所示。一束略微倾斜的参考光束与波束阵列发生干涉，为每个子光束产生局部载波条纹。波束阵列与参考光束干涉后，每个通道均产生独立的干涉图样。这些图样随后由主动相位控制模块进行处理，该模块直接计算并施加所需的
结果与讨论
为模拟真实工作条件，施加于 5167 通道波束阵列的活塞相位噪声源自一台 4 kW 光纤放大器上测得的实验数据，该数据已在文献 [24] 中给出，此处为简洁起见不再赘述。系统性的相位补偿流程如图 5 所示。
具体而言，图 5(a) 展示了施加于 SLM1 的初始活塞相位噪声分布。该光束与参考光束干涉后，所形成的干涉图样由一台相机
结论
综上所述，我们展示了一种基于二维图像处理的控制方案、针对 5167 通道波束阵列的有效相位补偿。在动态活塞噪声作用下，经相位补偿后 PIB 从 0.48% 提升至 45.53%，归一化小孔平均强度提高 135 倍。此外，随着阵列通道数从 397 增加至 5167，相位残余仅从 λ/31 劣化至 λ/20，表明该方法能够维持有效的
作者贡献声明
金旭（Jin Xu）：论文撰写–初稿、可视化、软件、方法学、研究、形式化分析。詹成（Zan Cheng）：验证。邹涛华（Taohua Zhu）：软件。刘伟（Wei Liu）：论文撰写–审阅与编辑、形式化分析。马鹏飞（Pengfei Ma）：论文撰写–审阅与编辑、资源支持、项目管理、资助获取、概念构思。王泽锋（Zefeng Wang）：监督指导、资源支持。陈金宝（Jinbao Chen）：监督指导、资源支持、项目管理。
基金资助
本工作由国家自然科学基金委员会（编号：62075242）资助。
利益冲突声明
作者声明，其不存在任何已知可能影响本文所述工作的财务利益冲突或人际关系。
金旭 | 詹成 | 邹涛华 | 刘伟 | 马鹏飞 | 王泽锋 | 陈金宝
