【资讯】单探测器+神经网络：上海交大实现激光相干合成 “一步锁相”

在高功率激光技术领域，单根光纤激光器的功率提升正面临着热效应、非线性效应以及模式不稳定等物理瓶颈的严峻挑战。为了突破这一限制，相干光束合成（Coherent Beam Combining, CBC）技术应运而生。该技术通过将多路激光束在相位上精确对齐并合成为一束，从而在保持优异光束质量的同时实现功率的稳定叠加。然而，随着合成通道数的增加和对外界环境干扰补偿速度要求的提高，传统的相位控制技术逐渐显得力不从心。传统的锁相方法，如随机并行梯度下降算法（SPGD）和基于单探测器电子频率标记的光学相干锁定技术（LOCSET），通常依赖迭代反馈回路。这意味着随着通道数量的增加，所需的迭代步数也随之增加，导致相位锁定的带宽受限，难以满足激光粒子加速器、相干放大网络等前沿应用对高速相位控制的迫切需求。

针对这一难题，上海交通大学信息与电子工程学院的研究团队提出了一种名为“物理信息相位估计器”（Physics-Informed Phase Estimator, 简称PIPE）的创新方案。PIPE是一种巧妙的“灰盒”模型，它深度融合了传统LOCSET技术的物理机制与人工智能神经网络的强大学习能力。其核心思想是利用单个光电探测器捕获合成光束的时间域强度信号，通过给每个子光束赋予独特的频率标签微扰，将各通道的相位差异编码到强度的波动中。随后，经过训练的神经网络能够直接从这些时间域波形中“一步”推断出各通道间的绝对相位差，从而实现实时相位校正。

图1 PIPE锁相系统框架

与以往依赖相机采集远场光斑图像进行相位控制的AI方法不同，PIPE仅使用一个高速光电探测器。这不仅避免了相机采集速度慢、数据量大的缺点，还极大地提高了控制带宽，显著降低了闭环延迟。研究团队在基于现场可编程门阵列（FPGA）的硬件平台上实现了该方案，并在四通道填充孔径相干光束合成系统中进行了实验验证。填充合成相比平铺孔径系统虽然能消除旁瓣能量损失、提高合成效率，但由于子光束空间重叠，难以直接提取空间相位信息，而PIPE通过引入时间域特征完美解决了这一痛点。

实验结果显示，PIPE技术取得了令人瞩目的性能提升。在相同的实验条件下，PIPE的平均收敛时间仅为31 μs，相比传统LOCSET的平均306.5 μs收敛时间，速度提升了近9.8倍。更令人兴奋的是，PIPE实现“一步锁相”的概率高达96.81%，而LOCSET仅为5%。这意味着系统几乎可以在瞬间完成相位校准，极大地增强了系统对抗环境扰动的能力。在锁定精度方面，PIPE同样表现出色，残余相位误差低至λ/45，合成效率高达98%，与LOCSET相当甚至略优。此外，由于PIPE在相位估计阶段无需持续的正弦扰动，其在低频噪声抑制方面也展现出了一定优势。

图2 相同硬件下，PIPE对比LOCSET实验收敛时间统计

研究还进一步探讨了PIPE技术的通道扩展性。通过数值仿真发现，虽然随着通道数增加，相位空间呈指数级扩大，对训练数据量提出了更高要求，但PIPE在少通道系统中表现尤为卓越。对于未来大规模通道系统，研究团队提出了一种混合策略：利用PIPE快速将系统功率提升至90%以上，再结合LOCSET进行长期的精细锁相，这种组合有望在大型CBC系统中发挥巨大潜力。此外，本研究还成功验证了实验系统和仿真系统的对齐，通过调整物理参数可以将二者波形匹配，生成多样化的训练数据集，从而显著提升PIPE模型在面对实际系统各种复杂工况（如通道功率不平衡）时的泛化能力和鲁棒性。这为PIPE技术在更广泛场景下的部署和应用奠定了坚实基础。

PIPE技术的成功演示，标志着相干光束合成领域在智能化、高速化方向迈出了重要一步。它不仅不依赖复杂的空间光斑信息，天然适用于填充孔径合成系统，而且具有通用的推广价值。无论是连续波还是脉冲激光系统，PIPE都展现出了良好的适应性。随着网络架构的优化和训练数据的丰富，PIPE有望成为未来高功率激光合成系统中的标准相位控制方案，为激光核聚变、空间通信、高能物理加速器等国家战略需求提供强有力的核心技术支撑。这项成果不仅解决了当前多通道合成中的速度瓶颈，更为下一代超高功率激光系统的构建开辟了新的技术路径。

参考文献： 中国光学期刊网

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