一种光横向模式控制系统及控制光横向模式转换的方法

摘要

本发明提供一种光横向模式控制系统及控制光横向模式转换的方法，涉及激光领域，其中，所述系统包括，初始条件控制模块、边界条件控制模块和控制器，所述控制器与所述初始条件控制模块和所述边界条件控制模块相连；所述控制器，用于根据初始条件向所述初始条件控制模块发送第一信号，以使所述初始条件控制模块将所述原始模式的光场转换成中间模式的光场；所述控制器，还用于根据边界条件向所述边界条件控制模块发送第二信号，以使所述边界条件控制模块将所述中间模式的光场转换成目标模式的光场。上述系统实现光模式控制转换过程中对于光的损耗较低，利于实际应用。

说明书

技术领域

本发明涉及激光领域，尤其涉及一种光横向模式控制系统及控制光横向模式转换的方法。

背景技术

激光是二十世纪最伟大的科学发明之一，它与传统光源相比，具有方向性好、相干性好、发散角小、亮度高等独特的优势。近几十年来，随着科学和社会不断发展，对激光的要求越来越高，也致使激光技术的发展也越来越迅猛，在工业、医疗、航天、科研等众多领域内都起到了巨大的影响力，并带动了激光光谱学、激光通信、激光测量、激光成像、激光治疗、激光加工、激光核聚变等一批新兴学科的发展。在这个科学技术蓬勃发展的时代里，激光技术是一项具有革命意义的高技术，以激光技术为核心的高新产业获得了迅猛发展，并发挥着不可替代的关键作用，成为国民经济建设和社会发展的重要驱动力量，对整个国家，整个社会都有着重大的战略、全局意义。

在激光技术的发展历程中，出现了各种类型的激光器，如气体激光器，染料激光器，化学激光器，全固态激光器，自由电子激光器，推动激光器的性能不断提高,已成为当前国内外研究热点之一。对激光器应用而言，激光光束的光束发散角、光束直径和能量分布都是其重要参数，同时在不同的应用环境中(比如激光瞄准、激光锁、激光医疗、激光探测等等)对激光器的光束发散角、光束直径和能量分布有着不同的使用要求。

激光器的光束发散角、光束直径和能量分布等取决于横模，一般来说，如果没有采取特殊的措施来限制、控制横模，不同的激光器会产生多种模式，为了输出特殊的模式，并将不同的激光模式转化为同种模式进而提高在特定场合激光的传输和使用效率，因此需进行横模 控制与转换。传统的横模控制方式有，腔内模式控制，如腔内滤波法、腔内衍射损耗法，外腔模式控制，如自适应光学矫正等。然而现有的横模控制方式损耗高，不利于广泛的应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出了解决上述技术问题的一种光横向模式控制系统及控制光横向模式转换的方法，可实现低损耗的对光横向模式的控制转换。

第一方面，本发明提供一种光横向模式控制系统，包括：初始条件控制模块、边界条件控制模块和控制器，所述控制器与所述初始条件控制模块和所述边界条件控制模块相连；

所述控制器，用于获取原始模式的光场转换成中间模式的光场的初始条件，根据所述初始条件向所述初始条件控制模块发送第一信号，以使所述初始条件控制模块将所述原始模式的光场转换成中间模式的光场；

所述控制器，还用于获取中间模式的光场转换成目标模式的光场的边界条件，根据所述边界条件向所述边界条件控制模块发送第二信号，以使所述边界条件控制模块将所述中间模式的光场转换成目标模式的光场。

优选的，所述系统包括至少一个第一初始条件控制模块和/或至少一个第二初始条件控制模块。

优选的，所述第一初始条件控制模块包括闪耀光栅和耦合透镜，所述耦合透镜设置于所述闪耀光栅出光方向上。

优选的，所述第二初始条件控制模块包括F-P标准具和耦合透镜，所述耦合透镜设置于所述F-P标准具的出光方向上。

优选的，所述边界条件控制模块包括电场敏感光纤和外电场装置，所述外电场装置包裹在所述电场敏感光纤外围，用于改变所述电场敏感光纤的电场参数；

或者

所述边界条件控制模块为光子晶体光纤。

优选的，所述第一初始条件控制模块还包括分光反射镜、光电反馈器和信号电缆，所述分光反射镜设置于所述闪耀光栅和所述耦合透镜之间，所述光电反馈器设置于所述分光反射镜的出光口方向，所述分光反射镜接收所述闪耀光栅发送的光场，并反射给所述光电反馈器，所述光电反馈器用于将接收到的光场转换为电信号，并通过所述信号电缆发送至所述闪耀光栅。

优选的，所述第二初始条件控制模块还包括分光反射镜、光电反馈器和信号电缆，所述分光反射镜设置于所述F-P标准具和所述耦合透镜之间，所述光电反馈器设置于所述分光反射镜的出光口方向，所述分光反射镜接收所述F-P标准具发送的光场，并反射给所述光电反馈器，所述光电反馈器用于将接收到的光场转换为电信号，并通过所述信号电缆发送至所述F-P标准具。

优选的，所述边界条件控制模块还包括分光反射镜、光电反馈器和信号电缆，所述分光反射镜设置于所述电场敏感光纤或所述光子晶体光纤的出光口方向，所述光电反馈器设置于所述分光反射镜的出光口方向，所述分光反射镜接收所述电场敏感光纤或所述光子晶体光纤传输的光场，并反射给所述光电反馈器，所述光电反馈器用于将接收到的光场转换为电信号，并通过所述信号电缆发送至所述电场敏感光纤或所述光子晶体光纤。

第二方面，控制光横向模式转换的方法，包括：

所述控制器获取原始模式的光场转换成中间模式的光场的初始条件，根据所述初始条件向所述初始条件控制模块发送第一信号；

所述初始条件控制模块接收所述第一信号，并根据所述第一信号将所述原始模式的光场转换成中间模式的光场；

所述控制器获取中间模式的光场转换成目标模式的光场的边界条件，根据所述边界条件向所述边界条件控制模块发送第二信号；

所述边界条件控制模块接收第二信号，并根据所述第二信号将所述中间模式的光场转换成目标模式的光场。

由上述技术方案可知，本发明提供的光横向模式控制系统及控制光横向模式转换的方法，控制器获取原始模式的光场转换成中间模式的光场的初始条件，根据所述初始条件向初始条件控制模块发送第一信号，以使初始条件控制模块将原始模式的光场转换成中间模式的光场；控制器还获取中间模式的光场转换成目标模式的光场的边界条件，根据所述边界条件向边界条件控制模块发送第二信号，以使边界条件控制模块将所述中间模式的光场转换成目标模式的光场，控制转换过程对于光的损耗较低，利于实际应用。

附图说明

图1为本发明一实施例的光横向模式控制系统的示意图；

图2为本发明另一实施例的光横向模式控制系统的示意图；

图3为本发明一实施例的初始条件控制模块和边界条件控制模块结构的示意图；

图4为本发明另一实施例的初始条件控制模块和边界条件控制模块结构的示意图；

图5为本发明另一实施例的初始条件控制模块和边界条件控制模块结构的示意图；

图6为本发明另一实施例的初始条件控制模块和边界条件控制模块结构的示意图；

图7为本发明一实施例的控制光横向模式转换的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供一种光横向模式控制系统及控制光横向模式转换的方 法，由控制器获取原始模式的光场转换成中间模式的光场的初始条件，根据所述初始条件向初始条件控制模块发送第一信号，以使初始条件控制模块将原始模式的光场转换成中间模式的光场；控制器还获取中间模式的光场转换成目标模式的光场的边界条件，根据所述边界条件向边界条件控制模块发送第二信号，以使边界条件控制模块将所述中间模式的光场转换成目标模式的光场，在实现光模式控制转换过程中对于光的损耗较低，利于实际应用。

图1示出了本发明一实施例的光横向模式控制系统的示意图，如图1所述，本实施例中的光横向模式控制系统包括：初始条件控制模块11、边界条件控制模块12和控制器13，所述控制器13与所述初始条件控制模块11和所述边界条件控制模块12相连。

所述控制器13，用于获取原始模式的光场转换成中间模式的光场的初始条件，根据所述初始条件向所述初始条件控制模块11发送第一信号，以使所述初始条件控制模块11将所述原始模式的光场转换成中间模式的光场。

可以理解的是，初始条件控制模块11根据第一信号，选择合适的模式选择或转化元件，实现对原始模式的光场的过滤或转化，从而使原始模式的光场转化为后续所需要的中间模式光的光场。

所述控制器13，还用于获取中间模式的光场转换成目标模式的光场的边界条件，根据所述边界条件向所述边界条件控制模块12发送第二信号，以使所述边界条件控制模块12将所述中间模式的光场转换成目标模式的光场。

可以理解的是，边界条件控制模块12根据第二信号，调整内部的传光结构，实现对被传输光场的边界条件的控制，从而使中间模式的光场转化为目标模式的光场，并实现输出。

在本实施例中通过调整相关参数，可以实现更多的目标模式的光场的输出。

在本系统中，初始条件控制模块的数目可以任意扩展，可以有第 一初始条件控制模块、第二初始条件控制模块、第三初始条件控制模块、第四初始条件控制模块等，并且每种初始条件控制模块又可以有多个，这样能实现更多的目标模式的光场，为了更好的举例说明，本实施例中采用两个第一初始条件控制模块和两个第二初始条件控制模块进行举例说明，图2示出了本发明另一实施例的光横向模式控制系统的示意图，图2所示的控制系统与图1所示的控制系统的区别在图2中初始条件控制模块包括两个第一初始条件控制模块21、两个第二初始条件控制模块22和四根耦合光纤14。

两个第一初始条件控制模块21和两个第二初始条件控制模块22分别与控制器相连，两个第一初始条件控制模块21和两个第二初始条件控制模块22通过四根耦合光纤14与边界条件控制模块相连，共同组成4路合束形式的光横向模式控制系统，从而获得目标模式的光场的输出。

举例来说，第一初始条件控制模块21为基于F-P标准具的初始条件控制模块，F-P标准具采用低吸收石英材料，间距d＝100mm，尺寸φ＝60mm；耦合透镜302曲率为225mm；第二初始条件控制模块22为基于闪耀光栅的初始条件控制模块，闪耀光栅的光栅常数d＝300/mm，闪耀角为θ＝8.6°，尺寸L*W＝64mm*64mm，其中L为长度，W为宽度，耦合透镜302曲率为225mm；边界条件控制模块12中的光子晶体光纤的纤芯直径＝6um，包层直径D＝180um。若目标模式的光场为TEM₀₁模式(或TEM₂₃模式)的光场，但是只有TEM₀₃模式(但不限于TEM₀₃模式，为了更好的距离说明，本实施例中以TEM₀₃模式为例)的输入光，可以利用本发明提供的一种光横向模式控制系统进行模式转换。4路TEM₂₅模式的光场经过初始条件控制模块11后，被转化为TEM₁₂模式(或TEM₁₁模式)，随后经过边界条件控制模块12，可将其转化为目标TEM₀₁模式(或TEM₂₃模式)的光场。通过调整相关参数，可以实现更多的目标模式的光场的输出。

值得注意的是，此处4路合束形式的光横向模式控制系统中每一路中的入射光场模式可以不同。

在本实施例中通过调整相关参数，可以实现更多的目标模式的光场的输出。

图3示出了本发明一实施例的初始条件控制模块和边界条件控制模块结构的示意图，如图3所示，本实施例中的初始条件控制模块11包括闪耀光栅301和耦合透镜302，所述耦合透镜302设置于所述闪耀光栅301出光方向上；边界条件控制模块12包括光子晶体光纤303。

初始条件控制模块11中的闪耀光栅301的光栅常数d＝300/mm，闪耀角为θ＝8.6°，尺寸L*W＝64mm*64mm，其中L为长度，W为宽度，耦合透镜302曲率为225mm；边界条件控制模块12中的光子晶体光纤303的纤芯直径D0＝3.7um，包层直径D1＝125um。

举例来说，目标模式的光场为TEM₁₀模式(或TEM₄₂模式)的光场，但是只有TEM₂₅模式(但不限于TEM₂₅模式，为了更好的距离说明，本实施例中以TEM₂₅模式为例)的输入光，可以利用本发明提供的一种光横向模式控制系统进行模式转换。当TEM₂₅模式的光场经过初始条件控制模块11后，被转化为TEM₁₂模式(或TEM₄₅模式)，随后经过边界条件控制模块12，可将其转化为目标TEM₁₀模式(或TEM₄₂模式)的光场。

在本实施例中通过调整相关参数，可以实现更多的目标模式的光场的输出。

图4示出了本发明另一实施例的初始条件控制模块和边界条件控制模块结构的示意图，如图4所示，本实施例中的初始条件控制模块11包括F-P标准具401和耦合透镜302，所述耦合透镜302设置于所述F-P标准具401的出光方向上；边界条件控制模块12包括光子晶体光纤303。

初始条件控制模块11中的F-P标准具401采用低吸收石英材料，间距d＝100mm，尺寸φ＝60mm；耦合透镜302曲率为225mm；边界 条件控制模块12中的光子晶体光纤303的纤芯直径D0＝3.7um，包层直径D1＝125um。

举例来说，目标模式的光场为TEM₁₀模式(或TEM₄₂模式)的光场，但是只有TEM₃₃模式(但不限于TEM₃₃模式，为了更好的距离说明，本实施例中以TEM₃₃模式为例)的输入光，可以利用本发明提供的一种光横向模式控制系统进行模式转换。当TEM₃₃模式的光场经过初始条件控制模块11后，被转化为TEM₁₂模式(或TEM₄₅模式)，随后经过边界条件控制模块12，可将其转化为目标TEM₁₀模式(或TEM₄₂模式)的光场。

在本实施例中通过调整相关参数，可以实现更多的目标模式的光场的输出。

图5示出了本发明另一实施例的初始条件控制模块和边界条件控制模块结构的示意图，如图5所示，本实施例中初始条件控制模块11包括闪耀光栅301和耦合透镜302，所述耦合透镜302设置于所述闪耀光栅301出光方向上；所述边界条件控制模块12包括电场敏感光纤501和外电场装置502，所述外电场装置502包裹在所述电场敏感光纤501外围，用于改所述变电场敏感光纤501的电场参数，控制边界条件。

初始条件控制模块11中的闪耀光栅301的光栅常数d＝300/mm，闪耀角为θ＝8.6°，尺寸L*W＝64mm*64mm，其中L为长度，W为宽度，耦合透镜302曲率为225mm；边界条件控制模块12中的电场敏感光纤501的纤芯直径＝5um，包层直径D＝150um。

举例来说，目标模式的光场为TEM₀₁模式(或TEM₂₃模式)的光场，但是只有TEM₃₃模式(但不限于TEM₃₃模式，为了更好的距离说明，本实施例中以TEM₃₃模式为例)的输入光，可以利用本发明提供的一种光横向模式控制系统进行模式转换。当TEM₃₃模式的光场经过初始条件控制模块11后，被转化为TEM₁₂模式(或TEM₄₅模式)，随后经过边界条件控制模块12，可将其转化为目标TEM₀₁模式(或TEM₂₃模式)的光场。

在本实施例中通过调整相关参数，可以实现更多的目标模式的光场的输出。

图6示出了本发明另一实施例的初始条件控制模块和边界条件控制模块结构的示意图，如图6所示，本实施例中的初始条件控制模块11包括闪耀光栅301、耦合透镜302、分光反射镜601、光电反馈器602和信号电缆603，所述耦合透镜302设置于所述闪耀光栅301出光方向上，所述分光反射镜601设置于所述闪耀光栅301和所述耦合透镜302之间，所述光电反馈器602设置于所述分光反射镜601的出光口方向，所述分光反射镜601接收所述闪耀光栅301发送的光场，并反射给所述光电反馈器602，所述光电反馈器602用于将接收到的光场转换为电信号，并通过所述信号电缆603发送至所述闪耀光栅301。

边界条件控制模块12包括光子晶体光纤303、分光反射镜604、光电反馈器605和信号电缆606，所述分光反射镜604设置于所述光子晶体光纤303的出光口方向，所述光电反馈器605设置于所述分光反射镜604的出光口方向，所述分光反射镜604接收所述光子晶体光纤303传输的光场，并反射给所述光电反馈器605，所述光电反馈器605用于将接收到的光场转换为电信号，并通过所述信号电缆606发送至所述光子晶体光纤303。

初始条件控制模块11中的闪耀光栅301的光栅常数d＝300/mm，闪耀角为θ＝8.6°，尺寸L*W＝64mm*64mm，其中L为长度，W为宽度，耦合透镜302曲率为225mm；边界条件控制模块12中的电场敏感光纤501的纤芯直径D0＝3.7um，包层直径D1＝125um；

控制器13会探测和分析经闪耀光栅301后的光场是否达到中间模式，如果经闪耀光栅301后的光场已达到中间模式，则将中间模式的光场传输给边界条件控制模块12；如果经闪耀光栅301后的光场未达到中间模式，则将经闪耀光栅301的光场通过分光反射镜601反射至光电信号反馈器602，光电反馈器602输出的反馈信号通过信号电缆603传输至闪耀光栅301，初始条件控制模11控制自身的相关参数， 继续改变经闪耀光栅301后的光场模式，直至经闪耀光栅301后的光场转化为中间模式的光场。

控制器13还会探测和分析经光子晶体光纤303输出的光场是否达到目标模式，如果经光子晶体光纤303输出的光场已达到目标模式，则将目标模式的光场输出；如果经光子晶体光纤303输出的光场未达到目标模式，则将从光子晶体光纤303输出的光场通过分光反射镜604反射至光电信号反馈器605，光电信号反馈器605输出反馈信号通过信号电缆606传输至光子晶体光纤303，边界条件控制模块12控制自身的相关参数，继续改变经光子晶体光纤303输出的光场的模式，直至经光子晶体光纤303输出的光场转化为目标模式的光场。

举例来说，目标模式的光场为TEM₁₀模式(或TEM₄₂模式)的光场，但是只有TEM₂₅模式(但不限于TEM₂₅模式，为了更好的距离说明，本实施例中以TEM₂₅模式为例)的输入光，可以利用本发明提供的一种光横向模式控制系统进行模式转换。当TEM₂₅模式的光场经过初始条件控制模块11后，被转化为TEM₁₂模式(或TEM₄₅模式)，随后经过边界条件控制模块12，可将其转化为目标TEM₁₀模式(或TEM₄₂模式)的光场。

在本实施例中通过调整相关参数，可以实现更多的目标模式的光场的输出。

图7示出了本发明一实施例的控制光横向模式转换的方法的流程示意图，如图7所述，本实施例中的控制光横向模式转换的方法包括以下步骤。

701、所述控制器13获取原始模式的光场转换成中间模式的光场的初始条件，根据所述初始条件向所述初始条件控制模块11发送第一信号；

702、所述初始条件控制模块11接收所述第一信号，并根据所述第一信号将所述原始模式的光场转换成中间模式的光场；

703、所述控制器13获取中间模式的光场转换成目标模式的光场 的边界条件，根据所述边界条件向所述边界条件控制模块12发送第二信号；

704、所述边界条件控制模块12接收第二信号，并根据所述第二信号将所述中间模式的光场转换成目标模式的光场。

根据所述初始条件向所述初始条件控制模块发送第一信号，根据边界条件向所述边界条件控制模块发送第二信号，包括：

所述控制器根据描述电磁场性质的麦克斯韦(Maxwell)方程组和描述物质电磁性质的物质方程以及所述初始条件和边界条件向初始条件控制模块发送第一信号和向所述边界条件控制模块发送第二信号；

其中，麦克斯韦(Maxwell)方程组为

式(1-1)

其中，E为电场强度，B为磁感应强度，H为磁场强度，D为电位移矢量，J为电流密度，ρ为电荷密度，t为时间；

表征物质电磁性质的物质方程为

式(1-2)

其中，σ为电导率，P为电极化强度矢量，ε₀为真空中的介电常数，μ为磁导率。

激光光束传输中的光场分布，可由联立式(1-1)及式(1-2)求得，而要进一步求解，则还需代入初始条件和边界条件，通过控制初始条件(即入射光的光场分布)，同时控制边界条件(即装置内部传光的结构)，就可以控制输出光的光场分布，从而获得目标光场分布，也可以 获得目标的光束发散角，进而得到目标的光束质量。

上述控制光横向模式转换的方法，通过控制调节相关参数，将原始模式的光场转换成目标模式的光场，在实现光模式控制转换过程中对于光的损耗较低，利于实际应用。

本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在于该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是互相排斥之处，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些 装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

最后应说明的是：本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。