基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法

摘要

本发明提供一种基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，利用相位控制技术补偿光纤激光阵列系统的动态相位噪声，将发射面单元光束间的相位差稳定控制为0或2π的整数倍；并对光纤激光阵列系统中的发射面单元光束进行螺旋线型排布，使发射面不同空间位置的单元光束传输到目标平面相同空间位置的光程发生差异，从而利用目标平面单元光束光场的干涉产生涡旋光束。本发明不需要将单元光束间的相位差稳定控制到特殊值，只需要利用相干合成技术领域成熟的相位控制方法将单元光束间的相位差稳定控制为0或2π的整数倍，调整发射面光纤激光阵列的排布方式，就可以在目标平面产生涡旋光束。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光相干合成技术领域，特别是涉及一种基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法。

背景技术

光纤激光相干合成是获得高平均功率、高光束质量激光的重要途径之一，在工业加工、自由空间光通信、大科学装置等领域应用前景广阔，得到了国内外研究人员的广泛关注。近年来，光纤激光相干合成领域取得了许多重要的研究进展。目前，光纤激光相干合成的合成功率突破了10千瓦量级，合成单元光束的数量突破了100路，相关工作均是通过对单元光束实施相位控制，将各路光束的相位差控制为0或2π的整数倍，从而使阵列光束的光场在目标平面发生干涉，获得能量集中的光斑分布。随着光纤激光相干合成技术的发展，利用光纤激光相干合成技术产生振幅、相位、偏振态及相干度具有特殊空间分布的结构光场逐渐得到了研究人员的关注，特别是产生具有螺旋相位分布且携带轨道角动量的涡旋光束。

利用光纤激光相干合成产生涡旋光束在功率提升方面具有巨大的潜力。目前主要通过圆形排布或正六边形排布的光纤激光阵列实现。与产生能量集中光斑分布的情况不同，光纤激光阵列系统通过相位控制技术将单元光束间的相位差稳定控制为特殊值，从而在发射面拟合螺旋型的波前结构，可以在目标平面产生具有螺旋相位分布的涡旋光束。然而，这种方法需要将单元光束间的相位差控制为特殊值，且同时补偿系统中的动态相位噪声，对光纤激光阵列的相位控制提出了更高的要求。现有光纤激光相干合成的相位控制方法中，许多不适用于产生涡旋光束的应用场景。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，包括：

利用相位控制技术实时补偿光纤激光阵列系统的动态相位噪声，将发射面单元光束间的相位差稳定控制为0或2π的整数倍；并对光纤激光阵列系统中的发射面单元光束进行螺旋线型排布，使发射面不同空间位置的单元光束传输到目标平面相同空间位置的光程发生差异，从而利用目标平面单元光束光场的干涉产生涡旋光束。

本发明中，所述光纤激光阵列系统包括种子激光器、预放大器、分束器、光纤放大器、相位调制器阵列、准直器阵列、高反射镜和闭环相位控制单元，准直器阵列中的各准直器呈螺旋线排布。

进一步地，本发明准直器阵列中的准直器数目为N＝|m|n，N个准直器呈螺旋线型分布形成螺旋线排布准直器阵列，螺旋线排布准直器阵列中的每一圈螺旋线上分布有相同数目的准直器，每一圈螺旋线上的准直器构成一个螺旋线排布子阵列，每一圈螺旋线上的准直器所输出的光束为螺旋线排布准直器阵列输出的光纤激光阵列中的一个螺旋线排布光束子阵列。

本发明中，种子激光器输出激光经过预放大器初步放大后，通过分束器分为多路激光，各路激光经过光纤放大器实现功率提升，之后经过相位调制器阵列调整各路激光的相位，相位调制器阵列输出的各路激光通过位于发射面的螺旋线排布准直器阵列发射至自由空间并进行传输；由呈螺旋线排布的准直器阵列输出的光纤激光阵列传输至高反射镜，高功率的反射部分光束作为系统的输出，传输到与发射面相距一定距离的目标平面形成涡旋光束；低功率的透射部分光束作为闭环相位控制单元的输入，闭环相位控制单元生成各路激光的相位控制量，根据相位控制量施加相应的控制电压至相位调制器阵列，从而实时补偿光纤激光阵列系统的动态相位噪声，将发射面单元光束间的相位差稳定控制为0或2π的整数倍。

进一步地，本发明所述闭环相位控制单元包括光场处理模块、光场信息探测模块以及相位控制系统，透射部分光束经过光场处理模块后，聚焦到光场信息探测模块，光场信息探测模块将采集的光场强度信号转换为电信号，传输至相位控制系统，相位控制系统根据从光场信息探测模块接收的电信号，利用相位控制算法获得各路激光的相位控制量。

进一步地，本发明所述光场处理模块可以由包含多个聚焦透镜的透镜组构成，具有实现光束缩束和聚焦的功能。

进一步地，本发明所述光场信息探测模块可以由安装小孔的光电探测器或高速相机构成，作用是将采集的光场强度信号转换为电信号，并传输至相位控制系统。

进一步地，本发明通过调整光纤激光阵列中单元光束数目和位于发射面的螺旋线排布准直器阵列的结构参数，能够实现产生涡旋光束拓扑荷数的定制。螺旋线排布准直器阵列的结构参数决定产生涡旋光束的空间位置和拓扑荷数。假设需要在与发射面相距z的目标平面产生拓扑荷数为m的涡旋光束，则螺旋线排布准直器阵列输出的光纤激光阵列中的单元光束数目为N＝|m|n，共包含|m|个按照螺旋线排布的光束子阵列，各光束子阵列由n个单元光束构成，第p个光束子阵列的第q路单元光束的位置坐标(x

其中，p为光束子阵列的编号，q为各光束子阵列中由内向外单元光束的编号，λ为波长，r为螺旋线排布准直器阵列的结构参数，即螺旋线排布准直器阵列中由内向外第一个准直器与螺旋线排布准直器阵列原点之间的间距，由于各单元光束的位置坐标对应螺旋线排布准直器阵列中准直器的位置坐标，因此r也即为螺旋线排布的光纤激光阵列中由内向外第一个单元光束与光纤激光阵列原点之间的间距。

光纤激光阵列的发射面光场分布为：

其中，w

采用本发明可以达到以下技术效果：

1、通过设计发射面螺旋线排布准直器阵列的结构，可以当系统工作在闭环状态时在目标平面产生涡旋光束。

2、通过调整单元光束数目和发射面准直器阵列的结构参数，可以实现产生涡旋光束拓扑荷数的定制。

3、与现有基于光纤激光阵列产生涡旋光束的方法相比，不需要将单元光束间的相位差稳定控制到特殊值，只需要利用相干合成技术领域成熟的相位控制方法将单元光束间的相位差稳定控制为0或2π的整数倍，调整发射面光纤激光阵列的排布方式，就可以在目标平面产生涡旋光束。

4、本发明中的相位控制系统与传统光纤激光相干合成(用于实现高亮度激光输出)的相位控制系统兼容。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为一实施例的结构示意图；

图2为螺旋线排布准直器阵列输出的螺旋线排布光纤激光阵列的结构示意图；

图3为一实施例中预期产生拓扑荷数为2的涡旋光束，发射面光纤激光阵列的光强分布和目标平面的光场分布图，其中，图3(a)为发射面光纤激光阵列的光强分布图，图3(b)为光纤激光阵列传输到与发射面相距z＝2000m目标平面的光强分布图，图3(c)为光纤激光阵列传输到与发射面相距z＝2000m目标平面的相位分布图；

图4为一实施例中实施闭环相位控制的效果图，其中图4(a)为存在相位误差情况下光纤激光阵列光束传输到光场信息探测模块处的平均光强分布图，图4(b)为相位误差补偿后光纤激光阵列光束传输到光场信息探测模块处的平均光强分布图，图4(c)为评价函数收敛曲线图；

图5为一实施例中相位误差补偿后目标平面平均光强分布和相位分布图，其中，图5(a)为发射面光纤激光阵列传输到与发射面相距z＝2000m目标平面的平均光强分布图，图5(b)为发射面光纤激光阵列传输到与发射面相距z＝2000m目标平面的平均相位分布；

图6为一实施例中预期产生拓扑荷数为1的涡旋光束，光纤激光阵列发射面的光强分布和目标平面的光场分布，其中图6(a)为发射面光纤激光阵列的光强分布图，图6(b)为系统工作在闭环状态下目标平面的光强分布图，图6(c)为系统工作在闭环状态下目标平面的相位分布图；

图7为一实施例中预期产生拓扑荷数为5的涡旋光束，光纤激光阵列发射面的光强分布和目标平面的光场分布，图7(a)为发射面光纤激光阵列的光强分布图，图7(b)为系统工作在闭环状态下目标平面的光强分布图，图7(c)为系统工作在闭环状态下目标平面的相位分布图；

图8为一实施例中预期产生拓扑荷数为-5的涡旋光束，光纤激光阵列发射面的光强分布和目标平面的光场分布图，图8(a)为发射面光纤激光阵列的光强分布图，图8(b)为系统工作在闭环状态下目标平面的光强分布图，图8(c)为系统工作在闭环状态下目标平面的相位分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明一实施例提供一种基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，利用相位控制技术实时补偿光纤激光阵列系统的动态相位噪声，将发射面单元光束间的相位差稳定控制为0或2π的整数倍；并对光纤激光阵列系统中的发射面单元光束进行螺旋线型排布，使发射面不同空间位置的单元光束传输到目标平面相同空间位置的光程发生差异，从而利用目标平面单元光束光场的干涉产生涡旋光束。

如图1所示，本发明一实施例提供一种基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生系统，包括种子激光器、预放大器、分束器、相位调制器阵列、光纤放大器、准直器阵列、高反射镜和闭环相位控制单元。准直器阵列中的准直器数目为N＝|m|n，N个准直器呈螺旋线型分布形成螺旋线排布准直器阵列，螺旋线排布准直器阵列中的每一圈螺旋线上分布有相同数目的准直器，每一圈螺旋线上的准直器构成一个螺旋线排布子阵列，每一圈螺旋线上的准直器所输出的光束为螺旋线排布准直器阵列输出的光纤激光阵列中的一个螺旋线排布光束子阵列，如图2所示，为螺旋线排布准直器阵列输出的螺旋线排布光纤激光阵列的结构示意图，对于产生拓扑荷数为m的涡旋光束，发射面螺旋线排布准直器阵列包含|m|个螺旋线排布子阵列，且各螺旋线排布子阵列中包含n个准直器。

单频种子光源输出激光经过预放大器初步放大后，通过分束器分为多路激光，各路激光经过相位调制器阵列，相位调制器阵列的作用是调整各路激光的相位，之后经过光纤放大器实现功率提升。相位调制器阵列输出的各路激光通过位于发射面的螺旋线排布准直器阵列发射至自由空间并进行传输。由螺旋线排布准直器阵列输出的光束阵列传输至高反射镜，反射部分作为系统的输出具有较高功率，传输到特定距离可以形成涡旋光束，透射部分作为系统闭环控制的输入，具有较低功率，可以为系统实现闭环控制提供光场信息。透射部分光束经过光场处理模块后，聚焦到光场信息探测模块。光场处理模块可以由包含多个聚焦透镜的透镜组构成，具有实现光束缩束和聚焦的功能。光场信息探测模块可以由安装小孔的光电探测器或高速相机构成，作用是将采集的光场强度信号转换为电信号，传输至相位控制系统。相位控制系统根据从光场信息探测模块接收的信号，利用相位控制算法获得各路激光的相位控制量，施加控制电压至相位调制器阵列，从而实现对系统动态相位噪声的实时补偿。其中相位控制算法不限，如随机并行梯度下降算法。

通过调整光纤激光阵列中单元光束数目和位于发射面的螺旋线排布准直器阵列的结构参数，能够实现产生涡旋光束拓扑荷数的定制，螺旋线排布准直器阵列的结构参数决定产生涡旋光束的空间位置和拓扑荷数。根据预期产生涡旋光束的位置和拓扑荷数，确定发射面螺旋线排布准直器阵列的单元光束数目及结构参数。假设需要在与发射面相距z的目标平面产生拓扑荷数为m的涡旋光束，则螺旋线排布准直器阵列输出的光纤激光阵列中的单元光束数目为N＝|m|n，共包含|m|个按照螺旋线排布的光束子阵列，各光束子阵列由n个单元光束构成，第p个光束子阵列的第q路单元光束的位置坐标(x

其中，p为光束子阵列的编号，q为各光束子阵列中由内向外单元光束的编号，λ为波长，r为螺旋线排布准直器阵列的结构参数，即螺旋线排布准直器阵列中由内向外第一个准直器与螺旋线排布准直器阵列原点之间的间距，由于各单元光束的位置坐标对应螺旋线排布准直器阵列中准直器的位置坐标，因此r也即为螺旋线排布的光纤激光阵列中由内向外第一个单元光束与光纤激光阵列原点之间的间距。

光纤激光阵列的发射面光场分布为：

其中，w

本发明一实施例中：为在与发射面相距z＝2000m的目标平面产生拓扑荷数为2的涡旋光束，位于发射面的螺旋线排布准直器阵列包含2个子阵列，各子阵列包含n＝35个单元光束，则系统输出的光纤激光阵列中的单元光束数目为N＝70，其中：单元光束的束腰半径w

然而，光纤激光阵列系统受热和环境扰动等因素的影响，动态相位噪声不可避免，影响产生涡旋光束的性能，因此需要对系统实施闭环相位控制，将单元光束间的相位差稳定控制为0或2π的整数倍。光场处理模块由聚焦透镜和扩束系统构成，等效聚焦为20m，相位控制系统加载随机并行梯度下降算法对由光场信息探测模块输入的信号进行处理，从而获得相位控制量。随机产生100组相位误差，存在相位误差的情况下，发射面螺旋线排布阵列光束传输到光场信息探测模块处的平均光强分布参见附图4(a)所示，对利用随机并行梯度下降算法对100组相位误差进行补偿，相位补偿后发射面螺旋线排布阵列光束传输到光场信息探测模块处的平均光强分布参见附图4(b)所示，随机并行梯度下降算法运行过程中归一化评价函数收敛曲线参见附图4(c)所示，计算结果表明，对于不同的相位误差，评价函数均可以收敛，相位控制系统可以有效补偿各路光束间的相位误差。此时，光场信息探测模块可以探测到能量集中的光斑。

利用随机并行梯度下降算法对100组相位误差进行补偿后，发射面阵列光束传输到与发射面相距z＝2000m目标平面的平均光强分布和平均相位分布，参见附图5(a)，附图5(b)所示。计算结果表明，目标平面的平均光强分布和平均相位分布与理想条件下的计算结果几乎一致，通过闭环相位控制可以补偿系统中的相位误差，确保在预期的目标平面产生具有预期拓扑荷数的涡旋光束。

此外，螺旋线排布锁相光纤激光阵列还可以产生拓扑荷数为其他值的涡旋光束。单元光束的束腰半径w

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。