倾斜可控相干光纤激光阵列产生涡旋光束的系统及方法与流程

[0001]
本发明属于光纤激光相干合成技术领域，具体地涉及一种倾斜可控相干光纤激光阵列产生涡旋光束的系统及方法。


背景技术：

[0002]
光纤激光相干合成可以在提升激光输出总功率的同时保持良好的光束质量，是获得高亮度激光的重要方法之一，在医疗卫生、工业加工、科学研究和国防安全等领域具有广阔的应用前景，是当前激光技术领域的研究热点与难点。
[0003]
近年来，随着激光技术的迅速发展，对激光空间结构的调控引起了国内外研究人员的广泛兴趣。对激光光场的振幅、相位及偏振态的空间结构进行调控，可以产生光学参量具有特殊空间分布的结构光场，如涡旋光束、柱矢量光束、无衍射光束等。其中，对相位结构具有空间分布的涡旋光束的深入研究揭示了新颖的物理效应和现象，并使空间光通信、光学微操纵、超分辨率成像和激光工业加工等许多应用领域得到了发展。对于远距离空间光通信、非线性频率转换、激光烧蚀与材料加工等领域，不仅需要采用涡旋光束，对涡旋光束的功率和模式切换速度也提出了更高的要求，而光纤激光阵列相干合成为产生实际应用中所需要的高功率、模式可切换涡旋光束提供了一种有效的技术途径。
[0004]
光纤激光阵列相干合成产生涡旋光束的基本思路为：对光纤激光阵列中单元光束的振幅、相位和偏振态进行控制，在发射面用空间分布的多个单元光束和预期产生理想涡旋光束的近场光场分布进行拟合，各单元光束在传输过程中相互干涉，从而在远场产生与预期涡旋光束高度相似的合成光束。
[0005]
目前光纤激光阵列相干合成产生涡旋光束技术中，通常只对光纤激光阵列中单元光束的活塞相位进行控制，因此限制了在近场与预期涡旋光束波前的相似程度，在一定程度会影响远场合成光束的效果。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种倾斜可控相干光纤激光阵列产生涡旋光束的系统及方法。本发明通过引入倾斜波前控制可以在发射面提升阵列光束与预期产生理想涡旋光束光场分布的相似程度，从而可以提升远场合成光束的效果，并拓展基于相干光纤激光阵列的光场调控能力。
[0007]
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
[0008]
倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，包括：
[0009]
设待生成的涡旋光束呈圆环形阵列排布，其包含m个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的单元光束沿角向均匀排布，m个圆环形子阵列中所有的单元光束的总数目为n束，n
j
为第j个圆环形子阵列包含的单元光束数目，j＝1,2,3,
…
m，n
1
为第一环也即最内一环的圆环形子阵列包含的单元光束数目，n
1
为6的倍数，则最外环的圆环形子阵列包含的单元光束数目n
m
＝n
1
+6(j-1)；第j个圆环形子阵列上的各单元光束中心与涡旋光束的中心的间距
均为r
j
。
[0010]
搭建倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生系统，生成涡旋光束。
[0011]
本发明提供一种倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生系统包括子光束产生单元、涡旋光束产生单元以及闭环控制单元；所述子光束产生单元用于产生n束子光束；所述涡旋光束产生单元包括n路子光束路径，n束子光束分别对应一路子光束路径，各路子光束路径上依次设有相位调制器，级联光纤放大器和自适应光纤准直器，n个自适应光纤准直器按照待生成的涡旋光束同样的圆环形阵列排布形成自适应光纤准直器阵列，自适应光纤准直器阵列输出涡旋光束；闭环控制单元包括采集单元以及控制单元，采集单元用于采集涡旋光束的光信号；控制单元基于采集单元采集的光信号，提取系统的活塞相位误差，生成对应的活塞相位控制信号，将活塞相位控制信号传输至各路相位调制器以调节各单元光束的活塞相位，同时还提取倾斜控制信号，并将倾斜控制信号施加到各路自适应光纤准直器以调节各单元光束的倾斜角。
[0012]
作为本发明的优选技术方案，本发明所述子光束产生单元包括种子源，预放大器和光纤分束器，种子源输出的激光经预放大器放大后通过光纤分束器分束为n束子光束。
[0013]
作为本发明的优选技术方案，本发明所述采集单元保留高反射镜、透镜、分束器、ccd相机和光电探测器；控制单元包括1#控制器和2#控制器；
[0014]
自适应光纤准直器阵列输出的涡旋光束经过高反射镜，大部分光束经高反镜反射输出作为系统的输出光束，经高反镜透射出的光束用于系统的闭环控制和合成光斑的观测。高反镜透射出的光束经过透镜后通过分束器分为两部分，一部分光束汇聚于位于透镜焦平面的ccd相机，用于合成光斑的观测，另一部分由光电探测器采集，光电探测器将采集的光信号转换为电信号，光电探测器将电信号传送至1#控制器，1#控制器作为活塞相位控制器，1#控制器以光电探测器采集的电信号强度为评价函数，提取系统的活塞相位误差，生成对应的活塞相位控制信号，将活塞相位控制信号传输至各路相位调制器以调节各单元光束的活塞相位。同时光电探测器将电信号传送至2#控制器，2#控制器作为倾斜量控制器。2#控制器提取倾斜控制信号，并将倾斜控制信号施加到各路自适应光纤准直器以调节各单元光束的倾斜角，相位调制器和自适应光纤准直器同时工作，实现系统的活塞相位和倾斜波前的闭环控制。
[0015]
作为本发明的优选技术方案，本发明所述1#控制器上加载有优化算法，优化算法如单抖动算法，以单抖动算法作为活塞相位控制算法。
[0016]
作为本发明的优选技术方案，本发明所述2#控制器上加载有优化算法，优化算法如随机并行梯度下降算法，以随机并行梯度下降算法为倾斜控制算法。
[0017]
作为本发明的优选技术方案，本发明各单元光束的活塞相位以及各单元光束的倾斜角的调控方法如下：
[0018]
设自适应光纤准直器阵列输出的涡旋光束中各路单元光束的束腰半径为w
0
，波长为λ，光束口径为d，振幅为a
0
；
[0019]
基于相干光纤激光阵列产生和调控涡旋光束等同于在发射面用多个单元光束拟合出一个理想的涡旋光束，设发射面相干光纤激光阵列的光场分布为：
[0020][0021]
其中，k为波数，(x,y)为发射面坐标，n
j
为第j个圆环形子阵列包含的单元光束数目，(x
j,h
,y
j,h
)，(θ
xjh
,θ
yjh
)，φ
j,h
分别为第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的中心坐标，倾斜角和活塞相位；
[0022]
第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的中心坐标满足：
[0023][0024]
其中，r
j
为第j个圆环形子阵列单元光束中心与发射面阵列中心间距。
[0025]
为产生拓扑荷数为m的涡旋光束，第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的活塞相位参数满足：
[0026][0027]
第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的倾斜角满足：
[0028][0029]
为了实现相干光纤激光阵列光场调控的拓展功能，对单元光束的活塞相位和倾斜角进行进一步调控，有：
[0030][0031]
其中，(θ
xjh
,θ
yjh
)和φ
j,h
分别为第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的附加倾斜角和活塞相位调控参数。
[0032]
本发明的有益效果如下：
[0033]
1.与现有活塞相位可控相干光纤激光阵列相比，倾斜可控光纤激光阵列可以更高精度拟合预期产生涡旋光束的近场波前分布，从而提升合成光束的效果。
[0034]
2.相干合成系统在高功率工作环境下，活塞和倾斜噪声严重，影响系统的合成性能，倾斜可控光纤激光阵列可以对系统中的动态活塞相位误差和倾斜波前像差进行实时补偿。
[0035]
3.倾斜可控光纤激光阵列可以实现纵向和径向光场调控，一方面可以在近场传输范围内产生涡旋光束，另一方面可以调控产生涡旋光束的径向振幅分布。
附图说明
[0036]
图1为倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生系统的结构示意图。
[0037]
图2为发射面光纤激光阵列排布示意图。
[0038]
图3为用于产生拓扑荷数为1的涡旋光束，包含单环6路子光束的光纤激光阵列发射面光强分布和相位分布。
[0039]
图4为单独活塞控制相干光纤激光阵列和倾斜可控相干光纤激光阵列的远场光强分布和相位分布。
[0040]
图5为两圈均匀环形排布阵列光束，单独活塞控制相干光纤激光阵列和倾斜可控相干光纤激光阵列的远场轨道角动量模式谱分布和远场主环轨道角动量模式谱分布。
[0041]
图6为倾斜可控相干光纤激光阵列在不同传输距离目标平面的合成光束光强分布。
[0042]
图7为单独活塞控制相干光纤激光阵列在不同传输距离目标平面的合成光束光强分布。
[0043]
图8为用于产生拓扑荷数为3的涡旋光束，包含双环36路子光束的光纤激光阵列发射面光强分布和远场光强分布。
具体实施方式
[0044]
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于
限定本发明。
[0045]
实施例1：
[0046]
本实施例提供一种倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生系统，包括种子源1，预放大器2、光纤分束器3、相位调制器4、级联光纤放大器5、自适应光纤准直器阵列6、高反射镜7、透镜8、分束器9、ccd相机10、光电探测器11、1#控制器12、2#控制器13。
[0047]
种子源1依次连接预放大器2和光纤分束器3，种子源1输出的激光经预放大器2放大后通过光纤分束器3分束为n束子光束，各路子光束分别依次通过相位调制器4，级联光纤放大器5和自适应光纤准直器，n个自适应光纤准直器按照待生成的涡旋光束同样的圆环形阵列排布形成自适应光纤准直器阵列6，自适应光纤准直器阵列6输出的涡旋光束经过高反射镜7，大部分光束经高反镜7反射输出作为系统的输出光束，经高反镜7透射出的光束用于系统的闭环控制和合成光斑的观测。高反镜7透射出的光束经过透镜8后通过分束器9分为两部分，一部分光束汇聚于位于透镜焦平面的ccd相机10，用于合成光斑的观测，另一部分由光电探测器11采集，光电探测器11将采集的光信号转换为电信号，光电探测器11将电信号传送至1#控制器12，1#控制器12以光电探测器11采集的电信号强度为评价函数，提取系统的活塞相位误差，生成对应的活塞相位控制信号，将活塞相位控制信号传输至各路相位调制器4。同时光电探测器11将电信号传送至2#控制器13，2#控制器13提取倾斜控制信号，并将倾斜控制信号施加到各路自适应光纤准直器，相位调制器和自适应光纤准直器同时工作，实现系统的活塞相位和倾斜波前的闭环控制。
[0048]
实施例2：
[0049]
本实施例提供一种倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，包括：
[0050]
设待生成的涡旋光束呈圆环形阵列排布，其包含m个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的单元光束沿角向均匀排布，m个圆环形子阵列中所有的单元光束的总数目为n束，n
j
为第j个圆环形子阵列包含的单元光束数目，j＝1,2,3,
…
m，n
1
为第一环也即最内一环的圆环形子阵列包含的单元光束数目，n
1
为6的倍数，则最外环的圆环形子阵列包含的单元光束数目n
m
＝n
1
+6(j-1)；第j个圆环形子阵列上的各单元光束中心与涡旋光束的中心的间距均为r
j
；
[0051]
搭建如实施例1所提供的倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生系统，生成涡旋光束。
[0052]
种子源1依次连接预放大器2和光纤分束器3，种子源1输出的激光经预放大器2放大后通过光纤分束器3分束为n束子光束，各路子光束分别依次通过相位调制器4，级联光纤放大器5和自适应光纤准直器，n个自适应光纤准直器按照待生成的涡旋光束同样的圆环形阵列排布形成自适应光纤准直器阵列6，自适应光纤准直器阵列6输出的涡旋光束经过高反射镜7，大部分光束经高反镜7反射输出作为系统的输出光束，经高反镜7透射出的光束用于系统的闭环控制和合成光斑的观测。高反镜7透射出的光束经过透镜8后通过分束器9分为两部分，一部分光束汇聚于位于透镜焦平面的ccd相机10，用于合成光斑的观测，另一部分由光电探测器11采集，光电探测器11将采集的光信号转换为电信号，光电探测器11将电信号传送至1#控制器12，1#控制器12上加载有单抖动算法，以单抖动算法为活塞相位控制算法。1#控制器12以光电探测器11采集的电信号强度为评价函数，提取系统的活塞相位误差，生成对应的活塞相位控制信号，将活塞相位控制信号传输至各路相位调制器；同时光电探
测器将电信号传送至2#控制器13，2#控制器13上加载有随机并行梯度下降算法，以随机并行梯度下降算法为倾斜控制算法。2#控制器13提取倾斜控制信号，并将倾斜控制信号施加到各路自适应光纤准直器，相位调制器和自适应光纤准直器同时工作，实现系统的活塞相位和倾斜波前的闭环控制。
[0053]
设自适应光纤准直器阵列输出的涡旋光束中各路单元光束的束腰半径为w
0
，波长为λ，光束口径为d，振幅为a
0
；
[0054]
基于相干光纤激光阵列产生和调控涡旋光束等同于在发射面用多个单元光束拟合出一个理想的涡旋光束，因此对各单元光束的活塞相位和倾斜波前同时控制有望提高拟合精度，进而提升合成光束的效果。
[0055]
设发射面相干光纤激光阵列的光场分布为：
[0056][0057]
其中，k为波数，(x,y)为发射面坐标，n
j
为第j个圆环形子阵列包含的单元光束数目，(x
j,h
,y
j,h
)，(θ
xjh
,θ
yjh
)，φ
j,h
分别为第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的中心坐标，倾斜角和活塞相位；
[0058]
第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的中心坐标满足：
[0059][0060]
其中，r
j
为第j个圆环形子阵列单元光束中心与发射面阵列中心间距。
[0061]
为产生拓扑荷数为m的涡旋光束，第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的活塞相位参数满足：
[0062][0063]
第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的倾斜角满足：
[0064][0065]
为了实现相干光纤激光阵列光场调控的拓展功能，对单元光束的活塞相位和倾斜角进行进一步调控，有：
[0066][0067]
其中，(θ
xjh
,θ
yjh
)和φ
j,h
分别为第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的附加倾斜角和活塞相位调控参数。
[0068]
实施例3：
[0069]
为产生拓扑荷数为1的涡旋光束，构建包含6路光束的圆环形阵列，其中：光纤激光分孔径相干合成系统的参数为子阵列数目1、激光束腰半径w
0
＝10.24mm、光束口径d＝23mm、各子光束中心与原点间距r
1
＝25mm、激光工作波长λ＝1064nm。在此基础上，根据公式(3),(4)确定各子光束的活塞相位和倾斜波前。相干光纤激光阵列的发射面光强分布参见附图3(a)所示；单独活塞控制相干光纤激光阵列和倾斜可控相干光纤激光阵列的发射面相位分布参见附图3(b)，附图4(c)所示。可见，与单独活塞控制相干光纤激光阵列相比，倾斜可控相干光纤激光阵列的发射面相位分布更加接近理想涡旋光束的近场螺旋相位分布，而单独活塞控制相干光纤激光阵列和倾斜可控相干光纤激光阵列的发射面光强分布相同，因此倾斜可控相干光纤激光阵列的发射面光场分布与理想涡旋光束近场光场分布的拟合精度更高。
[0070]
将阵列光束的传输距离设置为11.8km，满足远场条件。利用角谱传输法，通过数值模拟求得阵列光束经过自由空间传输到目标平面的光强分布和相位分布。单独活塞控制相干光纤激光阵列的目标平面光强分布，倾斜可控相干光纤激光阵列的目标平面光强分布，单独活塞控制相干光纤激光阵列的目标平面相位分布，倾斜可控相干光纤激光阵列的目标平面相位分布如附图4(a)，附图4(b)，附图4(c)和附图4(d)所示。计算结果表明，单独活塞控制相干光纤激光阵列和倾斜可控相干光纤激光阵列都可以在目标平面产生具有螺旋相位分布，但倾斜可控相干光纤激光阵列产生的涡旋光束旁瓣得到了有效抑制，主环功率占比较高。在相干光纤激光阵列产生涡旋光束的实际应用中，通常采用空间滤波的方式截取合成光束的主环部分，因此与单独活塞控制相干光纤激光阵列相比，倾斜可控相干光纤激
光阵列的合成效率更高。
[0071]
模式纯度是评价涡旋光束光束质量的重要指标，根据模式纯度的定义，对单独活塞控制相干光纤激光阵列和倾斜可控相干光纤激光阵列的目标平面轨道角动量模式谱分布和目标平面主环轨道角动量模式谱分布进行了计算，如附图5(a)，附图5(b)所示。计算结果表明，与倾斜可控相干光纤激光阵列相比(76.2％)，单独活塞控制相干光纤激光阵列产生涡旋光束的模式纯度较低(72.8％)，这是由于发射面拟合螺旋波前结构精度不足引起的，而产生涡旋光束的主环模式纯度几乎一致，且高达99％，这说明产生涡旋光束的旁瓣携带其他模式成分，影响合成涡旋光束的纯度。倾斜可控相干光纤激光阵列在发射面拟合螺旋波前结构精度较高，因此可以有效抑制旁瓣，提升主环功率占比，并不会引起主环模式纯度下降，综合考虑主环功率占比和主环模式纯度，用于产生涡旋光束的倾斜可控相干光纤激光阵列在合成效果方面具有优势。
[0072]
实施例4：
[0073]
倾斜可控相干光纤激光阵列不仅可以有效在远场产生涡旋光束，还具有在纵向和径向对产生涡旋光束进行调控的能力。对于产生拓扑荷数为1的涡旋光束，构建包含6路光束的圆环形阵列，其中：光纤激光分孔径相干合成系统的参数为子阵列数目1、激光束腰半径w
0
＝10.24mm、光束口径d＝23mm、各子光束中心与原点间距r
1
＝25mm、激光工作波长λ＝1064nm。在此基础上，对于产生涡旋光束的纵向调控，当发射面到目标平面的传输距离为l时，将各子光束的附加活塞相位和附加倾斜角调控参数设置为：
[0074][0075]
研究阵列光束的近场衍射特性，利用角谱传输法，通过数值模拟求得倾斜可控相干光纤激光阵列经过自由空间传输到位于0.8km，1.2km，2.0km目标平面的光强分布如附图6(a)，附图6(b)和附图6(c)所示。作为对比，求得单独活塞控制相干光纤激光阵列经过自由空间传输到位于0.8km，1.2km，2.0km目标平面的光强分布如附图7(a)，附图7(b)和附图7(c)所示。计算结果表明，单独活塞控制相干光纤激光阵列的子光束在近场范围内，光场没有充分交叠，旁瓣成分较多。随着传输距离的增大，子光束逐渐通过衍射实现光场交叠，合成光斑逐渐趋近于远场光斑分布。相比之下，倾斜可控相干光纤激光阵列不仅限于在远场产生涡旋光束。由于倾斜波前的汇聚作用，倾斜可控相干光纤激光阵列可以在近场范围内的不同位置实现子光束的光场交叠，从而有效产生涡旋光束。
[0076]
对于产生拓扑荷数为3的涡旋光束，构建包含30路光束的圆环形阵列，其中：光纤激光分孔径相干合成系统的参数为子阵列数目2、激光束腰半径w
0
＝10.24mm、光束口径d＝23mm、内环各子光束中心与原点间距r
1
＝50mm、外环各子光束中心与原点间距r
2
＝75mm、内环子光束数目n
1
＝12，外环子光束n
2
＝18，数目激光工作波长λ＝1064nm。在此基础上，对于产生涡旋光束的径向调控，将各子光束的附加活塞相位和附加倾斜角调控参数设置为：
[0077][0078]
其中，τ
1
，τ
2
为内环和外环的径向调制因子。研究阵列光束的径向光场调控能力，利用角谱传输法，通过数值模拟求得倾斜可控相干光纤激光阵列经过自由空间传输到位于66.3km的目标平面(满足远场条件)的光强分布，当τ
1
＝0，τ
2
＝0时，发射面阵列光束相位分布，合成光束的光强分布如附图8(a)，附图8(d)所示，当τ
1
＝16.11，τ
2
＝80.55时，发射面阵列光束相位分布，合成光束的光强分布如附图8(b)，附图8(e)所示，当τ
1
＝6.90，τ
2
＝23.02时，发射面阵列光束相位分布，合成光束的光强分布如附图8(c)，附图8(f)所示。研究结果表明，通过调控倾斜可控相干光纤激光阵列单元光束的活塞相位和倾斜波前，可以在径向移动合成涡旋光束峰值光强的位置，增大合成涡旋光束的主环半径，同时可以实现多环涡旋光束的产生。
[0079]
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。