[发明专利]实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统及方法

说明书

实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统及方法，n束子激光各自对应的子激光路径上依次设有相位调制器、级联光纤放大器和准直器，n个准直器按照圆环形阵列排布形成准直器阵列。准直器阵列输出的相干光纤激光阵列入射到高反射镜，高反射镜的透射光路上依次设有4‑F成像系统、空间光相位调制器、透镜和光电探测器阵列，空间光相位调制器加载有复杂相位板，各光电探测器前均安装有小孔光阑，光电探测器阵列与相位控制器连接，相位控制器处理接收到的电信号，并对各相位调制器施加对应的相位控制电压，实现闭环相位控制。本发明在补偿动态相位噪声的同时确保单元光束活塞相位的高速调制，从而实现产生轨道角动量光束模式的高速切换。

技术领域

本发明涉及光纤激光相干合成技术领域，特别是涉及一种实现轨道角动量光束模式切换的相干光纤激光阵列相位控制系统及方法。

背景技术

近年来，随着激光技术的发展，科研人员对光场的操控能力得到了提升。对光场的空间结构进行操控可以产生振幅、相位、偏振态和相干度具有特殊空间分布的结构光场，结构光场的产生与调控不仅展现了新颖的物理效应和现象，还拓展了包含空间光通信、光学微操纵、超分辨率光成像、激光烧蚀、材料加工等在内的多种应用。

作为结构光场中具有代表性的一类，相位具有螺旋结构的轨道角动量光束以其独特的环形光强分布，螺旋结构相位分布和携带轨道角动量的动力学特性引起了国内外研究人员的广泛关注。

轨道角动量光束的不同模式空间正交，在应用于通信系统时具有提升通信容量的巨大潜力，而对于直接利用轨道角动量模式进行信息编码这一工作方式，提升轨道角动量光束的模式切换速度是长期以来需要解决的问题。针对这一问题，利用光纤激光相干合成产生轨道角动量光束提供了一种有效的途径，一方面相干合成具有功率提升潜力，有望提高输出轨道角动量光束的功率，另一方面，相干合成系统中的关键器件相位调制器工作频率较高，可以确保子激光高速相位切换，进而实现产生轨道角动量光束的高速模式切换。

在光纤激光相干合成系统中，特别是工作在高功率条件下，受热和环境扰动等因素影响，动态相位噪声难以避免，严重影响相干合成产生轨道角动量的效率和模式纯度。同时，为了实现轨道角动量光束的快速模式切换，需要在补偿动态相位噪声的同时主动引入高速动态相移，光纤激光相干合成系统的现有相位控制方法在预期相位确定的同时补偿动态相位噪声方面已取得了显著进展，而在高速切换预期相位的同时实现动态相位噪声补偿十分困难。因此，需要在光纤激光阵列系统中提出一种实现轨道角动量光束模式切换的相位控制方法。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统及方法。本发明可以在补偿动态相位噪声的同时确保子激光活塞相位的高速调制，从而实现产生轨道角动量光束模式的高速切换。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，子激光产生单元、相位调制器、级联光纤放大器、准直器阵列、高反射镜、4-F成像系统、空间光相位调制器、透镜、光电探测器阵列和相位控制器。

子激光产生单元产生n束子激光。n路子激光分别对应一路子激光路径，各路子激光路径上依次设有相位调制器、级联光纤放大器和准直器，n个准直器按照圆环形阵列排布形成准直器阵列。准直器阵列输出的相干光纤激光阵列入射到高反射镜，高反射镜的透射输出光路上依次设有4-F成像系统、空间光相位调制器、透镜和光电探测器阵列，空间光相位调制器加载有复杂相位板，光电探测器阵列中的各光电探测器前均安装有小孔光阑，光电探测器阵列与相位控制器连接，将探测到的光强信号转换为电信号传输至相位控制器，相位控制器处理接收到的电信号，并对各路子激光路径中的相位调制器施加对应的相位控制电压，实现系统的闭环相位控制。

进一步地，本发明所述子激光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束子激光。