[发明专利]光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构系统及方法

权利要求书

1.光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构系统，其特征在于：包括涡旋光束产生子系统和光场重构子系统；所述涡旋光束产生子系统包括种子源、光纤分束器、相位调制器阵列、光纤放大模块、准直器阵列；

光纤分束器具有N个输出端，所述种子源输出的种子激光经光纤分束器分成N束单元光束，各光纤分束器的输出端分别依次连接相位调制器、光纤放大模块和准直器；N个相位调制器形成相位调制器阵列；N个准直器呈圆形阵列排布形成准直器阵列；经过分束器输出的多路单元光束经过相位调制器相位控制、光纤放大模块功率扩展之后传输到位于发射面的准直器阵列，准直器阵列将多路单元光束拼接成圆形阵列排布的阵列光束并准直输出；

所述涡旋光束产生子系统基于光纤激光相干合成产生涡旋光束，采集涡旋光束产生子系统输出的一小部分阵列光束输入到光场重构子系统，光场重构子系统包括依次设置的4-F系统、1#空间光相位调制器、3#聚焦透镜、1#物镜、2#空间光相位调制器、4#聚焦透镜、2#物镜和光斑采集模块；阵列光束经过4-F系统后传输到1#空间光相位调制器进行调制，1#空间光相位调制器控制阵列光束其中心单元光束的振幅和相位；被1#空间光相位调制器调制后的阵列光束经过3#聚焦透镜和1#物镜传输至2#空间光相位调制器，1#物镜使阵列光束与2#空间光相位调制器尺寸匹配；2#空间光相位调制器加载有用于解算光场信息的相位分布并对阵列光束进行调制；被2#空间光相位调制器调制后的光束经4#聚焦透镜和2#物镜后被光斑采集模块采集和处理，2#物镜使传输到光斑采集模块的光束与光斑采集模块尺寸匹配；光斑采集模块实时捕获采集光斑，并对光强信息进行分析处理，从而实现相干合成产生涡旋光束的光场重构。

2.根据权利要求1所述的光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构系统，其特征在于：所述涡旋光束产生子系统输出的发射面阵列光束包含一路位于阵列光束的中心位置的中心单元光束，还包含N_circ个以中心单元光束中心为圆心的圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的单元光束沿角向均匀排布，各圆环形子阵列上各路单元光束与中心单元光束的束腰半径为w₀，波长为λ，光束口径为d，振幅为A₀，且各圆环形子阵列上的单元光束中心与中心单元光束的间距为r_j，j＝1、2、3…N_circ。

3.根据权利要求2所述的光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构系统，其特征在于：所述4-F系统由1#聚焦透镜和2#聚焦透镜组成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构系统，其特征在于：所述涡旋光束产生子系统还包括高反射镜、分光镜、阵列光束处理模块、光电探测模块和控制系统；

发射面由准直器阵列输出的阵列光束经过高反射镜分为两部分，其中从高反射镜反射出的大部分功率的阵列光束在自由空间中传输到远场，在远场形成涡旋光束；另外从高反射镜透射出的小部分功率的阵列光束用于涡旋光束产生子系统的闭环相位控制和光场重构子系统的光场信息采集；

从高反射镜透射出的小部分功率的阵列光束经过分光镜再次分为两部分，其中从分光镜透射出的光束传输至光场重构子系统，从分光镜反射光出的光束经阵列光束处理模块处理后被光电探测模块接收，光电探测模块将接收光场的光信号转换为电信号，传送至控制系统；控制系统加载有相位优化控制算法，控制系统通过运行相位优化控制算法对光电探测模块传送的电信号进行处理，获取各路单元光束的相位控制信号，并将相位控制信号传送至对应的相位调制器，实现涡旋光束产生子系统相位噪声的补偿和阵列光束的活塞相位调控。

5.根据权利要求4所述的光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构系统，其特征在于：阵列光束处理模块由空间光相位调制器和聚焦透镜构成，或者由空间光相位调制器和透镜组构成，或者由液晶和聚焦透镜构成，或者由液晶和透镜组构成；阵列光束处理模块和光电探测模块的作用是处理发射面阵列光束的光场信息，采集经过处理后包含相位控制信息的光斑。

6.根据权利要求4所述的光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构系统，其特征在于：种子源输出的种子激光经预放大器进行初步放大之后通过光纤分束器均分为N路单元光束。