[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

说明书

本发明提出了一种光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构系统及方法，包括涡旋光束产生子系统和光场重构子系统，根据探测到的光强信号获得相干合成产生涡旋光束的光强分布，同时计算获得相干合成产生涡旋光束的相位分布，从而实现对相干合成产生涡旋光束的光场表征。本发明将基于光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构方法与涡旋光束产生系统兼容，可以通过一套系统实现涡旋光束的产生与基于相干合成产生涡旋光束的光场重构。本发明克服了以往技术方案中对光纤激光相干合成产生涡旋光束光场进行表征的困难。

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光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构方法。

背景技术

随着激光和光子学技术的快速发展，产生和调控振幅、相位、偏振和相干度具有特殊空间分布的结构光场获得了国内外研究人员的广泛关注。作为一类典型的结构光场，强度呈环形分布，具有螺旋相位结构，且携带轨道角动量的涡旋光场是近年来学术研究的热点，揭示了许多新颖的物理现象并广泛应用于自由空间光通信、超分辨率光成像、激光加工与制造、光镊等领域。对于远距离自由空间光通信、激光烧蚀与加工、非线性频率变换的特殊应用场景，不仅需要利用涡旋光束，对涡旋光束的功率也提出了更高的要求。

而目前大部分产生涡旋光束的方法存在严重的功率限制。光纤激光相干合成具有提升输出功率的潜力，同时可以保持良好的光束质量，将光纤激光相干合成技术应用于产生涡旋光束，具有功率提升潜力大和模式切换速度快的优势，近年来得到了研究人员的重视。

目前，基于光纤激光相干合成产生涡旋光束在发射面光纤激光阵列排布方式，相位控制方法和光束传输特性方面已经开展了深入的研究。然而，这种产生涡旋光束的技术路线在光场表征方面尚存在不足，从而导致对基于光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场分布特性研究较少，不利于该技术路线的进一步发展。为解决这一难题，需要提出一种对基于光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场进行探测和重构的方法。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构系统及方法。采用本发明可以根据探测信号获得相干合成产生涡旋光束的光强分布，并根据探测信号重构相干合成产生涡旋光束的相位分布，从而实现对基于光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场表征。本发明通过一套系统实现涡旋光束的产生与基于相干合成产生涡旋光束的光场重构。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

光纤激光相干合成产生涡旋光束的光场重构系统，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。

优选地，所述4-F系统由1#聚焦透镜和2#聚焦透镜组成。

优选地，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、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。