[发明专利]基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法

权利要求书

1.基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，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，其中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型排布，准直器阵列中的准直器数目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。

2.根据权利要求1所述的基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求1或2所述的基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，光场处理模块实现光束缩束和聚焦，其由包含多个聚焦透镜的透镜组构成。

5.根据权利要求3所述的基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，光场信息探测模块由安装小孔的光电探测器或高速相机构成。

6.根据权利要求4或5所述的基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，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，实现产生涡旋光束拓扑荷数的定制。

7.根据权利要求6所述的基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，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_pq,y_pq)为：

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。

8.根据权利要求7所述的基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，光纤激光阵列的发射面光场分布为：

其中，w₀为单元光束的束腰半径，d为单元光束的口径，A₀为单元光束的振幅，circ(·)为圆域函数。