[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

说明书

本发明提供一种基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，利用相位控制技术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。本发明不需要将单元光束间的相位差稳定控制到特殊值，只需要利用相干合成技术领域成熟的相位控制方法将单元光束间的相位差稳定控制为0或2π的整数倍，调整发射面光纤激光阵列的排布方式，就可以在目标平面产生涡旋光束。

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螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法。

背景技术

光纤激光相干合成是获得高平均功率、高光束质量激光的重要途径之一，在工业加工、自由空间光通信、大科学装置等领域应用前景广阔，得到了国内外研究人员的广泛关注。近年来，光纤激光相干合成领域取得了许多重要的研究进展。目前，光纤激光相干合成的合成功率突破了10千瓦量级，合成单元光束的数量突破了100路，相关工作均是通过对单元光束实施相位控制，将各路光束的相位差控制为0或2π的整数倍，从而使阵列光束的光场在目标平面发生干涉，获得能量集中的光斑分布。随着光纤激光相干合成技术的发展，利用光纤激光相干合成技术产生振幅、相位、偏振态及相干度具有特殊空间分布的结构光场逐渐得到了研究人员的关注，特别是产生具有螺旋相位分布且携带轨道角动量的涡旋光束。

利用光纤激光相干合成产生涡旋光束在功率提升方面具有巨大的潜力。目前主要通过圆形排布或正六边形排布的光纤激光阵列实现。与产生能量集中光斑分布的情况不同，光纤激光阵列系统通过相位控制技术将单元光束间的相位差稳定控制为特殊值，从而在发射面拟合螺旋型的波前结构，可以在目标平面产生具有螺旋相位分布的涡旋光束。然而，这种方法需要将单元光束间的相位差控制为特殊值，且同时补偿系统中的动态相位噪声，对光纤激光阵列的相位控制提出了更高的要求。现有光纤激光相干合成的相位控制方法中，许多不适用于产生涡旋光束的应用场景。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

基于螺旋线排布锁相光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，包括：

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。

本发明中，所述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排布。

进一步地，本发明准直器阵列中的准直器数目为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。