RU2716887C1 - Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation - Google Patents
Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2716887C1 RU2716887C1 RU2019125504A RU2019125504A RU2716887C1 RU 2716887 C1 RU2716887 C1 RU 2716887C1 RU 2019125504 A RU2019125504 A RU 2019125504A RU 2019125504 A RU2019125504 A RU 2019125504A RU 2716887 C1 RU2716887 C1 RU 2716887C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phase
- beams
- lattice
- intensity distribution
- forming element
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0938—Using specific optical elements
- G02B27/0944—Diffractive optical elements, e.g. gratings, holograms
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/10—Beam splitting or combining systems
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.
Изобретение относится к лазерной технике и волоконной оптике и может быть использовано для создания систем передачи световой энергии через свободное пространство. Изобретение может найти применение в различных областях техники, где требуется формирование лазерных пучков с нетипичным распределением интенсивности и управление этим распределением.The invention relates to laser technology and fiber optics and can be used to create systems for transmitting light energy through free space. The invention can find application in various fields of technology where the formation of laser beams with an atypical intensity distribution and control of this distribution is required.
Уровень техникиState of the art
Предлагаемые способ и устройство основаны на принципах построения оптических фазированных решеток и адаптивной оптики.The proposed method and device is based on the principles of constructing phased optical arrays and adaptive optics.
Системы оптических фазированных решеток, как правило, используются для когерентного суммирования лазерных пучков с целью достижения максимальной плотности мощности в дальнем поле и являются предметом ряда российских и зарубежных патентов (US8548017 B1, US7058098 B1, US7187492, RU2470334, RU2488862). Все эти патенты отличаются главным образом способами организации цепи обратной связи, для выделения сигнала, управляющего фазирующими элементами, регулирующими текущие фазы отдельных элементов в решетке, с целью приведения всех элементов в решетке в состояние с одинаковыми фазами, а также наличием или отсутствием опорного канала.Phased array optical systems are typically used for coherent summation of laser beams in order to achieve maximum power density in the far field and are the subject of a number of Russian and foreign patents (US8548017 B1, US7058098 B1, US7187492, RU2470334, RU2488862). All these patents differ mainly in the ways of organizing the feedback circuit to isolate the signal controlling the phasing elements that regulate the current phases of the individual elements in the lattice, in order to bring all elements in the lattice into a state with the same phases, as well as the presence or absence of a reference channel.
Известен способ генерации цилиндрического векторного пучка в системе фазированной решетки лазеров US Patent 9042017B1 “Apparatus and method for producing an annular composite far-field patterned beam(s)”. В данном патенте предлагается метод и устройство для генерации составного (композитного) дальнепольного пучка, имеющего центральный «ноль» и дискретную цилиндрическую симметрию. Для этой цели используется фазированная решетка гауссовых пучков, при этом в каждый пучок вводится элемент для поворота вектора поляризации так чтобы пучки противоположные друг другу относительно нуля, были поляризованы в том же самом направлении, но повернуты в противофазе на 180 градусов. В результате этого в дальнем поле образуется распределение интенсивности с центральным нулем. Образование такого распределения интенсивности в дальнем поле обязано интерференции совокупности пучков, расположенных симметрично таким образом, что каждому, пучку с заданным вектором поляризации соответствует синфазный симметрично расположенный пучок, но с поляризацией, повернутой на 180 градусов. Недостатком данного решения является наличие оптических поляризующих компонентов – 1/2- волновых пластинок, имеющих ограниченную лучевую стойкость, на выходе каждого пучка, что существенно ограничивает возможности масштабирования мощности формируемого лазерного пучка. Кроме того, данный способ ограничен созданием лишь одного вида распределения интенсивности.A known method of generating a cylindrical vector beam in a phased array laser system US Patent 9042017B1 “Apparatus and method for producing an annular composite far-field patterned beam (s)”. This patent proposes a method and apparatus for generating a composite (composite) far field beam having a central “zero” and discrete cylindrical symmetry. For this purpose, a phased lattice of Gaussian beams is used, while an element is introduced into each beam to rotate the polarization vector so that the beams opposite to each other with respect to zero are polarized in the same direction but rotated 180 degrees in antiphase. As a result of this, an intensity distribution with a central zero is formed in the far field. The formation of such a distribution of intensity in the far field is due to interference of a set of beams arranged symmetrically so that each beam with a given polarization vector corresponds to a in-phase symmetrically located beam, but with a polarization rotated 180 degrees. The disadvantage of this solution is the presence of optical polarizing components - 1/2 wave plates with limited radiation resistance at the output of each beam, which significantly limits the ability to scale the power of the generated laser beam. In addition, this method is limited to creating only one type of intensity distribution.
Известен способ формирования пучка с кольцевым распределением интенсивности с использованием метода спектрального сложения множества лазерных пучков US 9366872-1 “Apparatus and method for fiber-laser output-beam shaping for spectral beam combining”. Данный способ предполагает использование множества лазерных пучков, каждый из которых имеет свою длину волны и пропускается через рефракционный или дифракционный оптический элемент, преобразуя распределение интенсивности каждого пучка из гауссовой моды в моду Лагерра-Гаусса LG10. Затем все пучки направляются на суммирующую дифракционную решетку, которая объединяет их в один кольцевой пучок. Недостатком данного решения является наличие оптических рефракционных или дифракционных элементов, имеющих ограниченную лучевую стойкость, на выходе каждого пучка, что существенно ограничивает возможности масштабирования мощности формируемого лазерного пучка. Кроме того, данный способ ограничен созданием лишь одного вида распределения интенсивности для данного набора элементов.A known method of forming a beam with a circular distribution of intensity using the method of spectral addition of many laser beams US 9366872-1 "Apparatus and method for fiber-laser output-beam shaping for spectral beam combining". This method involves the use of many laser beams, each of which has its own wavelength and is transmitted through a refractive or diffractive optical element, converting the intensity distribution of each beam from the Gaussian mode to the Laguerre-Gaussian mode LG 10 . Then all the beams are directed to a summing diffraction grating, which combines them into one annular beam. The disadvantage of this solution is the presence of optical refractive or diffraction elements having limited radiation resistance at the output of each beam, which significantly limits the ability to scale the power of the generated laser beam. In addition, this method is limited to creating only one type of intensity distribution for a given set of elements.
В работе K. Gao и др. (Gao, K. Flat-top beam generated by coherent beam combining of Gaussian lasers/ K.Gao, L.Xu, R.Zheng, G.Chen, H.Zheng, H.Ming// Chin. Opt. Lett.- 2010.- Vol. 8.- N. 1.- P. 45 – 47) исследовалась возможность формирования плоско-вершинного распределения интенсивности в результате управления исключительно амплитудами излучения сфазированных гауссовых лазерных пучков, объединенных в решетку гексагональной формы. Однако при этом признается необходимость сдвига фазы на величину π для тех пучков, амплитуда которых в расчетах принимает отрицательное значение. Данное значение фазы, как и любое другое заданное значение фазы для какого-либо пучка в решетке не может поддерживаться автоматически и требует введения в пучок стационарного фазового элемента, сдвигающего фазу данного пучка на величину π, в то время как цепь обратной связи на основе задания метрики в виде функции Эйри и алгоритма стохастической минимизации будет стремиться выровнять изменяющиеся во времени фазы всех пучков.K. Gao et al. (Gao, K. Flat-top beam generated by coherent beam combining of Gaussian lasers / K. Gao, L. Xu, R. Zheng, G. Chen, H. Zheng, H. Ming / / Chin. Opt. Lett.- 2010.- Vol. 8.- N. 1.- P. 45 - 47) the possibility of forming a flat-vertex intensity distribution as a result of controlling exclusively the radiation amplitudes of phased Gaussian laser beams combined into a hexagonal grating forms. However, this recognizes the need for a phase shift of π for those beams whose amplitude in the calculations takes a negative value. This phase value, like any other specified phase value for any beam in the lattice, cannot be supported automatically and requires introducing into the beam a stationary phase element that shifts the phase of the beam by π, while the feedback circuit based on the metric in the form of an Airy function and a stochastic minimization algorithm, it will seek to equalize the time-varying phases of all beams.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент РФ №2648975 «Способ получения скалярного вихревого пучка и устройство его реализации». В данном патенте предлагается метод и устройство для генерации составного (композитного) дальнепольного пучка, обладающего центральным нулем интенсивности (кольцевой пучок), путем управления фазой каждого «субпучка». Недостатком данного способа является ограниченное время «замороженности» фазового состояния каждого «субпучка» и, связанная с этим неустойчивость сформированного таким образом дальнепольного распределения интенсивности.Closest to the claimed invention is RF patent No. 2648975 "Method for producing a scalar vortex beam and a device for its implementation." This patent proposes a method and apparatus for generating a composite (composite) far field beam having a central zero intensity (ring beam) by controlling the phase of each “sub-beam”. The disadvantage of this method is the limited time of "freezing" of the phase state of each "sub-beam" and the associated instability of the thus formed far-field intensity distribution.
Сведения, раскрывающие сущность изобретенияSummary of the invention
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение состоит в создании способа и устройства для формирования оптического (лазерного) луча с произвольно заданным распределением интенсивности в дальнем поле.The problem to which the invention is directed is to create a method and device for forming an optical (laser) beam with an arbitrarily specified intensity distribution in the far field.
Поставленная цель достигается тем, что предложенный способ и устройство для формирования оптического (лазерного) луча с произвольно заданным распределением интенсивности в дальнем поле, как и прототип, включают в себя разделенное на N каналов линейно поляризованное лазерное излучение, направленное на N соответствующих фазовых модуляторов. После прохождения фазовых модуляторов мощность в каждом канале усиливается с помощью соответствующих N волоконных усилителей мощности. Усиленные каналы излучения выставляют так, чтобы их оптические оси были параллельны друг другу, при этом в каждом канале с помощью коллимирующих линз формируется плоский волновой фронт. Коллимирующие линзы образуют синтезированную апертуру, состоящую из отдельных гауссовых пучков, расположенных равномерно вдоль геометрических фигур, обладающих общим центром симметрии. В отличие от прототипа формирование заданного распределения интенсивности происходит в результате управления амплитудой отдельных пучков (управления мощностью излучения в каждом канале, посредством регулирования тока накачки усилителей мощности) и фазой отдельных пучков (путем регулирования модулирующего напряжения фазовых модуляторов). Для заданного распределения интенсивности в дальнем поле с помощью итерационного алгоритма заранее рассчитываются соответствующие значения заданной амплитуды и заданной фазы в ближнем оптическом поле для каждого отдельного пучка. Амплитуда каждого пучка задается путем установления тока накачки соответствующего усилителя мощности. Для управления фазой отдельных пучков малая часть мощности генерируемой синтезированной апертурой отделяется с помощью светоделительной пластины для формирования замкнутой цепи обратной связи. Соответствующее заданному распределению интенсивности заранее рассчитанное значение фазы каждого пучка в ближнем поле задается с помощью единого фазоформирующего элемента, расположенного в цепи обратной связи. Фазоформирующий элемент рассчитывается, изготавливается и настраивается таким образом, что каждому отдельному пучку в решетке соответствует отдельная область фазоформирующего элемента, вносящего сдвиг фазы на величину, равную величине заданной фазы для данного пучка в ближнем оптическом поле, но с противоположным знаком. После прохождения фазоформирующего элемента все пучки собираются и интерферируют в фокальной плоскости фокусирующей линзы, пропускаются через пространственный фильтр, представляющий собой малую диафрагму (pinhole) и прошедшая интенсивность излучения регистрируется фотоприемником. Образующаяся интерференционная картина будет иметь максимальный контраст, когда фазы всех интерферирующих пучков будут равны между собой, а это произойдет в том случае, когда фазы всех пучков в ближнем оптическом поле примут соответствующие значения заданной фазы. При этом сигнал фотоприемника будет достигать максимального уровня. Сигнал с фотоприемника поступает на многоканальный контроллер фазы, работающий на основе алгоритма поиска глобального максимума/минимума и генерирующий уровни напряжений, управляющие фазовыми модуляторами таким образом, чтобы постоянно поддерживать такое значение фазы для каждого пучка, при котором уровень сигнала на фотоприемнике будет иметь максимально возможное значение. При этом амплитуды и фазы всех пучков примут заданные значения, соответствующие тем, которые необходимы для формирования заданного распределения интенсивности в дальнем поле. Следует отметить, что в результате управления фазой пучков в соответствии с алгоритмом поиска глобального максимума/минимума все флуктуации фазы, вызванные тепловыми, механическими и акустическими флуктуациями показателя преломления и длины оптического волокна и длины, входящего в состав устройства также будут скомпенсированы, как это происходит в системах когерентного сложения лазерных пучков.This goal is achieved by the fact that the proposed method and device for forming an optical (laser) beam with an arbitrarily specified intensity distribution in the far field, as well as the prototype, include linearly polarized laser radiation divided into N channels directed to N corresponding phase modulators. After passing the phase modulators, the power in each channel is amplified using the corresponding N fiber power amplifiers. The amplified radiation channels are set so that their optical axes are parallel to each other, while a flat wavefront is formed in each channel using collimating lenses. Collimating lenses form a synthesized aperture, consisting of individual Gaussian beams located uniformly along geometric shapes that have a common center of symmetry. In contrast to the prototype, the formation of a given intensity distribution occurs as a result of controlling the amplitude of individual beams (controlling the radiation power in each channel by adjusting the pump current of power amplifiers) and the phase of individual beams (by adjusting the modulating voltage of the phase modulators). For a given intensity distribution in the far field, using the iterative algorithm, the corresponding values of the given amplitude and the given phase in the near optical field for each individual beam are calculated in advance. The amplitude of each beam is set by setting the pump current of the corresponding power amplifier. To control the phase of individual beams, a small part of the power generated by the synthesized aperture is separated using a beam splitter plate to form a closed feedback circuit. The pre-calculated phase value of each beam in the near field corresponding to a given intensity distribution is set using a single phase-forming element located in the feedback circuit. The phase-forming element is calculated, manufactured and adjusted in such a way that each individual beam in the grating corresponds to a separate region of the phase-forming element, introducing a phase shift by an amount equal to the specified phase for the given beam in the near optical field, but with the opposite sign. After passing through the phase forming element, all the beams are collected and interfere in the focal plane of the focusing lens, passed through a spatial filter, which is a small pinhole and the transmitted radiation intensity is detected by a photodetector. The resulting interference pattern will have maximum contrast when the phases of all the interfering beams are equal to each other, and this will happen when the phases of all the beams in the near optical field take the corresponding values of the given phase. In this case, the photodetector signal will reach a maximum level. The signal from the photodetector arrives at the multichannel phase controller, working on the basis of the global maximum / minimum search algorithm and generating voltage levels that control the phase modulators in such a way as to constantly maintain such a phase value for each beam at which the signal level at the photodetector will have the maximum possible value . In this case, the amplitudes and phases of all the beams will take the set values corresponding to those necessary for the formation of a given intensity distribution in the far field. It should be noted that as a result of controlling the phase of the beams in accordance with the global maximum / minimum search algorithm, all phase fluctuations caused by thermal, mechanical, and acoustic fluctuations in the refractive index and the length of the optical fiber and the length included in the device will also be compensated, as is the case in systems of coherent addition of laser beams.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения заключается в получении оптического пучка с произвольно заданным, контролируемым распределением интенсивности в дальнем поле путем формирования композитного пучка, состоящего из N ≥ 3 отдельных коллимированных, линейно поляризованных и параллельных друг другу гауссовых пучков, расположенных равномерно вдоль геометрических фигур, обладающих общим центром симметрии и настройки амплитуды и фазы каждого пучка так, чтобы они соответствовали заданному распределению интенсивности, формируемому при дифракционном перекрытии и интерференции пучков в дальнем оптическом поле и поддержании такого амплитудного и фазового состояния системы в течение неограниченного времени путем управления амплитудой и фазой отдельных пучков, образующих композитный пучок.The technical result achieved by the implementation of the claimed invention is to obtain an optical beam with an arbitrarily defined, controlled distribution of intensity in the far field by forming a composite beam consisting of N ≥ 3 separate collimated, linearly polarized and parallel to each other Gaussian beams located uniformly along geometric shapes having a common center of symmetry and adjusting the amplitude and phase of each beam so that they correspond to a given distribution iju intensity generated at the diffractive overlapping and interference of beams in the far field optical and maintaining the amplitude and phase of the system state indefinitely by controlling the amplitude and phase of the partial beams forming the composite beam.
Преимуществом заявляемого способа является то, что в отличие от известного способа, формирующего композитный пучок с орбитальным угловым моментом, и поддерживающим такое состояние композитного пучка в течение ограниченного времени, предлагаемый способ позволяет формировать пучки с заданным распределением интенсивности, включая пучки с орбитальным угловым моментом, и поддерживать заданное распределение интенсивности в течение неограниченного времени. An advantage of the proposed method is that, in contrast to the known method that generates a composite beam with an orbital angular momentum and maintains such a state of the composite beam for a limited time, the proposed method allows the formation of beams with a given intensity distribution, including beams with orbital angular momentum, and maintain a predetermined intensity distribution for an unlimited time.
Новым для способа является:New to the method is:
- формирование заданного распределения интенсивности в дальнем поле в результате управления амплитудой и фазой отдельных пучков, имеющих линейную поляризацию и составляющих синтезированную апертуру, причем управление фазой происходит в цепи обратной связи, содержащей фазоформирующий элемент, который заранее рассчитывается, изготавливается и настраивается таким образом, что каждому отдельному пучку в решетке соответствует отдельная область фазоформирующего элемента, вносящего сдвиг фазы на величину, равную величине заданной фазы для данного пучка в ближнем оптическом поле, но с противоположным знаком. - the formation of a given intensity distribution in the far field as a result of controlling the amplitude and phase of individual beams having linear polarization and constituting a synthesized aperture, and the phase is controlled in a feedback circuit containing a phase-forming element, which is pre-calculated, manufactured and adjusted in such a way that each a separate beam in the lattice corresponds to a separate region of the phase-forming element, introducing a phase shift by an amount equal to the value of the given phase d I am of the beam in the optical near-field, but with the opposite sign.
Одним из воплощений заявляемого способа является способ получения скалярного вихревого пучка, обладающего орбитальным угловым моментом и имеющего центральный «ноль» в дальнепольном распределении интенсивности. Данное воплощение способа отличается тем, все N ≥ 3 пучков располагаются равномерно вдоль окружности, их поляризации ориентируются однонаправлено, а в цепи обратной связи в качестве фазоформирующего элемента устанавливается спиральная фазовая пластинка, в которой направление возрастания фазы противоположно направлению возрастания фазы в синтезированном пучке, а суммарный набег фазы составляет 2πl, где l = ±1, ±2,… целое число, определяющее значение орбитального углового момента. Коллиматор, расположенный в центре окружности не используется. При прохождении данной спиральной фазовой пластинки каждый пучок приобретает дополнительный набег фазы, равный заданному значению фазы с противоположным знаком. При этом в плоскости фотоприемника происходит синфазное, когерентное сложение падающих пучков и сигнал, регистрируемый фотоприемником, достигает максимального значения. Результирующее распределение интенсивности соответствует синтезированному пучку, сформированному в соответствии с принципом образования пучков, обладающих орбитальным угловым моментом. При этом фазы соседних пучков вдоль периметра окружности в выходной плоскости синтезированной апертуры отличаются на величину 360°l/Nsub. One of the embodiments of the proposed method is a method of obtaining a scalar vortex beam having an orbital angular momentum and having a central "zero" in the far-field intensity distribution. This embodiment of the method is characterized in that all N ≥ 3 beams are arranged uniformly along the circumference, their polarizations are oriented unidirectionally, and a spiral phase plate is installed in the feedback circuit as a phase-forming element, in which the direction of phase increase is opposite to the direction of phase increase in the synthesized beam, and the total the phase incursion is 2πl, where l = ± 1, ± 2, ... an integer that determines the value of the orbital angular momentum. The collimator located in the center of the circle is not used. With the passage of this spiral phase plate, each beam acquires an additional phase incursion equal to a given phase value with the opposite sign. In this case, in-plane, coherent addition of incident beams occurs in the plane of the photodetector and the signal detected by the photodetector reaches its maximum value. The resulting intensity distribution corresponds to a synthesized beam formed in accordance with the principle of formation of beams having an orbital angular momentum. In this case, the phases of neighboring beams along the circumference in the output plane of the synthesized aperture differ by 360 ° l / N sub .
Одним из воплощений заявляемого способа является способ получения цилиндрического векторного пучка, обладающего спин-орбитальным угловым моментом m и имеющего центральный «ноль» в дальнепольном распределении интенсивности. Данное воплощение способа отличается тем, что все N ≥ 3 пучков располагаются равномерно вдоль окружности, их поляризации ориентируются радиально относительно центра окружности или по касательной к окружности (для m=1) или повернуты на угол 4π/N (N ≥6, для m =2), а в цепи обратной связи в качестве фазоформирующего элемента устанавливается полуволновой вихревой ретардер, представляющий собой полуволновую поляризационную пластинку (например, Thorlabs #WPV10L-1064 для m=1 или #WPV10-1064 для m=2), преобразующую направление поляризации падающих пучков так, что поляризации всех пучков становятся однонаправленными. Данное ситуация возможна при выполнении условия, при котором угол между направлением вектора поляризации k-того субпучка βk и удвоенным углом ориентации быстрой оси полуволновой пластинки в области падения k-того субпучка αk составляет 90°: 
Новым для устройства является: New for the device is:
- наличие многоканального контроллера, управляющего амплитудами отдельных пучков в соответствии с заранее рассчитанными для заданного распределения интенсивности в дальнем поле значениями;- the presence of a multi-channel controller that controls the amplitudes of individual beams in accordance with the values previously calculated for a given intensity distribution in the far field;
- введение заранее рассчитанного для заданного распределения интенсивности в дальнем поле фазоформирующего элемента, который располагается в цепи обратной связи, содержащей малую часть мощности, генерируемой синтезированной апертурой, что позволяет масштабировать мощность генерируемого лазерного пучка.- introduction of a phase-forming element pre-calculated for a given intensity distribution in the far field, which is located in the feedback circuit containing a small part of the power generated by the synthesized aperture, which allows you to scale the power of the generated laser beam.
В одном из воплощений заявляемого устройства в качестве фазоформирующего элемента используется заранее рассчитанная компьютерно-синтезированная голограмма.In one embodiment of the inventive device, a pre-calculated computer-synthesized hologram is used as a phase-forming element.
В одном из воплощений заявляемого устройства для формирования пучка, обладающего орбитальным угловым моментом и центральным «нулем» в распределении интенсивности в качестве фазоформирующего элемента используется полуволновой вихревой ретардер.In one embodiment of the inventive device for forming a beam having an orbital angular momentum and a central “zero” in the intensity distribution, a half-wave vortex retarder is used as a phase-forming element.
В одном из воплощений заявляемого устройства для формирования пучка, обладающего спин-орбитальным угловым моментом и центральным «нулем» в распределении интенсивности в качестве фазоформирующего элемента используется спиральная фазовая пластинка.In one embodiment of the inventive device for forming a beam having a spin-orbital angular momentum and a central “zero” in the intensity distribution, a spiral phase plate is used as a phase-forming element.
В одном из воплощений заявляемого устройства в качестве фазоформирующего элемента используется заранее рассчитанный дифракционный оптический элемент.In one embodiment of the inventive device, a pre-calculated diffractive optical element is used as a phase-forming element.
В одном из воплощений заявляемого устройства в качестве фазоформирующего элемента используется управляемое деформируемое зеркало, что позволяет быстро переходить от одного заданного распределения интенсивности к другому заданному распределению интенсивности.In one embodiment of the inventive device, a controlled deformable mirror is used as a phase-forming element, which allows you to quickly switch from one given intensity distribution to another given intensity distribution.
В одном из воплощений заявляемого устройства в качестве фазоформирующего элемента используется управляемый жидкокристаллический пространственный модулятор света.In one embodiment of the inventive device, a controlled liquid crystal spatial light modulator is used as a phase forming element.
В одном из воплощений заявляемого устройства для формирования пучка, обладающего спин-орбитальным угловым моментом и центральным «нулем» в распределении интенсивности в качестве фазоформирующего элемента используется полуволновой вихревой ретардер. In one embodiment of the inventive device for forming a beam having a spin-orbital angular momentum and a central “zero” in the intensity distribution, a half-wave vortex retarder is used as a phase-forming element.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.The invention is illustrated in graphic materials.
Описание работы устройства приведено на примере синтезированной апертуры, состоящей из гексагональной решетки близко расположенных друг к другу субапертур (волоконных коллиматоров). Число субапертур Nsub может составлять Nsub = 3, 7, 19, 37, 61 и т.д. Для Nsub > 3 число субапертур может быть вычислено по формуле 
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Принцип работы способа и устройства заключается в следующем:The principle of operation of the method and device is as follows:
Поле, излучаемое отдельной субапертурой можно представить в виде комплексной амплитуды:The field emitted by a separate subaperture can be represented as a complex amplitude:
где k = 1, 2,…, Nsub – номер субапертуры, 
С учетом гауссова распределения интенсивности внутри субапертурыGiven the Gaussian intensity distribution within the subaperture
где 
Тогда, поле, излучаемое синтезированной апертурой, состоящей из Nsub субапертур можно записать в следующем виде:Then, the field emitted by the synthesized aperture, consisting of N sub subapertures, can be written in the following form:
Разделим излучение, генерируемое синтезированной апертурой на два канала с помощью светоделительной пластины. Светоделительную пластину можно изготовить таким образом, что она будет делить пучок в соотношении мощностей 99:1. Таким образом, в первый канал будет поступать практически вся генерируемая мощность излучения. В результате полного дифракционного перекрытия и интерференции субпучков в дальней оптической зоне на дистанции L, первый канал излучения сформирует распределение интенсивностиWe divide the radiation generated by the synthesized aperture into two channels using a beam splitter plate. A beam splitter plate can be made in such a way that it will divide the beam in a power ratio of 99: 1. Thus, almost the entire generated radiation power will enter the first channel. As a result of complete diffraction overlap and interference of the sub-beams in the far optical zone at a distance L, the first radiation channel will form an intensity distribution
Здесь 
где 
При идеальном когерентном сложении пучков, когда 
В свою очередь, некогерентное сложение пучков происходит тогда, когда субпучки не интерферируют между собой, при этом значение суммы в уравнении (6) равно нулю и интенсивность на оси синтезированного пучкаIn turn, incoherent beam addition occurs when the sub-beams do not interfere with each other, while the sum value in equation (6) is zero and the intensity on the axis of the synthesized beam
В промежуточных случаях реализуется частично-когерентное сложение пучков, при этом вследствие интерференции могут быть сформированы пучки с различным распределением интенсивности.In intermediate cases, partially-coherent addition of beams is realized, and, due to interference, beams with different intensity distributions can be formed.
Пусть заданное распределение интенсивности в первом канале распространения синтезированного пучка на дистанции L достигается при начальном поле Let the given intensity distribution in the first propagation channel of the synthesized beam at a distance L be achieved with the initial field
где 
Зададим усиление для каждого субпучка таким образом, чтобы выполнить условие (9) для амплитуд излучения. Разместим во втором канале фазоформирующий элемент в область распространения синтезированного пучка, где еще нет перекрытия субпучков. Фазоформирующий элемент заранее рассчитывается и изготавливается таким образом, что в каждый канал распространения излучения субпучков вносится дополнительный набег фазы 
где 
Способ и устройство работают следующим образом:The method and device work as follows:
Устройство фиг.2. включает в себя когерентный источник линейно-поляризованного излучения 1 с волоконным выходом и волоконный делитель излучения на N (N ≥ 3) каналов 2, связанных каждый с одним из N волоконно-интегрированных оптических фазовых модуляторов 3, регулирующих фазу оптической волны в пределах ± mλ (где m – число более 1). Каждый из N каналов усиливается соответствующим волоконным усилителем 4 и имеет на выходе линзовый коллиматор 5, формирующий параллельный пучок лучей (субпучок). Все N коллиматоров позиционируются таким образом, чтобы на выходе образовать синтезированную апертуру (композитный пучок), представляющую собой решетку близко установленных друг к другу субапертур, оптические оси которых параллельны друг другу и расположены равномерно вдоль периметров геометрических фигур (окружностей, квадратов, шестиугольников), имеющих общий центр симметрии. Все оптические элементы данного устройства поддерживают исходное состояние поляризации, однако при этом возникают неконтролируемые изменения и флуктуации фаз отдельных пучков вследствие изменения длин оптических путей под действием внешних факторов. Все субпучки в результате дифракции перекрываются и интерферируют между собой на мишени 6, расположенной в дальнем оптическом поле, формируя распределение интенсивности композитного пучка. Малая доля мощности всего композитного пучка до перекрытия субпучков отделяется от целого композитного пучка с помощью светоделительной пластины 7 и с помощью 2-х линзового телескопа 8 преобразует размеры композитного пучка в соответствии с размерами рабочей поверхности фазоформирующего элемента 10, который осуществляет сдвиг фазы каждого субпучка на заранее определенную величину, соответствующую величине фазы субпучка, необходимой для формирования заданного распределения интенсивности, но с противоположным знаком. После прохождения фазоформирующего элемента 10, образованный композитный пучок собирается линзой 9, при этом субпучки интерферирую между собой в плоскости малой диафрагмы (пин-хола) 11 с размером отверстия, близким к дифракционному размеру сфокусированного линзой 9 пучка, имеющим диаметр, равный диаметру синтезированной апертуры и прошедшая через диафрагму мощность регистрируется фотоприемником 12. В связи с тем, что диафрагма имеет размер отверстия меньше ширины интерференционной полосы, сигнал с фотоприемника пропорционален интенсивности интерференционной полосы, а данная интенсивность достигает своего максимального значения, когда все субпучки, интерферирующие в плоскости диафрагмы, приходят в эту плоскость в состоянии с равной фазой. Данное условие достигается тем, что сигнал с фотоприемника поступает на многоканальный контроллер фазы 14, генерирующий напряжения для управления фазовыми модуляторами 3 и работающий по принципу стохастической минимизации, что позволяет поддерживать такое состояние фазы для каждого субпучка, при котором сигнал с фотоприемника поддерживается на максимально возможном уровне. Кроме того, для достижения заданного распределения интенсивности, характеризуемого не только фазами, но и амплитудами интерферирующих пучков, заранее определенное для заданного распределения интенсивности распределение амплитуд, поддерживается с помощью контроллера амплитуды 13, управляющего токами накачки соответствующих волоконных усилителей мощности.The device of figure 2. includes a coherent source of linearly
В устройстве, изображенном на фиг.2 в качестве фазоформирующего элемента 10 используется заранее рассчитанная и изготовленная компьютерно-синтезированная голограмма. In the device depicted in figure 2 as a phase-forming
Пример устройства для формирования синтезированного пучка, обладающего орбитальны угловым моментом и центральным «нулем» в распределении интенсивности, с использованием в качестве фазоформирующего элемента спиральной фазовой пластинки представлен на фиг.3. В данном воплощении синтезированная апертура состоит из коллиматоров 5, оптические оси которых параллельны друг другу, и расположенных равномерно вдоль периметра окружности. Коллиматор, расположенный в центре окружности не используется. Поляризации всех пучков ориентированы однонаправлено. Стрелка а на фиг.3 показывает одно из двух возможных направлений возрастания фазы субпучков для достижения заданного распределения интенсивности и знака орбитального углового момента. Данное состояние фаз субпучков достигается тем, что во втором канале распространения излучения расположена спиральная фазовая пластинка 10, в которой направление возрастания фазы (изображено стрелкой б) противоположно направлению возрастания фазы субпучков. При прохождении данной спиральной фазовой пластинки каждый пучок приобретает дополнительный набег фазы, равный заданному значению фазы с противоположным знаком. Таким образом, все субпучки приходят в плоскость приемной площадки фотоприемника 12 в состоянии с равной фазой, при условии, что нестационарная фаза 
На фиг.4 представлен пример устройства для формирования синтезированного пучка, обладающего спин-орбитальным угловым моментом и центральным «нулем» в распределении интенсивности, с использованием в качестве фазоформирующего элемента полуволнового вихревого ретардера. В данном воплощении, для упрощения представленном в виде апертуры, состоящей из 7 пучков, синтезированная апертура состоит из коллиматоров 5, оптические оси которых параллельны друг другу, и расположенных равномерно вдоль периметра окружности. Коллиматор, расположенный в центре окружности не используется. Поляризации пучков заранее выставлены в соответствии с принципами формирования цилиндрических векторных пучков. А именно, радиально (фиг.5 а) или азимутально (фиг. 5б) относительно центра синтезированной апертуры для формирования пучка, обладающего спин-орбитальным угловым моментом величиной m = 1. Для формирования пучка с m = 2 (фиг. 5в) синтезированная апертура делится на две части (например, по 3 субпучка) и в каждой из этих частей поляризации субпучков ориентированы азимутально. Для поддержания такого состояния в течение продолжительного времени необходимо скомпенсировать временные флуктуации нестационарной фазы
В устройстве, изображенном на фиг.6 в качестве фазоформирующего элемента 10 используется заранее рассчитанный и изготовленный дифракционный оптический элемент.In the device depicted in Fig.6 as a phase-forming
В устройстве, изображенном на фиг.7 в качестве фазоформирующего элемента 10 используется управляемое деформируемое зеркало. Деформируемое зеркало в отличие от компьютерно-синтезированных голограмм, спиральных фазовых пластинок, полуволновых вихревых ретардеров и дифракционных оптических элементов не является статическим элементом, рассчитанным и изготовленным для формирования одного конкретного распределения фазы, и позволяет воспроизводить различные, заранее рассчитанные распределения, записанные на компьютере 15.In the device shown in Fig.7 as a phase-forming
В устройстве, изображенном на фиг.8 в качестве фазоформирующего элемента 10 используется управляемый жидкокристаллический пространственный модулятор света, который позволяет воспроизводить различные, заранее рассчитанные распределения фазы, записанные на компьютере 15.In the device depicted in Fig. 8, a controlled liquid crystal spatial light modulator is used as the phase-forming
На фиг.9 представлены результаты формирования прямоугольного плосковершинного распределения интенсивности для решетки субапертур Nsub = 19 путем амплитудного и фазового управления с использованием управляемого деформируемого зеркала или жидкокристаллического пространственного модулятора света.Figure 9 presents the results of the formation of a rectangular flat-top intensity distribution for a lattice of subapertures N sub = 19 by amplitude and phase control using a controlled deformable mirror or a liquid crystal spatial light modulator.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019125504A RU2716887C1 (en) | 2019-08-13 | 2019-08-13 | Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019125504A RU2716887C1 (en) | 2019-08-13 | 2019-08-13 | Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2716887C1 true RU2716887C1 (en) | 2020-03-17 |
Family
ID=69898590
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019125504A RU2716887C1 (en) | 2019-08-13 | 2019-08-13 | Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2716887C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2777799C1 (en) * | 2021-07-20 | 2022-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Integrated optical system for spatial separation of scalar beams with orbital angular moments (oam) |
| CN115469450A (en) * | 2022-08-24 | 2022-12-13 | 哈尔滨理工大学 | Geometric phase element, optical axis design method thereof and arbitrary vector light field generation device |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008045654A2 (en) * | 2006-10-05 | 2008-04-17 | Northrop Grumman Corporation | Method and system for hybrid coherent and incoherent diffractive beam combining |
| CN104216123A (en) * | 2014-09-26 | 2014-12-17 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | Fiber laser array group beam system based on self-adaptation polarization and phase control |
| US20150234195A1 (en) * | 2014-02-18 | 2015-08-20 | Lockheed Martin Corporation | Apparatus and method for fiber-laser output-beam shaping for spectral beam combination |
| RU2648975C2 (en) * | 2016-08-08 | 2018-03-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Method for obtaining a scalar vortex beam and device for its implementation |
-
2019
- 2019-08-13 RU RU2019125504A patent/RU2716887C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008045654A2 (en) * | 2006-10-05 | 2008-04-17 | Northrop Grumman Corporation | Method and system for hybrid coherent and incoherent diffractive beam combining |
| US20150234195A1 (en) * | 2014-02-18 | 2015-08-20 | Lockheed Martin Corporation | Apparatus and method for fiber-laser output-beam shaping for spectral beam combination |
| CN104216123A (en) * | 2014-09-26 | 2014-12-17 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | Fiber laser array group beam system based on self-adaptation polarization and phase control |
| RU2648975C2 (en) * | 2016-08-08 | 2018-03-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Method for obtaining a scalar vortex beam and device for its implementation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Kun Gao "Flat-top beam generated by coherent beam combining of Gaussian lasers", Chinesse optics letters, Jan 10, 2010, Vol 8, No 1. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2777799C1 (en) * | 2021-07-20 | 2022-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Integrated optical system for spatial separation of scalar beams with orbital angular moments (oam) |
| CN115469450A (en) * | 2022-08-24 | 2022-12-13 | 哈尔滨理工大学 | Geometric phase element, optical axis design method thereof and arbitrary vector light field generation device |
| RU2804262C1 (en) * | 2023-05-15 | 2023-09-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Method for amplitude, phase and polarization control in phased array of fibre amplifiers and control of distributed state of intensity, wave front and polarization of synthesized beam in the far optical field and device for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7324286B1 (en) | Optical beam steering and switching by optically controlled liquid crystal spatial light modulator with angular magnification by high efficiency PTR Bragg gratings | |
| US4856884A (en) | Dynamically matched optical filtering in a multiple telescope imaging system | |
| Laskin et al. | Imaging techniques with refractive beam shaping optics | |
| Andersen et al. | Holographic wavefront sensor | |
| US10054859B2 (en) | Real-time variable parameter micro-nano optical field modulation system and interference lithography system | |
| US20220376461A1 (en) | Device, laser system and method for combining coherent laser beams | |
| CN104635344A (en) | Bessel light beam generating device with adjustable parameters and production method of bessel beam generating device | |
| CN111007587A (en) | Full-medium broadband polarization and phase control super-surface and far-field super-resolution focusing device | |
| RU2716887C1 (en) | Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation | |
| Ruane et al. | Vortex fiber nulling for exoplanet observations: conceptual design, theoretical performance, and initial scientific yield predictions | |
| JP2021043295A (en) | Polarizing diffractive element and vector beam mode detection system using the same | |
| Anaya Carvajal et al. | Generation of perfect optical vortices by using a transmission liquid crystal spatial light modulator | |
| Venediktov et al. | Holographic wavefront sensors | |
| CN111735535B (en) | Real-time dynamic precise regulation and control device and method for three-dimensional focusing array | |
| US20220360036A1 (en) | Apparatus, laser system and method for combining coherent laser beams | |
| RU2648975C2 (en) | Method for obtaining a scalar vortex beam and device for its implementation | |
| Cao et al. | Imaging spectral device based on multiple volume holographic gratings | |
| Kollarova et al. | Application of nondiffracting beams to wireless optical communications | |
| RU2804262C1 (en) | Method for amplitude, phase and polarization control in phased array of fibre amplifiers and control of distributed state of intensity, wave front and polarization of synthesized beam in the far optical field and device for its implementation | |
| Hutley et al. | Manufacture of blazed zone plates in germanium for use in the 10 micrometer spectral region | |
| US9575464B2 (en) | Non-mechanical digital/holographic wide angle control of one or more lasers beams | |
| RU2720263C1 (en) | Method of internal feedback loop arrangement for phase synchronization of fibre lasers grid in systems of coherent addition of beams and device for implementation thereof | |
| Ghebjagh et al. | Tunable multi-focal Diffractive lens | |
| Karpeev et al. | Interference shaper of polarization-inhomogeneous laser beams based on a spatial light modulator | |
| RU2766851C1 (en) | Holographic device for controlling shape of large-size concave aspherical optical surfaces |