CN107024768B - 一种基于涡旋光束的光斑形状调制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于涡旋光束的光斑形状调制系统及方法，其原理在于，激光器发出激光光束，通过光分束器，分为上下两个分支光束；上分支光束经过螺旋相位板，横向光电场的相位得到螺旋型相位结构，输出涡旋光束，其特征参量“拓扑荷数”由螺旋相位板决定；所述涡旋光束经过第一反射镜将光路进行转向输出给光合束器；下分支光束经过第二反射镜将光路进行转向；再经相位调制器，相位延迟得到调制，并输出给光合束器；上下两个分支光束在光合束器汇合，经过后有两路输出，取其中任意一路输出，该输出的合成光束就是具备光斑形状调制的光束。本发明能够灵活地改变光斑的基本形状，方便地获得更多光斑形状，可应用于激光加工和光编码等领域。

Description

一种基于涡旋光束的光斑形状调制系统及方法
技术领域
本发明涉及光斑形状调制领域，具体为一种基于涡旋光束的光斑形状调制系统及方法。
背景技术
目前，对于光束的调制，主要有以下几种方式：强度调制、相位调制、偏振调制。强度调制针对光电场的振幅，分为内调制和外调制。内调制的典型代表半导体激光器，通过改变注入电流从而改变半导体激光器的输出光强；外调制则是采用斩波器之类的器件对激光器的输出光强进行改变。相位调制针对光电场的相位，通常情况下，可以通过改变光程或者等效折射率的方法，来达到改变光电场的效果。偏振调制制针对光电场的振动方向(偏振方向)，通常可以采用玻片或者玻片组合来改变光电场的振动方向。
和上述的三种调制方式不同的是，本发明技术方案需要改变的光斑的形状，即横截面上光强的分布。传统的研究中，也有对光斑进行改变的光学方法，例如采用衍射光学元件，对光斑进行整形。这种传统的方法，一旦系统搭建完毕，只能完成特定的光斑改变(通常是将椭圆形光斑改变为圆形光斑，或者将圆形光斑改变为方形光斑)，只能对光斑进行改变，不能称得上调制。而本发明技术方案可以通过改变电压，灵活快速改变光斑形状，有望在激光加工和光通信编码上引导出新型的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于涡旋光束的光斑形状调制系统及方法，通过激光器发出激光光束，通过光分束器分为上下两个分支光束；上分支光束经过螺旋相位板，横向光电场的相位得到螺旋型相位结构，输出的光束为涡旋光束，其特征参量“拓扑荷数”由螺旋相位板决定；下分支光束经过相位调制器，相位延迟得到调制；上下两个分支光路在光合束器汇合，经过后有两路输出，取其中一路即可，该输出的合成光束就是具备“光斑形状调制”的光束。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于涡旋光束的光斑形状调制系统，包括：激光器、光分束器、第一螺旋相位板、第一反射镜、第二反射镜、相位调制器和光合束器；所述光分束器与所述激光器相连用于接收所述激光器发出激光光束，将所述激光光束按照比例分配与上下两个分支光束；所述螺旋相位板与所述光分束器相连用于接收所述光分束器产生的上分支光束，将横向光电场进行螺旋形相位改变获得涡旋光束；所述第一反射镜与所述螺旋相位板相连用于将所述涡旋光束进行转向；所述第二反射镜与所述光分束器相连用于将所述光分束器产生的下分支光束进行转向；所述相位调制器与所述第二反射镜相连用于改变所述下分支光束的相位延迟；所述光合束器与所述第一反射镜和所述相位调制器的输出分别相连用于将上下两个分支光束进行合束，并输出两路输出中的任意一路。
优选的，所述螺旋相位板提供的特征参量“拓扑荷数”可改变。
优选的，所述相位调制器的等效相位延迟可设置。
优选的，所述第二反射镜与所述相位调制器之间连接有第二螺旋相位板。
优选的，所述相位调制器为电调制型。
一种基于涡旋光束的光斑形状调制方法，包括：
工作于连续状态或脉冲工作状态的激光器发出激光光束，通过光分束器，分为上下两个分支光束；
上分支光束经过螺旋相位板，横向光电场的相位得到螺旋型相位结构，输出涡旋光束，其特征参量“拓扑荷数”由螺旋相位板决定；所述涡旋光束经过第一反射镜将光路进行转向输出给光合束器；
下分支光束经过第二反射镜将光路进行转向；再经相位调制器，相位延迟得到调制，并输出给光合束器；
上下两个分支光束在光合束器汇合，经过后有两路输出，取其中任意一路输出，该输出的合成光束就是具备光斑形状调制的光束。
优选的，所述螺旋相位板提供的特征参量“拓扑荷数”可改变。
优选的，所述相位调制器的等效相位延迟可设置。
优选的，所述第二反射镜与所述相位调制器之间连接有第二螺旋相位板。
优选的，所述相位调制器为电调制型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明能够灵活地改变光斑的基本形状；
2、本发明能够方便地获得更多光斑形状；
3、当激光器工作于连续状态时，本发明可以拓展为光通信系统的发射端，系统的通信速度将大大提高；
4、当激光器工作于脉冲状态时，针对依次序列的光脉冲，可以通过调节相位调制器，赋予各个脉冲不同的光斑形状，在激光加工中实现“动态”激光加工。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于涡旋光束的光斑形状调制系统及方法不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明系统的整体结构示意图；
图2为本发明的光斑形状参考图。
附图标记：1、激光器，2、光分束器，3、第一螺旋相位板，4、第一反射镜，5、第二反射镜，6、相位调制器，7、光合束器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，一种基于涡旋光束的光斑形状调制系统，包括：激光器1、光分束器2、第一螺旋相位板3、第一反射镜4、第二反射镜5、相位调制器6和光合束器7；所述光分束器2与所述激光器1相连用于接收所述激光器1发出激光光束，将所述激光光束按照比例分配与上下两个分支光束；所述螺旋相位板3与所述光分束器2相连用于接收所述光分束器2产生的上分支光束，将横向光电场进行螺旋形相位改变获得涡旋光束；所述第一反射镜4与所述螺旋相位板3相连用于将所述涡旋光束进行转向；所述第二反射镜5与所述光分束器2相连用于将所述光分束器2产生的下分支光束进行转向；所述相位调制器6与所述第二反射镜5相连用于改变所述下分支光束的相位延迟；所述光合束器7与所述第一反射镜4和所述相位调制器6的输出分别相连用于将上下两个分支光束进行合束，并输出两路输出中的任意一路，其中两路的输出是一样的。
一种基于涡旋光束的光斑形状调制方法，包括：
工作于连续状态或脉冲工作状态的激光器1发出激光光束，通过光分束器2，分为上下两个分支光束；
上分支光束经过螺旋相位板3，横向光电场的相位得到螺旋型相位结构，输出涡旋光束，其特征参量“拓扑荷数”由螺旋相位板3决定；所述涡旋光束经过第一反射镜4将光路进行转向输出给光合束器7；
下分支光束经过第二反射镜5将光路进行转向；再经相位调制器6，相位延迟得到调制，并输出给光合束器7；
上下两个分支光束在光合束器7汇合，经过7后有两路输出，取其中任意一路输出，该输出的合成光束就是具备光斑形状调制的光束。
如下为光斑形状调制过程的说明：
假设螺旋相位板3提供的特征参量“拓扑荷数”等于3，在此基础上，将相位调制器6的等效相位延迟分别设置为四种情况：0，π/12,π/6,π/2,那么在光合束器7输出端分别可以获得如图2所示的四种不同形状的光斑。
图2中光斑的基本形状类似，都含有3个亮斑以及4个暗斑，这个共同之处可以成为光斑的基本形状，差异在于亮斑与暗斑的分布位置。
一实施例之中，如果将螺旋相位板3进行更换，其提供的特征参量“拓扑荷数”可以改变，在光合束器7输出端，光斑的基本形状可以改变(多个花瓣形状的光斑)。
一实施例之中，如果下分支中，相位调制器6的前面插入一个螺旋相位板，在光合束器7输出端，光斑的基本形状可以更加灵活改变。
一实施例之中，相位调制器6可以为很多种类型，以电调制型为例，调制电压不同，获得的相位延迟不同，则对应的光斑形状(亮斑与暗斑的分布位置)更多。
一实施例之中，如果激光器工作于连续状态，本发明系统可以拓展为光通信系统的发射端。以相位调制器6为电调制型为例说明，在图2中，一个调制电压，对应四种光斑，可以表示两个比特位，如果更换螺旋相位板3，用来配合相位调制器6，以便获得N种光斑，那么，一个调制电压，对应log2N个比特位，系统的通信速度提高到log2N倍。
一实施例之中，光合束器7的输出端，光斑的基本形状(亮斑与暗斑的分布位置)可以连续改变，以相位调制器6为电调制型为例说明，只需要连续周期性改变调制电压即可。这种情况下，连续改变的光斑形状有望获得新的应用。
一实施例之中，如果激光器工作于脉冲状态，针对依次序列的光脉冲，可以通过调节相位调制器6，赋予各个脉冲不同的光斑形状，在激光加工中实现“动态”激光加工。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于涡旋光束的光斑形状调制系统，其特征在于，包括：激光器(1)、光分束器(2)、第一螺旋相位板(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、相位调制器(6)和光合束器(7)；所述光分束器(2)与所述激光器(1)相连用于接收所述激光器(1)发出激光光束，将所述激光光束按照比例分配与上下两个分支光束；所述螺旋相位板(3)与所述光分束器(2)相连用于接收所述光分束器(2)产生的上分支光束，将横向光电场进行螺旋形相位改变获得涡旋光束；所述第一反射镜(4)与所述螺旋相位板(3)相连用于将所述涡旋光束进行转向；所述第二反射镜(5)与所述光分束器(2)相连用于将所述光分束器(2)产生的下分支光束进行转向；所述相位调制器(6)与所述第二反射镜(5)相连用于改变所述下分支光束的相位延迟；所述光合束器(7)与所述第一反射镜(4)和所述相位调制器(6)的输出分别相连用于将上下两个分支光束进行合束，并输出两路输出中的任意一路；
所述螺旋相位板(3)提供的特征参量“拓扑荷数”可改变；
所述相位调制器(6)的等效相位延迟可设置。
2.根据权利要求1所述的基于涡旋光束的光斑形状调制系统，其特征在于：
所述第二反射镜(5)与所述相位调制器(6)之间连接有第二螺旋相位板。
3.根据权利要求1所述的基于涡旋光束的光斑形状调制系统，其特征在于：
所述相位调制器(6)为电调制型。
4.一种基于涡旋光束的光斑形状调制方法，其特征在于，包括：
工作于连续状态或脉冲工作状态的激光器(1)发出激光光束，通过光分束器(2)，分为上下两个分支光束；
上分支光束经过螺旋相位板(3)，横向光电场的相位得到螺旋型相位结构，输出涡旋光束，其特征参量“拓扑荷数”由螺旋相位板(3)决定；所述涡旋光束经过第一反射镜(4)将光路进行转向输出给光合束器(7)；
下分支光束经过第二反射镜(5)将光路进行转向；再经相位调制器(6)，相位延迟得到调制，并输出给光合束器(7)；
上下两个分支光束在光合束器(7)汇合，经过光合束器(7)后有两路输出，取其中任意一路输出，该输出的合成光束就是具备光斑形状调制的光束；
所述螺旋相位板(3)提供的特征参量“拓扑荷数”可改变；
所述相位调制器(6)的等效相位延迟可设置。
5.根据权利要求4所述的基于涡旋光束的光斑形状调制方法，其特征在于：
所述第二反射镜(5)与所述相位调制器(6)之间连接有第二螺旋相位板。
6.根据权利要求4所述的基于涡旋光束的光斑形状调制方法，其特征在于：
所述相位调制器(6)为电调制型。
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