CN112164973B - 实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统及方法，n束子激光各自对应的子激光路径上依次设有相位调制器、级联光纤放大器和准直器，n个准直器按照圆环形阵列排布形成准直器阵列。准直器阵列输出的相干光纤激光阵列入射到高反射镜，高反射镜的透射光路上依次设有4‑F成像系统、空间光相位调制器、透镜和光电探测器阵列，空间光相位调制器加载有复杂相位板，各光电探测器前均安装有小孔光阑，光电探测器阵列与相位控制器连接，相位控制器处理接收到的电信号，并对各相位调制器施加对应的相位控制电压，实现闭环相位控制。本发明在补偿动态相位噪声的同时确保单元光束活塞相位的高速调制，从而实现产生轨道角动量光束模式的高速切换。

Description

实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤激光相干合成技术领域，特别是涉及一种实现轨道角动量光束模式切换的相干光纤激光阵列相位控制系统及方法。

背景技术

近年来，随着激光技术的发展，科研人员对光场的操控能力得到了提升。对光场的空间结构进行操控可以产生振幅、相位、偏振态和相干度具有特殊空间分布的结构光场，结构光场的产生与调控不仅展现了新颖的物理效应和现象，还拓展了包含空间光通信、光学微操纵、超分辨率光成像、激光烧蚀、材料加工等在内的多种应用。

作为结构光场中具有代表性的一类，相位具有螺旋结构的轨道角动量光束以其独特的环形光强分布，螺旋结构相位分布和携带轨道角动量的动力学特性引起了国内外研究人员的广泛关注。

轨道角动量光束的不同模式空间正交，在应用于通信系统时具有提升通信容量的巨大潜力，而对于直接利用轨道角动量模式进行信息编码这一工作方式，提升轨道角动量光束的模式切换速度是长期以来需要解决的问题。针对这一问题，利用光纤激光相干合成产生轨道角动量光束提供了一种有效的途径，一方面相干合成具有功率提升潜力，有望提高输出轨道角动量光束的功率，另一方面，相干合成系统中的关键器件相位调制器工作频率较高，可以确保子激光高速相位切换，进而实现产生轨道角动量光束的高速模式切换。

在光纤激光相干合成系统中，特别是工作在高功率条件下，受热和环境扰动等因素影响，动态相位噪声难以避免，严重影响相干合成产生轨道角动量的效率和模式纯度。同时，为了实现轨道角动量光束的快速模式切换，需要在补偿动态相位噪声的同时主动引入高速动态相移，光纤激光相干合成系统的现有相位控制方法在预期相位确定的同时补偿动态相位噪声方面已取得了显著进展，而在高速切换预期相位的同时实现动态相位噪声补偿十分困难。因此，需要在光纤激光阵列系统中提出一种实现轨道角动量光束模式切换的相位控制方法。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统及方法。本发明可以在补偿动态相位噪声的同时确保子激光活塞相位的高速调制，从而实现产生轨道角动量光束模式的高速切换。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，子激光产生单元、相位调制器、级联光纤放大器、准直器阵列、高反射镜、4-F成像系统、空间光相位调制器、透镜、光电探测器阵列和相位控制器。

子激光产生单元产生n束子激光。n路子激光分别对应一路子激光路径，各路子激光路径上依次设有相位调制器、级联光纤放大器和准直器，n个准直器按照圆环形阵列排布形成准直器阵列。准直器阵列输出的相干光纤激光阵列入射到高反射镜，高反射镜的透射输出光路上依次设有4-F成像系统、空间光相位调制器、透镜和光电探测器阵列，空间光相位调制器加载有复杂相位板，光电探测器阵列中的各光电探测器前均安装有小孔光阑，光电探测器阵列与相位控制器连接，将探测到的光强信号转换为电信号传输至相位控制器，相位控制器处理接收到的电信号，并对各路子激光路径中的相位调制器施加对应的相位控制电压，实现系统的闭环相位控制。

进一步地，本发明所述子激光产生单元包括种子源，预放大器和光纤分束器，种子源输出的激光经预放大器放大后通过光纤分束器分束为n束子激光。

进一步地，本发明中的n路子激光分别在其对应的子激光路径中经过相位调制器进行相位调控，并通过级联光纤放大器进一步提升功率，并由准直器阵列在发射面输出相干光纤激光阵列。

进一步地，本发明中的相干光纤激光阵列经过高反射镜分为两部分，其中高功率的反射光束作为整个系统的输出光束，低功率的透射光束经过4-F成像系统进行空间滤波，并由位于4-F成像系统其第二个透镜后焦平面的空间光相位调制器进行相位调制，经过空间光相位调制器相位调制的输出激光通过透镜后被光电探测器阵列采集。

进一步地，本发明中的所述准直器阵列包含N_circ个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的准直器沿角向均匀排布，N_circ个圆环形子阵列中所有的准直器的总数目为n个。

进一步地，本发明中的空间光相位调制器加载复杂相位板表达式为：

其中，ψ为空间光相位调制器平面的角向坐标，N为相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的可切换模式数量，l_m为第m个模式的轨道角动量模式阶数，k为波数，α_m和β_m为轨道角动量模式阶数为l_m的轨道角动量光束经过加载复杂相位板的空间光相位调制器后的水平方向衍射角和垂直方向衍射角。

进一步地，光电探测器阵列中光电探测器的数目与轨道角动量光束的可切换模式数量相同。光电探测器阵列的排布形式可以按照一维直线排布，也可以按照二维正方形、圆形、正六边形排布，具体排布方式由空间光相位调制器加载复杂相位板决定。

本发明中的相干光纤激光阵列产生不同轨道角动量模式阶数的轨道角动量光束经过加载复杂相位板的空间光相位调制器后，将沿着不同的衍射角传输，并由光电探测器阵列中不同位置的光电探测器接收，轨道角动量模式阶数为l_m的轨道角动量光束被光电探测器阵列中第m个光电探测器接收，第m个光电探测器的探测功率表示为J_m，则相位控制器所加载相位控制优化算法的评价函数为：

J＝[J₁ J₂ ... J_N]W^T

其中W＝[w₁ w₂...w_N]为权重向量，w₁ w₂...w_N分别表示第1个，第2个，…，第N个光电探测器提取评价函数的权重。

当相位控制系统工作在闭环状态时，在相位控制后评价函数收敛于极大值，从而补偿相位噪声；当相位控制系统实施模式切换时，将权重向量进行调制，从而改变相位控制优化算法的评价函数，评价函数切换后，相位控制使评价函数收敛于极大值，此时发射面相干光纤激光阵列的相位分布为产生预期轨道角动量模式阶数的轨道角动量光束对应的相位分布。

基于上述实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，本发明提供一种实现轨道角动量光束模式切换的相位控制方法，包括：

设准直器阵列在发射面输出的相干光纤激光阵列包含N_circ个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的子激光沿角向均匀排布，N_circ个圆环形子阵列中所有的子激光的总数目为n束，各路子激光的束腰半径为w₀，波长为λ，光束口径为d，振幅为A₀。发射面相干光纤激光阵列的光场分布为：

其中，(x,y)为发射面坐标，N_j为第j个圆环形子阵列包含的子激光数目，(x_j,h,y_j,h)和φ_j,h为第j个圆环形子阵列上第h个子激光的中心坐标和活塞相位；

第j个圆环形子阵列上第h个子激光的中心坐标参数满足：

其中，r_j为第j个圆环形子阵列子激光中心与发射面相干光纤激光阵列中心的间距。

对于产生l阶轨道角动量模式的轨道角动量光束，发射面相干光纤激光阵列中第j个圆环形子阵列上第h个子激光的活塞相位参数满足：

空间光相位调制器加载复杂相位板表达式为：

其中，ψ为空间光相位调制器平面的角向坐标，N为相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的可切换模式数量，l_m为第m个模式的轨道角动量模式阶数，k为波数，α_m和β_m为轨道角动量模式阶数为l_m的轨道角动量光束经过加载复杂相位板的空间光相位调制器后的水平方向衍射角和垂直方向衍射角。

相干光纤激光阵列产生不同轨道角动量模式阶数的轨道角动量光束经过加载复杂相位板的空间光相位调制器后，将沿着不同的衍射角传输，并由光电探测器阵列中不同位置的光电探测器接收，轨道角动量模式阶数为l_m的轨道角动量光束被光电探测器阵列中第m个光电探测器接收，第m个光电探测器的探测功率表示为J_m，则相位控制器所加载相位控制优化算法的评价函数为：

J＝[J₁ J₂ ... J_N]W^T

其中W＝[w₁ w₂...w_N]为权重向量，w₁ w₂...w_N分别表示第1个，第2个，…，第N个光电探测器提取评价函数的权重。

当相位控制系统工作在闭环状态时，在相位控制后评价函数收敛于极大值，从而补偿相位噪声。当相位控制系统实施模式切换时，将权重向量进行调制，从而改变相位控制优化算法的评价函数，评价函数切换后，相位控制使评价函数收敛于极大值，此时发射面相干光纤激光阵列的相位分布为产生预期轨道角动量模式阶数的轨道角动量光束对应的相位分布。

相位控制器所加载相位控制优化算法不限，可以是随机并行梯度下降算法、粒子群优化算法、模拟退火算法等。

本发明的有益效果如下：

本发明可以补偿光纤激光阵列系统中由热和环境扰动引起的相位噪声，确保轨道角动量光束的稳定产生，具有功率拓展潜力。

本发明可以在补偿动态相位噪声的同时实现高速轨道角动量模式切换。

本发明具有产生高功率，模式可高速切换轨道角动量光束的潜力，在实际工程应用中与通信系统兼容，可作为轨道角动量模式编码通信系统的光源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为实施例1的光路图；

图2为发射面相干光纤激光阵列排布示意图；

图3为发射面相干光纤激光阵列光强分布；

图4为发射面相干光纤激光阵列相位分布；

图5为空间光相位调制器加载复杂相位板相位分布；

图6为光电探测器阵列接收平面光强分布；

图7为控制过程归一化评价函数演化曲线；

图8为相位优化控制过程完成后，产生轨道角动量光束的主环平均轨道角动量模式谱分布。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

参照图1，本实施例提供一种实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，包括子激光产生单元、相位调制器4、级联光纤放大器5、准直器阵列6、高反射镜7、4-F成像系统8、空间光相位调制器9、透镜10、光电探测器阵列11和相位控制器12。.

子激光产生单元用于产生n束子激光。子激光产生单元包括种子源1，预放大器2和光纤分束器3，种子源1输出的激光经预放大器2放大后通过光纤分束器3分束为n束子激光。

n路子激光分别对应一路子激光路径，各路子激光路径上依次设有相位调制器4、级联光纤放大器5和准直器，n个准直器按照圆环形阵列排布形成准直器阵列6。准直器阵列6包含N_circ个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的准直器沿角向均匀排布，N_circ个圆环形子阵列中所有的准直器的总数目为n个。参照图2，准直器阵列6在发射面输出的相干光纤激光阵列排布如图2所示，发射面相干光纤激光阵列包含N_circ个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的子激光沿角向均匀排布。各路子激光经过相位调制器进行相位调控，并通过级联光纤放大器进一步提升功率，并由准直器阵列在发射面输出到自由空间。

准直器阵列6输出的相干光纤激光阵列入射到高反射镜7，高反射镜7的透射输出光路上依次设有4-F成像系统8、空间光相位调制器9、透镜10和光电探测器阵列11，空间光相位调制器9加载有复杂相位板，光电探测器阵列11中的各光电探测器前均安装有小孔光阑，光电探测器阵列11与相位控制器12连接，将探测到的光强信号转换为电信号传输至各路子激光路径中的相位调制器4。

准直器阵列6输出的相干光纤激光阵列经过高反射镜7分为两部分，其中高功率7的反射光束作为整个系统的输出光束，低功率的透射光束经过4-F成像系统8进行空间滤波，并由位于4-F成像系统8其第二个透镜后焦平面的空间光相位调制器9进行相位调制，空间光相位调制器9加载有复杂相位板；经过空间光相位调制器9相位调制的输出激光通过透镜10后被光电探测器阵列11采集，光电探测器阵列11中的各光电探测器前均安装有小孔光阑。光电探测器阵列11将探测到的光强信号转换为电信号，传输至相位控制器12。相位控制器12处理接收到的电信号，并对各路子激光路径中的相位调制器施加对应的相位控制电压，实现系统的闭环相位控制。

光电探测器阵列中光电探测器的数目与轨道角动量光束的可切换模式数量相同。光电探测器阵列的排布形式可以按照一维直线排布，也可以按照二维正方形、圆形、正六边形排布，具体排布方式由空间光相位调制器加载复杂相位板决定。

实施例2：

基于实施例1提供的实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，本实施例提供实现轨道角动量光束模式切换的相位控制方法，包括：

设各路子激光的束腰半径为w₀，波长为λ，光束口径为d，振幅为A₀，且第j个圆环形子阵列上的子激光中心与整个相干光纤激光阵列中心的间距为r_j。

如相位控制系统输出的发射面相干光纤激光阵列的光场分布为：

其中，(x,y)为发射面坐标，N_j为第j个圆环形子阵列包含的子激光数目，(x_j,h,y_j,h)和φ_j,h为第j个圆环形子阵列上第h个子激光的中心坐标和活塞相位。

则，第j个圆环形子阵列上第h个子激光的中心坐标参数需要满足：

其中，r_j为第j个圆环形子阵列子激光中心与发射面相干光纤激光阵列中心的间距。

对于产生l阶轨道角动量模式的轨道角动量光束，发射面相干光纤激光阵列中第j个圆环形子阵列上第h个子激光的活塞相位参数需要满足：

空间光相位调制器加载复杂相位板表达式为：

其中，ψ为空间光相位调制器平面的角向坐标，N为相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的可切换模式数量，l_m为第m个模式的轨道角动量模式阶数，k为波数，α_m和β_m为轨道角动量模式阶数为l_m的轨道角动量光束经过加载复杂相位板的空间光相位调制器后的水平方向衍射角和垂直方向衍射角。

相干光纤激光阵列产生不同轨道角动量模式阶数的轨道角动量光束经过加载复杂相位板的空间光相位调制器后，将沿着不同的衍射角传输，并由光电探测器阵列中不同位置的光电探测器接收，轨道角动量模式阶数为l_m的轨道角动量光束被光电探测器阵列中第m个光电探测器接收，第m个光电探测器的探测功率表示为J_m，则相位控制器所加载相位控制优化算法的评价函数为：

J＝[J₁ J₂ ... J_N]W^T

其中W＝[w₁ w₂...w_N]为权重向量，w₁ w₂...w_N分别表示第1个，第2个，…，第N个光电探测器提取评价函数的权重。相位控制器所加载相位控制优化算法不限，可以是随机并行梯度下降算法、粒子群优化算法、模拟退火算法等。

当相位控制系统工作在闭环状态时，可以确保在相位控制后评价函数收敛于极大值，从而补偿相位噪声。当相位控制系统实施模式切换时，将权重向量进行调制，从而改变相位控制优化算法的评价函数，评价函数切换后，相位控制使评价函数收敛于极大值，此时发射面相干光纤激光阵列的相位分布为产生预期轨道角动量模式阶数的轨道角动量光束对应的相位分布。

实施例3：

采用实施例2中的方法，下面给出本发明的一个应用实例来对本发明做进一步描述：

相位控制系统输出的发射面相干光纤激光阵列由30路子激光构成，其光强分布参见附图3所示，其中：各子激光的束腰半径w₀＝0.089mm、光束口径d＝0.2mm、第一个圆环形子阵列各子光束中心与原点间距r₁＝0.22mm、第二个圆环形子阵列各子光束中心与原点间距r₂＝0.44mm、激光工作波长λ＝1064nm。相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的模式数量为N＝4，对于产生轨道角动量模式阶数为l₁＝2，l₂＝-2，l₃＝3，l₄＝-3的轨道角动量光束，发射面相干光纤激光阵列的相位分布如附图4(a)，附图4(b)，附图4(c)和附图4(d)所示。

对于产生轨道角动量模式阶数为l₁＝2，l₂＝-2，l₃＝3，l₄＝-3的轨道角动量光束，水平方向衍射角为π/2，-π/2，π/2，-π/2，垂直方向衍射角为π/2，π/2，-π/2，-π/2，根据轨道角动量模式数，轨道角动量模式阶数，水平方向衍射角和垂直方向衍射角，可以获得空间光相位调制器加载的复杂相位板，相位分布如附图5所示。

加载复杂相位板的空间光相位调制器可以将不同模式阶数的轨道角动量光束衍射到不同的方向，对于产生轨道角动量模式阶数为l₁＝2，l₂＝-2，l₃＝3，l₄＝-3的轨道角动量光束，在光电探测器阵列接收平面的光强分布如附图6(a)，附图6(b)，附图6(c)和附图6(d)所示。对于经过空间光相位调制器的不同模式阶数轨道角动量光束，在经过聚焦透镜后，沿不同方向衍射的特性将转变为接收平面能量集中在不同空间位置的特性，不同模式阶数轨道角动量光束的能量将被不同位置的单元光电探测器采集，用于计算相位优化控制算法的评价函数。对于产生轨道角动量模式阶数为l₁＝2，l₂＝-2，l₃＝3，l₄＝-3的轨道角动量光束，权重向量W＝[w₊₂ w_-2 w₊₃ w_-3]为[1 0 0 0]，[0 1 0 0]，[0 0 1 0]和[0 0 0 1]，可以通过调制权重向量切换相位优化控制算法的评价函数，从而实现产生轨道角动量光束模式阶数的切换。

以随机并行梯度下降算法为相位控制器加载的相位控制优化算法，对于产生轨道角动量模式阶数为l₁＝2，l₂＝-2，l₃＝3，l₄＝-3的轨道角动量光束，各设置一百组初始随机相位误差，一百组相位优化控制过程中归一化评价函数演化曲线如附图7(a)，附图7(b)，附图7(c)和附图7(d)所示。计算结果表明，对于产生不同模式阶数的轨道角动量光束，评价函数均可以在250步内收敛，评价函数收敛速度较快，且没有出现收敛到局部最优的情况，因此，相位控制方法具有较高的相位控制带宽。

为了说明相位控制方法的控制精度，可以计算产生轨道角动量光束的主环轨道角动量模式纯度。对于产生轨道角动量模式阶数为l₁＝2，l₂＝-2，l₃＝3，l₄＝-3的轨道角动量光束，一百组相位优化控制过程完成后，产生轨道角动量光束的主环平均轨道角动量模式谱分布如附图8所示，计算结果表明，相位优化控制过程完成后，对于产生不同模式阶数的轨道角动量光束，主环平均轨道角动量模式纯度接近100％，因此，初始相位误差均得到了有效补偿，相位控制方法的控制精度较高，相干光纤激光阵列产生的轨道角动量光束在实施闭环相位控制的情况下具有较高的主环轨道角动量模式纯度。

评价函数的提取依赖光电探测器阵列，光电探测器采集一维光强信息，处理速度较快，因此有望实现较快的轨道角动量模式切换速度。此外，通过调整水平方向衍射角，垂直方向衍射角，增加光电探测器阵列的单元光电探测器数量，相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的轨道角动量模式数量可以进一步拓展。因此，产生轨道角动量光束的相干光纤激光阵列系统中相位控制方法的提出有望为模式编码通信提供多模式数量，可高速切换模式的光源。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，其特征在于：子激光产生单元、相位调制器、级联光纤放大器、准直器阵列、高反射镜、4-F成像系统、空间光相位调制器、透镜、光电探测器阵列和相位控制器；

子激光产生单元产生n束子激光；n路子激光分别对应一路子激光路径，各路子激光路径上依次设有相位调制器、级联光纤放大器和准直器，n个准直器按照圆环形阵列排布形成准直器阵列；准直器阵列输出的相干光纤激光阵列入射到高反射镜，高反射镜的透射输出光路上依次设有4-F成像系统、空间光相位调制器、透镜和光电探测器阵列，空间光相位调制器加载有复杂相位板，光电探测器阵列中的各光电探测器前均安装有小孔光阑，光电探测器阵列与相位控制器连接，将探测到的光强信号转换为电信号传输至相位控制器，相位控制器处理接收到的电信号，并对各路子激光路径中的相位调制器施加对应的相位控制电压，实现系统的闭环相位控制；空间光相位调制器加载复杂相位板表达式为：

其中，ψ为空间光相位调制器平面的角向坐标，N为相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的可切换模式数量，l_m为第m个模式的轨道角动量模式阶数，k为波数，α_m和β_m为轨道角动量模式阶数为l_m的轨道角动量光束经过加载复杂相位板的空间光相位调制器后的水平方向衍射角和垂直方向衍射角。

2.根据权利要求1所述的实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，其特征在于：所述子激光产生单元包括种子源，预放大器和光纤分束器，种子源输出的激光经预放大器放大后通过光纤分束器分束为n束子激光。

3.根据权利要求1所述的实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，其特征在于：n路子激光分别在其对应的子激光路径中经过相位调制器进行相位调控，并通过级联光纤放大器进一步提升功率，并由准直器阵列在发射面输出相干光纤激光阵列。

4.根据权利要求1所述的实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，其特征在于：相干光纤激光阵列经过高反射镜分为两部分，其中高功率的反射光束作为整个系统的输出光束，低功率的透射光束经过4-F成像系统进行空间滤波，并由位于4-F成像系统其第二个透镜后焦平面的空间光相位调制器进行相位调制，经过空间光相位调制器相位调制的输出激光通过透镜后被光电探测器阵列采集。

5.根据权利要求1所述的实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，其特征在于：所述准直器阵列包含N_circ个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的准直器沿角向均匀排布，N_circ个圆环形子阵列中所有的准直器的总数目为n个。

6.根据权利要求1所述的实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，光电探测器阵列中光电探测器的数目与轨道角动量光束的可切换模式数量相同，光电探测器阵列的排布形式按照一维直线排布、二维正方形、圆形或者正六边形排布。

7.根据权利要求6所述的实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统，相干光纤激光阵列产生不同轨道角动量模式阶数的轨道角动量光束经过加载复杂相位板的空间光相位调制器后，将沿着不同的衍射角传输，并由光电探测器阵列中不同位置的光电探测器接收，轨道角动量模式阶数为l_m的轨道角动量光束被光电探测器阵列中第m个光电探测器接收，第m个光电探测器的探测功率表示为J_m，则相位控制器所加载相位控制优化算法的评价函数为：

J＝[J₁ J₂...J_N]W^T

其中W＝[w₁ w₂...w_N]为权重向量，w₁、w₂...w_N分别表示第1个，第2个，…，第N个光电探测器提取评价函数的权重；

当相位控制系统工作在闭环状态时，在相位控制后评价函数收敛于极大值，从而补偿相位噪声；当相位控制系统实施模式切换时，将权重向量进行调制，从而改变相位控制优化算法的评价函数，评价函数切换后，相位控制使评价函数收敛于极大值，此时发射面相干光纤激光阵列的相位分布为产生预期轨道角动量模式阶数的轨道角动量光束对应的相位分布。

8.实现轨道角动量光束模式切换的相位控制方法，其特征在于，首先构建如权利要求1所述的实现轨道角动量光束模式切换的相位控制系统；

设准直器阵列在发射面输出的相干光纤激光阵列包含N_circ个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的子激光沿角向均匀排布，N_circ个圆环形子阵列中所有的子激光的总数目为n束，各路子激光的束腰半径为w₀，波长为λ，光束口径为d，振幅为A₀；

发射面相干光纤激光阵列的光场分布为：

其中，(x,y)为发射面坐标，N_j为第j个圆环形子阵列包含的子激光数目，(x_j,h,y_j,h)和φ_j,h为第j个圆环形子阵列上第h个子激光的中心坐标和活塞相位；

第j个圆环形子阵列上第h个子激光的中心坐标参数满足：

其中，r_j为第j个圆环形子阵列子激光中心与发射面相干光纤激光阵列中心的间距；

对于产生l阶轨道角动量模式的轨道角动量光束，发射面相干光纤激光阵列中第j个圆环形子阵列上第h个子激光的活塞相位参数满足：

空间光相位调制器加载复杂相位板表达式为：

其中，ψ为空间光相位调制器平面的角向坐标，N为相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的可切换模式数量，l_m为第m个模式的轨道角动量模式阶数，k为波数，α_m和β_m为轨道角动量模式阶数为l_m的轨道角动量光束经过加载复杂相位板的空间光相位调制器后的水平方向衍射角和垂直方向衍射角；

相干光纤激光阵列产生不同轨道角动量模式阶数的轨道角动量光束经过加载复杂相位板的空间光相位调制器后，将沿着不同的衍射角传输，并由光电探测器阵列中不同位置的光电探测器接收，轨道角动量模式阶数为l_m的轨道角动量光束被光电探测器阵列中第m个光电探测器接收，第m个光电探测器的探测功率表示为J_m，则相位控制器所加载相位控制优化算法的评价函数为：

J＝[J₁ J₂...J_N]W^T

其中W＝[w₁ w₂...w_N]为权重向量，w₁ w₂...w_N分别表示第1个，第2个，…，第N个光电探测器提取评价函数的权重；

当相位控制系统工作在闭环状态时，在相位控制后评价函数收敛于极大值，从而补偿相位噪声；当相位控制系统实施模式切换时，将权重向量进行调制，从而改变相位控制优化算法的评价函数，评价函数切换后，相位控制使评价函数收敛于极大值，此时发射面相干光纤激光阵列的相位分布为产生预期轨道角动量模式阶数的轨道角动量光束对应的相位分布。

9.根据权利要求8所述的实现轨道角动量光束模式切换的相位控制方法，其特征在于，相位控制器所加载相位控制优化算法是随机并行梯度下降算法、粒子群优化算法或模拟退火算法。

Images