CN112180613B - 径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统及方法 - Google Patents

径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统及方法，利用相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束，在相干光纤激光阵列产生系统中采集小部分系统输出的相干光纤激光阵列并将其转为电信号用于伺服闭环控制，生成相干光纤激光阵列中各路单元光束的相位控制信号，实现系统相位噪声的补偿和相干光纤激光阵列的相位调控；同时通过控制相干光纤激光阵列中各圆环形子阵列单元光束的开关开关，进而实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向和角向模式切换。本发明可以在补偿动态相位噪声的同时实现轨道角动量光束的高速径向模式切换。

Description

径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤激光相干合成技术领域，特别是涉及一种径向角向阶数可切换轨道角动量光束产生方法。
背景技术
1992年，Allen等人研究发现具有螺旋形相位结构的光束携带轨道角动量，随后轨道角动量光束的研究得到了国内外研究人员的广泛关注。轨道角动量光束的特点包括光强分布为环形，具有螺旋形波前，每个光子携带轨道角动量
Figure BDA0002720436410000011
其中l为轨道角动量模式阶数。轨道角动量光束独特的光强分布，相位结构和动力学特性推动了生物医学，量子光学，非线性光学，天文学和微观动力学等学科的发展，拓展了空间光通信、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。
对于空间光通信领域，利用轨道角动量光束进行通信有望提升通信系统容量和频谱效率，具体工作方式包括利用轨道角动量模式进行数据编码和利用轨道角动量模式作为数据流的载体。利用轨道角动量模式进行数据编码和远距离通信不仅需要高速切换轨道角动量光束的模式，对轨道角动量光束的功率也提出了更高的要求。
光纤激光相干合成可以在提升激光输出功率的同时保持良好的光束质量。近年来，用相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束得到了国内外研究人员的关注。一方面，相干光纤激光阵列具有功率拓展潜力，有望提升产生轨道角动量光束的功率，另一方面，光纤激光相干合成系统中的振幅和相位调制器件工作频率较高，可以高速调控单元光束的振幅和活塞相位，从而实现产生轨道角动量光束的高速模式切换。
目前，在实现轨道角动量光束角向模式的切换方面，科研人员已进行了初步的研究，而在实现轨道角动量光束径向模式的切换方面研究较少，因此，提出一种径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生方法十分重要。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统及方法。具体地，本发明在光纤激光阵列系统中提出一种径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生方法，通过单元光束强度调制可以自由切换产生轨道角动量光束的径向和角向模式阶数。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生方法，利用相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束，在相干光纤激光阵列产生系统中采集小部分系统输出的相干光纤激光阵列并将其转为电信号用于伺服闭环控制，生成相干光纤激光阵列中各路单元光束的相位控制信号，实现系统相位噪声的补偿和相干光纤激光阵列的相位调控；同时通过控制相干光纤激光阵列中各路单元光束的开关，进而实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向和角向模式切换。
具体地，在相干光纤激光阵列产生系统中，将种子激光分束为多路单元光束，各路单元光束分别依次经过相位调制器相位调控、强度调制器振幅调控和光纤放大模块功率放大后传输到位于发射面的准直器阵列，准直器阵列将多路单元光束拼接成相干光纤激光阵列并准直输出，发射面输出的相干光纤激光阵列分为两部分，其中一大部分相干光纤激光阵列作为系统输出，分束器输出的另一小部分相干光纤激光阵列经空间光相位调制器进行相位调制后被采集并将其转换为电信号后传输给控制器，控制器对电信号进行分析和处理获取各路单元光束的相位控制信号，并将相位控制信号传送至对应的相位调制器，实现系统相位噪声的补偿和阵列光束的相位调控；同时控制器通过控制各强度调制器实现各圆环形子阵列上单元光束的开关，进而实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向和角向模式切换。其中相干光纤激光阵列包括同圆心的Ncirc个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的单元光束沿角向均匀排布，相干光纤激光阵列中的各路单元光束的束腰半径为w0，波长为λ，光束口径为d，振幅为A0。
在实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向模式切换时，发射面相干光纤激光阵列中各圆环形子阵列的单元光束预期相位调制参数相同，即各圆环形子阵列的目标均为产生角向阶数为m的轨道角动量光束；此时通过控制器对强度调制器的控制实现圆环形子阵列单元光束的开关，从相干光纤激光阵列整体角度看等效于调控圆环形相干光纤激光阵列总发射口径结构参数即圆环形相干光纤激光阵列其内径和外径的比值，圆环内径和外径的比值影响远场轨道角动量光束的径向阶数，实现产生轨道角动量光束的径向模式切换。
在实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向模式切换时，实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的角向模式切换时，发射面相干光纤激光阵列中各圆环形子阵列的单元光束预期相位调制参数不同，即发射面相干光纤激光阵列中不同圆环形子阵列的目标为产生角向阶数不同的轨道角动量光束；当预期切换到角向阶数为m的轨道角动量光束时，通过控制器对强度调制器的控制实现圆环形子阵列单元光束的开关，使相干光纤激光阵列中圆环形子阵列单元光束预期相位调制参数为m的圆环形子阵列单元光束工作在出光状态，而使相干光纤激光阵列中圆环形子阵列单元光束预期相位调制参数不为m的圆环形子阵列单元光束工作在不出光状态，此时系统输出角向阶数为m的轨道角动量光束，实现产生轨道角动量光束的角向模式切换。
径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统，包括相干光纤激光阵列产生系统，相干光纤激光阵列产生系统包括种子源、光纤分束器、相位调制器、强度调制器、光纤放大模块、准直器、分光镜、空间光相位调制器、光电探测器以及控制器；所述种子源连接光纤分束器的输入端，光纤分束器具有N个输出端，各光纤分束器的输出端分别依次连接相位调制器、强度调制器、光纤放大模块和准直器；N个准直器呈圆形阵列排布，形成准直器阵列，将多路单元光束拼接成相干光纤激光阵列并准直输出；相干光纤激光阵列的传输路径上设置有分光镜，分光镜将相干光纤激光阵列分为两部分，其中一大部分相干光纤激光阵列作为系统输出，另一小部分相干光纤激光阵列经空间光相位调制器后被光电探测器采集，光电探测器前安装小孔光阑，光电探测器连接控制器，控制器连接各相位调制器以及各强度调制器，控制器基于接收到的来自光电探测器的电信号生成各路单元光束的相位控制信号，并将相位控制信号传送至对应的相位调制器，实现系统相位噪声的补偿和阵列光束的相位调控；同时控制器通过控制各强度调制器实现相干光纤激光阵列中各圆环形子阵列上单元光束的开关，进而实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向和角向模式切换。
优选地，种子源输出的种子激光经预放大器进行初步放大之后通过光纤分束器均分为N路单元光束。
优选地，光纤放大模块由单个的光纤放大器构成，或者由级联光纤放大器链路构成，或者通过共孔径相干合成技术实现。
优选地，相干光纤激光阵列包括同圆心的Ncirc个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的单元光束沿角向均匀排布，相干光纤激光阵列中的各路单元光束的束腰半径为w0，波长为λ，光束口径为d，振幅为A0。
优选地，作为系统输出的相干光纤激光阵列经过4-F成像系统进行空间滤波，并通过高反射镜和聚焦透镜，由位于聚焦透镜焦点处的相机进行采集，通过相机采集光斑观测产生轨道角动量光束。
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，确保不同模式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轨道角动量光束的高速径向模式切换。
本发明可以在补偿动态相位噪声的同时实现轨道角动量光束的高速角向模式切换。
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为本发明的结构示意图。
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。
图4为实现角向阶数切换时空间光相位调制器加载的相位分布图。
图5为实现角向阶数切换时发射面相干光纤激光阵列光强分布和相位分布图。
图6为目标平面产生具有不同角向阶数的轨道角动量光束图。
图7为实现径向阶数切换时空间光相位调制器加载的相位分布图。
图8为实现径向阶数切换时发射面相干光纤激光阵列光强分布和相位分布图。
图9为目标平面产生具有不同径向阶数的轨道角动量光束图。
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，提供一种径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统，利用相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束，在相干光纤激光阵列产生系统中采集小部分系统输出的相干光纤激光阵列并将其转为电信号用于伺服闭环控制，生成相干光纤激光阵列中各路单元光束的相位控制信号，实现系统相位噪声的补偿和相干光纤激光阵列的相位调控；同时通过控制相干光纤激光阵列中各路单元光束的开关，进而实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向和角向模式切换。
相干光纤激光阵列产生系统包括种子源1、预放大器2、光纤分束器3、相位调制器4、强度调制器5、光纤放大模块6、准直器7、分光镜8、空间光相位调制器9、1#聚焦透镜10、光电探测器11以及控制器12。
种子源1输出的种子激光经预放大器2进行初步放大之后通过光纤分束器3均分为N路单元光束。N路单元光束分别对应一路光路传输路径。各光纤分束器3的输出端分别依次连接一路光路光束路径，各路光路光束传输路径上依次连接有相位调制器4、强度调制器5、光纤放大模块6和准直器7。其中光纤放大模块6由单个的光纤放大器构成，或者由级联光纤放大器链路构成，或者通过共孔径相干合成技术实现。
N个准直器7呈圆形阵列排布，形成准直器阵列，将多路单元光束拼接成相干光纤激光阵列并准直输出。相干光纤激光阵列的传输路径上设置有分光镜8，将相干光纤激光阵列分为两部分，其中一大部分相干光纤激光阵列从分光镜8透射到自由空间，作为系统输出。作为系统输出的相干光纤激光阵列经过4-F成像系统13进行空间滤波，并通过由1#高反镜14和2#高反镜15组成的高反射镜组以及2#聚焦透镜16，由位于2#聚焦透镜16焦点处的相机17进行采集，通过相机17采集光斑观测产生轨道角动量光束。
从分光镜8反射出的另一小部分相干光纤激光阵列经空间光相位调制器9、1#聚焦透镜10后被光电探测器11采集，光电探测器11前安装小孔光阑，光电探测器11连接控制器12，控制器12连接各相位调制器4以及各强度调制器5，控制器12基于接收到的来自光电探测器11的电信号生成各路单元光束的相位控制信号，并将相位控制信号传送至对应的相位调制器4，实现系统相位噪声的补偿和阵列光束的相位调控。同时控制器12通过控制各强度调制器5实现相干光纤激光阵列中各圆环形子阵列上单元光束的开关，进而实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向和角向模式切换。
在实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向模式切换时，发射面相干光纤激光阵列中各圆环形子阵列的单元光束预期相位调制参数相同，即各圆环形子阵列的目标均为产生角向阶数为m的轨道角动量光束；此时通过控制器对强度调制器的控制实现圆环形子阵列单元光束的开关，从相干光纤激光阵列整体角度看等效于调控圆环形相干光纤激光阵列总发射口径结构参数即圆环形相干光纤激光阵列其内径和外径的比值，圆环内径和外径的比值影响远场轨道角动量光束的径向阶数，实现产生轨道角动量光束的径向模式切换。
在实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向模式切换时，实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的角向模式切换时，发射面相干光纤激光阵列中各圆环形子阵列的单元光束预期相位调制参数不同，即发射面相干光纤激光阵列中不同圆环形子阵列的目标为产生角向阶数不同的轨道角动量光束；当预期切换到角向阶数为m的轨道角动量光束时，通过控制器对强度调制器的控制实现圆环形子阵列单元光束的开关，使相干光纤激光阵列中圆环形子阵列单元光束预期相位调制参数为m的圆环形子阵列单元光束工作在出光状态，而使相干光纤激光阵列中圆环形子阵列单元光束预期相位调制参数不为m的圆环形子阵列单元光束工作在不出光状态，此时系统输出角向阶数为m的轨道角动量光束，实现产生轨道角动量光束的角向模式切换。
参照图2，发射面输出的相干光纤激光阵列包括同圆心的Ncirc个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的单元光束沿角向均匀排布，相干光纤激光阵列中的各路单元光束的束腰半径为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：
Figure BDA0002720436410000081
其中，(x,y)为发射面坐标，Nj为第j个圆环形子阵列包含的单元光束数目，(xj,h,yj,h)和φj,h为第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的中心坐标和活塞相位。
单元光束的中心坐标参数满足：
Figure BDA0002720436410000082
其中，rj为第j个圆环形子阵列的单元光束中心与发射面阵列中心间距。
发射面相干光纤激光阵列中各单元光束的活塞相位参数满足：
Figure BDA0002720436410000091
其中，mj为第j个圆环形子阵列的单元光束预期相位调制参数，与产生轨道角动量光束的角向阶数有关。
空间光相位调制器加载调制相位表达式为：
Figure BDA0002720436410000092
空间光相位调制器加载调制相位为发射面预期相位的复共轭，相干光纤激光阵列经过空间光相位调制器进行相位调制后，被光电探测器采集，并通过控制器实施活塞相位优化控制算法(如单抖动算法)生成各路单元光束的相位控制信号，并将相位控制信号传送至对应的相位调制器，使各路相位调制后的单元光束相位同步。此时，未经过空间光相位调制器的发射面相干光纤激光阵列可以稳定保持预期相位。
本系统工作时，系统中的活塞相位噪声可以通过伺服闭环控制系统有效补偿。另外通过控制器对各强度调制器的控制实现各圆环形子阵列上单元光束的开关，进而实现产生轨道角动量光束的径向模式切换。强度调制器技术成熟，工作频率较高，能够实现产生轨道角动量光束的高速模式切换。
实施例2：
本实施例中的径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统及方法与实施例1相同，在此不在赘述。本实施例中的种子激光被分束为36束单元光束，所生成的相干光纤激光阵列由36路单元光束构成，其光强分布参见附图3所示，其中：激光束腰半径w0＝0.089mm、光束口径d＝0.2mm、各圆环形子阵列单元光束中心与原点间距r1＝0.22mm、r2＝0.44mm、r3＝0.66m，激光工作波长λ＝1064nm。
首先，实现产生轨道角动量光束的角向阶数切换。36路单元光束构成的强度调制相干光纤激光阵列产生径向阶数为0的轨道角动量光束，为实现角向阶数1和角向阶数3模式之间的切换，第1个圆环形子阵列单元光束预期相位调制参数m1＝1，第2个和第3个圆环形子阵列单元光束预期相位调制参数为m2＝3和m3＝3。相位控制系统中空间光相位调制器加载的相位分布参见附图4所示。
角向阶数模式切换通过强度调制器控制圆环形子阵列单元光束的开关实现。产生角向阶数为1的轨道角动量光束，第一个圆环形子阵列的单元光束处于出光状态，而第二个和第三个圆环形子阵列的单元光束处于不出光状态，发射面光强分布和相位分布如附图5(a)和附图5(b)所示。产生角向阶数为3的轨道角动量光束，第一个圆环形子阵列的单元光束处于不出光状态，而第二个和第三个圆环形子阵列的单元光束处于出光状态，发射面光强分布和相位分布如附图5(c)和附图5(d)所示。
参照图1，发射面光纤激光阵列传输到自由空间后经过分光镜8反射出来的小部分光纤激光阵列过加载附图4所示相位分布的空间光相位调制器9，并由光电探测器采集，为控制器12提供电信号，经过分光镜8透射出来的大部分光纤激光阵列经过4-F成像系统13进行空间滤波，并通过高反射镜组和2#聚焦透镜16，在位于2#聚焦透镜16焦点的目标平面，产生角向阶数为1的轨道角动量光束光强分布和相位分布如附图6(a)和附图6(b)所示，产生角向阶数为3的轨道角动量光束光强分布和相位分布如附图6(c)和附图6(d)所示。计算结果表明，通过强度调制器控制相干光纤激光阵列中圆环形子阵列单元光束的开关，可以实现产生轨道角动量光束的角向阶数切换。
此外，基于强度调制的相干光纤激光阵列还可以实现产生轨道角动量光束的径向阶数切换。36路单元光束构成的强度调制相干光纤激光阵列产生角向阶数为1的轨道角动量光束，为实现径向阶数0，径向阶数1和径向阶数2模式之间的切换，第1个，第2个和第3个圆环形子阵列单元光束预期相位调制参数为m1＝1，m2＝1和m3＝1。相位控制系统中空间光相位调制器加载的相位分布参见附图7所示。
与角向阶数模式切换相同，径向阶数模式切换通过强度调制器控制圆环形子阵列单元光束的开关实现。产生径向阶数为0的轨道角动量光束，第一个圆环形子阵列的单元光束处于出光状态，而第二个和第三个圆环形子阵列的单元光束处于不出光状态，发射面光强分布和相位分布如附图8(a)和附图8(b)所示。产生径向阶数为1的轨道角动量光束，第二个圆环形子阵列的单元光束处于出光状态，而第一个和第三个圆环形子阵列的单元光束处于不出光状态，发射面光强分布和相位分布如附图8(c)和附图8(d)所示。产生径向阶数为2的轨道角动量光束，第三个圆环形子阵列的单元光束处于出光状态，而第一个和第二个圆环形子阵列的单元光束处于不出光状态，发射面光强分布和相位分布如附图8(e)和附图8(f)所示。
发射面光纤激光阵列传输到自由空间后经过分光镜8反射出来的小部分光束经过加载附图7所示相位分布的空间光相位调制器9，并由光电探测器11采集，为控制器12提供信号，经过分光镜8透射出来的大部分光束经过4-F成像系统进行空间滤波，并通过高反射镜组和2#聚焦透镜16，在位于2#聚焦透镜16焦点的目标平面，产生径向阶数为0的轨道角动量光束光强分布和相位分布如附图9(a)和附图9(b)所示，产生径向阶数为1的轨道角动量光束光强分布和相位分布如附图9(c)和附图9(d)所示，产生径向阶数为2的轨道角动量光束光强分布和相位分布如附图9(e)和附图9(f)所示，计算结果表明，通过强度调制器控制相干光纤激光阵列中圆环形子阵列单元光束的开关，可以实现产生轨道角动量光束的径向阶数切换。
产生轨道角动量光束的相干光纤激光阵列系统中，相位噪声可以通过相位调制器有效补偿，模式切换通过强度调制器控制圆环形子阵列单元光束的开关实现，模式切换速度依赖与强度调制器的工作频率。高频强度调制器技术成熟，因此，基于强度调制相干光纤激光阵列的径向角向阶数可切换轨道角动量光束产生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 (7)

1.径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生方法，其特征在于：利用相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束，在相干光纤激光阵列产生系统中采集小部分系统输出的相干光纤激光阵列并将其转为电信号用于伺服闭环控制，生成相干光纤激光阵列中各路单元光束的相位控制信号，实现系统相位噪声的补偿和相干光纤激光阵列的相位调控；同时通过控制相干光纤激光阵列中各圆环形子阵列单元光束的开关开关，进而实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向和角向模式切换；
在相干光纤激光阵列产生系统中，将种子激光分束为多路单元光束，各路单元光束分别依次经过相位调制器相位调控、强度调制器振幅调控和光纤放大模块功率放大后传输到位于发射面的准直器阵列，准直器阵列将多路单元光束拼接成相干光纤激光阵列并准直输出，发射面输出的相干光纤激光阵列分为两部分，其中一大部分相干光纤激光阵列作为系统输出，分束器输出的另一小部分相干光纤激光阵列经空间光相位调制器进行相位调制后被采集并将其转换为电信号后传输给控制器，控制器对电信号进行分析和处理获取各路单元光束的相位控制信号，并将相位控制信号传送至对应的相位调制器，实现系统相位噪声的补偿和阵列光束的相位调控；同时控制器通过控制各强度调制器实现各圆环形子阵列单元光束的开关，进而实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向和角向模式切换；其中相干光纤激光阵列包括同圆心的Ncirc个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的单元光束沿角向均匀排布，相干光纤激光阵列中的各路单元光束的束腰半径为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：
Figure FDA0003444938620000021
其中，(x,y)为发射面坐标，Nj为第j个圆环形子阵列包含的单元光束数目，(xj,h,yj,h)和φj,h为第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的中心坐标和活塞相位；
单元光束的中心坐标参数满足：
Figure FDA0003444938620000022
其中，rj为第j个圆环形子阵列的单元光束中心与发射面阵列中心间距；
发射面相干光纤激光阵列中各单元光束的活塞相位参数满足：
Figure FDA0003444938620000023
其中，mj为第j个圆环形子阵列的单元光束预期相位调制参数；
空间光相位调制器加载调制相位表达式为：
Figure FDA0003444938620000024
空间光相位调制器加载调制相位为发射面预期相位的复共轭，相干光纤激光阵列经过空间光相位调制器进行相位调制后，被光电探测器采集，并通过控制器实施活塞相位优化控制算法生成各路单元光束的相位控制信号，并将相位控制信号传送至对应的相位调制器，使各路相位调制后的单元光束相位同步。
2.根据权利要求1所述的径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生方法，其特征在于：实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向模式切换时，发射面相干光纤激光阵列中各圆环形子阵列的单元光束预期相位调制参数相同，即各圆环形子阵列的目标均为产生角向阶数为m的轨道角动量光束；此时通过控制器对强度调制器的控制实现圆环形子阵列单元光束的开关，从相干光纤激光阵列整体角度看等效于调控圆环形相干光纤激光阵列总发射口径结构参数即圆环形相干光纤激光阵列其内径和外径的比值，圆环内径和外径的比值影响远场轨道角动量光束的径向阶数，实现产生轨道角动量光束的径向模式切换。
3.根据权利要求1所述的径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生方法，其特征在于：实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的角向模式切换时，发射面相干光纤激光阵列中各圆环形子阵列的单元光束预期相位调制参数不同，即发射面相干光纤激光阵列中不同圆环形子阵列的目标为产生角向阶数不同的轨道角动量光束；当预期切换到角向阶数为m的轨道角动量光束时，通过控制器对强度调制器的控制实现圆环形子阵列单元光束的开关，使相干光纤激光阵列中圆环形子阵列单元光束预期相位调制参数为m的圆环形子阵列单元光束工作在出光状态，而使相干光纤激光阵列中圆环形子阵列单元光束预期相位调制参数不为m的圆环形子阵列单元光束工作在不出光状态，此时系统输出角向阶数为m的轨道角动量光束，实现产生轨道角动量光束的角向模式切换。
4.径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统，其特征在于：包括相干光纤激光阵列产生系统，相干光纤激光阵列产生系统包括种子源、光纤分束器、相位调制器、强度调制器、光纤放大模块、准直器、分光镜、空间光相位调制器、光电探测器以及控制器；所述种子源连接光纤分束器的输入端，光纤分束器具有N个输出端，各光纤分束器的输出端分别依次连接相位调制器、强度调制器、光纤放大模块和准直器；N个准直器呈圆形阵列排布，形成准直器阵列，将多路单元光束拼接成相干光纤激光阵列并准直输出；相干光纤激光阵列的传输路径上设置有分光镜，分光镜将相干光纤激光阵列分为两部分，其中一大部分相干光纤激光阵列作为系统输出，另一小部分相干光纤激光阵列经空间光相位调制器后被光电探测器采集，光电探测器前安装小孔光阑，光电探测器连接控制器，控制器连接各相位调制器以及各强度调制器，控制器基于接收到的来自光电探测器的电信号生成各路单元光束的相位控制信号，并将相位控制信号传送至对应的相位调制器，实现系统相位噪声的补偿和阵列光束的相位调控；同时控制器通过控制各强度调制器实现相干光纤激光阵列中各圆环形子阵列上单元光束的开关，进而实现相干光纤激光阵列产生轨道角动量光束的径向和角向模式切换；其中相干光纤激光阵列包括同圆心的Ncirc个圆环形子阵列，每个圆环形子阵列上的单元光束沿角向均匀排布，相干光纤激光阵列中的各路单元光束的束腰半径为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：
Figure FDA0003444938620000041
其中，(x,y)为发射面坐标，Nj为第j个圆环形子阵列包含的单元光束数目，(xj,h,yj,h)和φj,h为第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的中心坐标和活塞相位；
单元光束的中心坐标参数满足：
Figure FDA0003444938620000042
其中，rj为第j个圆环形子阵列的单元光束中心与发射面阵列中心间距；
发射面相干光纤激光阵列中各单元光束的活塞相位参数满足：
Figure FDA0003444938620000043
其中，mj为第j个圆环形子阵列的单元光束预期相位调制参数；
空间光相位调制器加载调制相位表达式为：
Figure FDA0003444938620000051
空间光相位调制器加载调制相位为发射面预期相位的复共轭，相干光纤激光阵列经过空间光相位调制器进行相位调制后，被光电探测器采集，并通过控制器实施活塞相位优化控制算法生成各路单元光束的相位控制信号，并将相位控制信号传送至对应的相位调制器，使各路相位调制后的单元光束相位同步。
5.根据权利要求4所述的径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统，其特征在于：种子源输出的种子激光经预放大器进行初步放大之后通过光纤分束器均分为N路单元光束。
6.根据权利要求4所述的径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统，其特征在于：光纤放大模块由单个的光纤放大器构成，或者由级联光纤放大器链路构成，或者通过共孔径相干合成技术实现。
7.根据权利要求4或5或6所述的径向和角向阶数可切换的轨道角动量光束产生系统，其特征在于：作为系统输出的相干光纤激光阵列经过4-F成像系统进行空间滤波，并通过高反射镜组和聚焦透镜，由位于聚焦透镜焦点处的相机进行采集，通过相机采集光斑观测产生轨道角动量光束。
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