CN112803227B - 光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化方法及系统 - Google Patents

光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化方法及系统，基于光纤激光相干合成产生拓扑荷数和径向阶数为预期值的阵列光束；设计空间滤波模块，阵列光束经空间滤波模块进行空间滤波之后输出，输出激光传输到远场将形成拓扑荷数和径向阶数为预期值的高模式纯净度涡旋光束。本发明对光纤激光相干合成系统输出的阵列光束在发射前进行模式净化处理，通过空间滤波的方式滤除基于光纤激光相干合成产生涡旋光束的旁瓣及其他空域高频噪声成分，同时避免不必要的能量损失，在确保合成效率的情况下实现对目标平面产生涡旋光束模式纯净度的优化。

Description

光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化方法及 系统
技术领域
本发明涉及光纤激光相干合成技术领域，特别是涉及一种光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化方法及系统。
背景技术
光纤激光具有体积小、光束质量好、热管理方便等优势，在工业加工、医疗、科学研究等领域具有广泛的应用。为了提升光纤激光系统输出激光的亮度，光纤激光相干合成提供了一种有前途的方法。光纤激光相干合成通过实施闭环相位控制有效补偿系统的动态相位噪声，使各路光纤激光在目标平面稳定干涉，可以在提升输出功率的同时保持良好的光束质量。随着激光技术的发展，通过对激光相位的空间分布进行调控可以产生具有螺旋型相位分布且携带轨道角动量的涡旋光束，涡旋光束揭示了新颖的物理现象，推动了激光的应用，有效产生涡旋光束得到了国内外研究人员的关注。
对于自由空间光通信和激光工业加工等应用场景，需要采用高功率、模式可切换的涡旋光束，而目前大部分产生涡旋光束的方法存在功率提升和模式切换速度提升的限制，利用光纤激光相干合成产生涡旋光束提供了一种新的技术路线，在输出功率提升和模式切换速度提升方面具有巨大潜力。然而，由于单元光束间的干涉，利用光纤激光相干合成产生的涡旋光束存在旁瓣，且这些旁瓣严重影响产生涡旋光束的模式纯净度。因此，需要通过空间滤波的方式对基于光纤激光相干合成产生的涡旋光束进行模式净化，将影响模式纯净度的旁瓣滤除，从而提升产生涡旋光束的模式纯净度。
目前，对光束进行空间滤波通常需要通过由两个等焦距透镜构成的4F光学系统和圆形光阑实现。采用4F光学系统和圆形光阑可以有效对基模高斯光束进行空间滤波，而对于一些具有特殊光强分布的结构光场，圆形光阑的直径选取与基模高斯光束不同。对于利用光纤激光相干合成产生的涡旋光束，采用现有的广义空间滤波方法无法有效滤除影响模式纯净度的旁瓣，而采用4F光学系统和圆形光阑则需要对4F光学系统和圆形光阑的参数进行严格设计，否则会导致旁瓣无法滤除或不必要的能量损失。
发明内容
为解决基于光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式净化难题，本发明提供一种光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化方法及系统，可以在有效滤除旁瓣的同时避免不必要的能量损失，从而实现产生涡旋光束的模式纯净度优化。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化方法，包括：
基于光纤激光相干合成产生拓扑荷数和径向阶数为预期值的阵列光束；
设计空间滤波模块，阵列光束经空间滤波模块进行空间滤波之后输出，输出激光传输到远场将形成拓扑荷数和径向阶数为预期值的高模式纯净度涡旋光束，其中空间滤波模块包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及空间滤波器件，第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的焦距为f，构成4F系统，空间滤波器件位于两个聚焦透镜的共焦平面。
进一步地，本发明中，基于光纤激光相干合成产生阵列光束的方法是：种子激光经预放大后分束为多路激光，各路激光分别经相位调制、放大后由按照圆环形阵列排布的准直器阵列输出。
进一步地，本发明中，准直器阵列输出的阵列光束按照圆环形排布，阵列光束中的单元光束的振幅为A0，波长为λ，束腰半径为w0，准直器通光口径为d，阵列光束包含n2-n1+1个圆环形子阵列，n1，n2为最内部圆环形子阵列和最外部圆环形子阵列的序号，序号为h的圆环形子阵列包含6h个沿角向均匀排布的单元光束；准直器阵列输出阵列光束的等效外直径为D2＝2n2r+d，等效内直径为D1＝2n1r-d，D1，D2决定空间滤波器件的结构参数。
进一步地，本发明中，通过对空间滤波器件的通光半径优化设计实现对径向阶数不同的涡旋光束进行模式纯净度优化，空间滤波器件的通光半径R为：
Figure BDA0002917096620000031
其中：Eap(x,y)为发射面光场分布，If(u,v)为直角坐标系下共焦平面光强分布，ρ为优化通光半径数组，If(ρ,ψ)为极坐标系下共焦平面光强分布，ρ0为优化通光半径数组ρ中的元素，(x,y)为准直器平面坐标，l为预期产生涡旋光束的拓扑荷数，r为准直器阵列结构参数，θ为极坐标系下准直器平面的极角坐标，(ρ,ψ)为极坐标系下的共焦平面坐标，(u,v)为第一个透镜后焦平面的坐标，
Figure BDA0002917096620000032
表示傅里叶变换算符。
进一步地，本发明中，对于径向阶数为0的涡旋光束，空间滤波器件的通光半径取得到的优化通光半径数组ρ中的最小值，即R＝min{ρ}。
本发明提供一种光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化系统，包括：
光纤激光相干合成系统，用于产生拓扑荷数和径向阶数为预期值的阵列光束；
空间滤波模块，用于对阵列光束进行空间滤波，空间滤波之后的输出激光传输到远场将形成拓扑荷数和径向阶数为预期值的高模式纯净度涡旋光束，其中包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及空间滤波器件，第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的焦距为f，构成4F系统，空间滤波器件位于两个聚焦透镜的共焦平面。
进一步地，本发明所述光纤激光相干合成系统包括种子激光器、预放大器、光纤分束器、相位调制模块、级联放大模块、准直器阵列、高反镜以及闭环相位控制单元；
种子激光器输出的种子激光经过预放大器初步放大后，通过光纤分束器分为多路激光，各路激光通过相位调制模块调整各路激光的相位并经级联放大模块实现功率提升后，各路激光经过准直器阵列准直输出阵列光束，阵列光束被高反镜分成两束光，分别为采样光和主激光，采样光作为闭环相位控制单元的输入，闭环相位控制单元生成各路激光的相位控制量，根据相位控制量施加相应的控制电压至相位调制器阵列，实现活塞相位控制；主激光作为空间滤波模块的输入。
进一步地，所述闭环相位控制单元包括光束处理模块、光束探测模块以及相位控制系统，光束处理模块使阵列光束传输到光束探测模块探测面上的光强分布反映阵列光束中单元光束间的相位差信息，光束探测模块将探测面光场的光强信号转换为电信号传输至相位控制系统，相位控制系统通过接收和处理来自光束探测模块的电信号，获得各路激光的相位控制量，将相位控制电压施加到相位调制模块，实现光纤激光阵列的相位噪声补偿和系统的闭环控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可以对光纤激光相干合成系统输出的阵列光束在发射前进行模式净化处理，通过空间滤波的方式滤除基于光纤激光相干合成产生涡旋光束的旁瓣及其他空域高频噪声成分，在确保合成效率的情况下实现对目标平面产生涡旋光束模式纯净度的优化，提升系统发射面输出激光的光束质量。进一步地通过对空间滤波器件结构参数的优化设计，可以避免不必要的能量损失，确保系统的合成效率。
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为本发明一实施例的结构示意图；
图2为本发明一实施例中准直器阵列输出阵列光束的排布方式图；
图3为本发明一实施例中预期产生拓扑荷数为l＝2涡旋光束对应准直器阵列平面的光场分布图，其中图3(a)为预期产生拓扑荷数为l＝2涡旋光束对应的准直器阵列平面的光强分布图，图3(b)为预期产生拓扑荷数为l＝2涡旋光束对应的准直器阵列平面的相位分布图；
图4为本发明一实施例中采用不同方法对预期产生拓扑荷数为l＝2涡旋光束进行空间滤波对应的模式纯净度提升效果图，其中图4(a1)为空间滤波模块中不采用空间滤波器件，空间滤波模块中两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数示意图；图4(a2)为空间滤波模块中采用基于南非金山大学A.Forbes课题组提出广义空间滤波概念设计的空间滤波器件，空间滤波模块中两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数示意图；图4(a3)为空间滤波模块中采用基于本发明提出模式纯净度优化方法设计的空间滤波器件，空间滤波模块中两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数示意图；图4(a4)为空间滤波模块中采用口径较小圆孔光阑空间滤波器件，空间滤波模块中两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数示意图；图4(a5)为空间滤波模块中采用口径较大圆孔光阑空间滤波器件，空间滤波模块中两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数示意图；图4(b1)为空间滤波模块中不采用空间滤波器件，激光经过空间滤波模块后传输到与发射面相距20m的目标平面，计算得到的系统的远场光强分布图；图4(b2)为空间滤波模块中采用基于南非金山大学A.Forbes课题组提出广义空间滤波概念设计的空间滤波器件，激光经过空间滤波模块后传输到与发射面相距20m的目标平面，计算得到的系统的远场光强分布图；图4(b3)为空间滤波模块中采用基于本发明提出模式纯净度优化方法设计的空间滤波器件，激光经过空间滤波模块后传输到与发射面相距20m的目标平面，计算得到的系统的远场光强分布图；图4(b4)为空间滤波模块中采用口径较小圆孔光阑空间滤波器件，激光经过空间滤波模块后传输到与发射面相距20m的目标平面，计算得到的系统的远场光强分布图；图4(b5)为空间滤波模块中采用口径较大圆孔光阑空间滤波器件，激光经过空间滤波模块后传输到与发射面相距20m的目标平面，计算得到的系统的远场光强分布图；图4(c1)为空间滤波模块中不采用空间滤波器件，激光经过空间滤波模块后传输到与发射面相距20m的目标平面，目标平面产生涡旋光束的模式谱分布图；图4(c2)为空间滤波模块中采用基于南非金山大学A.Forbes课题组提出广义空间滤波概念设计的空间滤波器件，激光经过空间滤波模块后传输到与发射面相距20m的目标平面，目标平面产生涡旋光束的模式谱分布图；图4(c3)为空间滤波模块中采用基于本发明提出模式纯净度优化方法设计的空间滤波器件，激光经过空间滤波模块后传输到与发射面相距20m的目标平面，目标平面产生涡旋光束的模式谱分布图；图4(c4)为空间滤波模块中采用口径较小圆孔光阑空间滤波器件，激光经过空间滤波模块后传输到与发射面相距20m的目标平面，目标平面产生涡旋光束的模式谱分布图；图4(c5)为空间滤波模块中采用口径较大圆孔光阑空间滤波器件，激光经过空间滤波模块后传输到与发射面相距20m的目标平面，目标平面产生涡旋光束的模式谱分布图；
图5为本发明一实施例中预期产生拓扑荷数为l＝1，3，4涡旋光束对应准直器阵列平面的光场分布图，其中图5(a)为预期产生1，3和4的涡旋光束时，准直器阵列平面的光强分布图；5(b)为预期产生拓扑荷数为1的涡旋光束时，准直器阵列平面的相位分布图；5(c)为预期产生拓扑荷数为3的涡旋光束时，准直器阵列平面的光强分布图；5(d)为预期产生拓扑荷数为4的涡旋光束时，准直器阵列平面的相位分布图；
图6为本发明一实施例中采用本发明提出方法对预期产生拓扑荷数为l＝1，3，4涡旋光束进行空间滤波对应的模式纯净度提升效果图；其中图6(a1)为预期产生拓扑荷数为1的涡旋光束时，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数图；其中图6(a1)为预期产生拓扑荷数为1的涡旋光束时，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数图；图6(a2)为预期产生拓扑荷数为1的涡旋光束且空间滤波模块不采用空间滤波器件时的远场光强分布图；图6(a3)为预期产生拓扑荷数为1的涡旋光束且空间滤波模块不采用空间滤波器件时的模式谱分布图；图6(a4)为预期产生拓扑荷数为1的涡旋光束且空间滤波模块采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的远场光强分布图；图6(a5)为预期产生拓扑荷数为1的涡旋光束且空间滤波模块采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的模式谱分布图；图6(b1)为预期产生拓扑荷数为3的涡旋光束时，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数图；图6(b2)为预期产生拓扑荷数为3的涡旋光束且空间滤波模块不采用空间滤波器件时的远场光强分布图；图6(b3)为预期产生拓扑荷数为3的涡旋光束且空间滤波模块不采用空间滤波器件时的模式谱分布图；图6(b4)为预期产生拓扑荷数为3的涡旋光束且空间滤波模块采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的远场光强分布图；图6(b5)为预期产生拓扑荷数为3的涡旋光束且空间滤波模块采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的模式谱分布图；图6(c1)为预期产生拓扑荷数为4的涡旋光束时，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数图；图6(c2)为预期产生拓扑荷数为4的涡旋光束且空间滤波模块不采用空间滤波器件时的远场光强分布图；图6(c3)为预期产生拓扑荷数为4的涡旋光束且空间滤波模块不采用空间滤波器件时的模式谱分布图；图6(c4)为预期产生拓扑荷数为4的涡旋光束且空间滤波模块采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的远场光强分布图；图6(c5)为预期产生拓扑荷数为4的涡旋光束且空间滤波模块采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的模式谱分布图；
图7为本发明一实施例中预期产生拓扑荷数为l＝1，径向阶数为0，1和2的涡旋光束对应准直器阵列平面的光场分布图，其中图7(a)为预期产生拓扑荷数为l＝1，径向阶数为0，1和2的涡旋光束时对应的准直器阵列平面的光强分布图，图7(b)为预期产生拓扑荷数为l＝1，径向阶数为0，1和2的涡旋光束时对应的准直器阵列平面的相位分布图；
图8为本发明一实施例中采用本发明提出方法对预期产生拓扑荷数为l＝1，径向阶数为0，1和2的涡旋光束进行空间滤波对应的模式纯净度提升效果图，其中图8(a1)为预期产生拓扑荷数为1，径向阶数为0的涡旋光束，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数图；图8(a2)为预期产生拓扑荷数为1，径向阶数为0的涡旋光束，空间滤波模块中采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的远场光强分布图；图8(a3)为预期产生拓扑荷数为1，径向阶数为0的涡旋光束，空间滤波模块中采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的模式谱分布图；图8(b1)为预期产生拓扑荷数为1，径向阶数为1的涡旋光束，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数图；图8(b2)为预期产生拓扑荷数为1，径向阶数为1的涡旋光束，空间滤波模块中采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的远场光强分布图；图8(b3)为预期产生拓扑荷数为1，径向阶数为1的涡旋光束，空间滤波模块中采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的模式谱分布图；图8(c1)为预期产生拓扑荷数为1，径向阶数为2的涡旋光束，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数图；图8(c2)为预期产生拓扑荷数为1，径向阶数为2的涡旋光束，空间滤波模块中采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的远场光强分布图；图8(c3)为预期产生拓扑荷数为1，径向阶数为2的涡旋光束，空间滤波模块中采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时的模式谱分布图；
图1中标号：
1、种子激光器；2、预放大器；3、光纤分束器；4、相位调制模块；5、级联放大模块；6、准直器阵列；7、高反镜；8、光束处理模块；9、光束探测模块；10、相位控制系统；11、空间滤波模块；12、第一聚焦透镜；13、第二聚焦透镜；14、空间滤波器件。
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明一实施例中提供一种光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化方法，包括：
先基于光纤激光相干合成产生拓扑荷数和径向阶数为预期值的阵列光束；
设计空间滤波模块，阵列光束经空间滤波模块进行空间滤波之后输出，输出激光传输到远场将形成拓扑荷数和径向阶数为预期值的高模式纯净度涡旋光束，其中空间滤波模块包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及空间滤波器件，第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的焦距为f，构成4F系统，空间滤波器件位于两个聚焦透镜的共焦平面的共焦平面。
参照图1，本发明提供一种光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化系统，包括种子激光器1、预放大器2、光纤分束器3、相位调制模块4、级联放大模块5、准直器阵列6、高反镜7、光束处理模块8、光束探测模块9、相位控制系统10以及空间滤波模块11。
种子激光器1输出的种子激光经过预放大器2初步放大功率后，通过光纤分束器3分为多路激光，各路激光通过相位调制模块4调整各路激光的相位并经级联放大模块5实现功率提升后，各路激光经过准直器阵列6准直输出阵列光束，阵列光束被高反镜7分成两束光，分别为功率较低的采样光和功率较高的主激光，采样光作为闭环相位控制单元的输入，闭环相位控制单元生成各路激光的相位控制量，根据相位控制量施加相应的控制电压至相位调制器阵列，实现活塞相位控制。具体地，所述闭环相位控制单元包括光束处理模块8、光束探测模块9以及相位控制系统10，光束处理模块8使阵列光束传输到光束探测模块探测面上的光强分布尽可能反映阵列光束中单元光束间的相位差信息，光束探测模块9将探测面光场的光强信号转换为电信号传输至相位控制系统10，相位控制系统10通过接收和处理来自光束探测模块9的电信号，获得各路激光的相位控制量，将相位控制电压施加到相位调制模块4，实现光纤激光阵列的相位噪声补偿和系统的闭环控制。
功率较高的主激光作为空间滤波模块11的输入。空间滤波模块11，用于对阵列光束进行空间滤波和模式净化，空间滤波之后的输出激光传输到远场将形成拓扑荷数和径向阶数为预期值的高模式纯净度涡旋光束。空间滤波模块11包括第一聚焦透镜12、第二聚焦透镜13以及空间滤波器件14，第一聚焦透镜12和第二聚焦透镜13的焦距为f，构成4F系统，空间滤波器件14位于第一聚焦透镜12和第二聚焦透镜13的共焦平面。
空间滤波器件14的作用是对阵列光束傅里叶平面的光场进行处理，截断导致产生涡旋光束纯净度下降的旁瓣成分，空间滤波器件可以是结构参数优化设计的金属光阑，也可以通过在白宝石基底按照优化设计形状镀金属膜加工。
图2为本发明一实施例中准直器阵列输出阵列光束的排布方式图，如附图2所示，准直器阵列输出的阵列光束按照圆环形排布，单元光束的振幅为A0，波长为λ，束腰半径为w0，准直器通光口径为d，准直器阵列输出阵列光束光场的复振幅分布为：
Figure BDA0002917096620000121
其中，(x,y)为准直器平面的坐标，l为预期产生涡旋光束的拓扑荷数，r为准直器阵列结构参数。阵列光束包含n2-n1+1个圆环形子阵列，n1，n2为最内部圆环形子阵列和最外部圆环形子阵列的序号，序号为h的圆环形子阵列包含6h个沿角向均匀排布的单元光束。准直器阵列输出阵列光束的等效外直径为D2＝2n2r+d，等效内直径为D1＝2n1r-d，D1，D2决定空间滤波器件的结构参数。
准直器阵列输出阵列光束经过空间滤波模块，空间滤波模块中两个聚焦透镜的焦距为f，构成4F系统，空间滤波器件位于两个聚焦透镜的共焦平面。准直器阵列输出阵列光束位于第一聚焦透镜的等效前焦平面，则第一聚焦透镜后焦平面经过空间滤波器件调制后光场的复振幅分布为：
Figure BDA0002917096620000122
其中，(u,v)为第一聚焦透镜后焦平面的坐标，
Figure BDA0002917096620000123
表示傅里叶变换算符，(fx,fy)为(x,y)对应的空间频域坐标，R为空间滤波器件的通光半径。
对光纤激光相干合成产生涡旋光束进行空间滤波的核心是优化设计空间滤波器件的通光半径R，根据实际应用的需要，当R取值不同时，可以对径向阶数不同的涡旋光束进行模式纯净度优化。空间滤波器件的通光半径R为：
Figure BDA0002917096620000131
其中，Eap(x,y)为发射面光场分布，If(u,v)为直角坐标系下共焦平面光强分布，ρ为优化通光半径数组，If(ρ,ψ)为极坐标系下共焦平面光强分布，ρ0为优化通光半径数组ρ中的元素，(x,y)为准直器平面坐标，l为预期产生涡旋光束的拓扑荷数，r为准直器阵列结构参数，θ为极坐标系下准直器平面的极角坐标，(ρ,ψ)为极坐标系下的共焦平面坐标，(u,v)为第一个透镜后焦平面的坐标，
Figure BDA0002917096620000132
表示傅里叶变换算符。
对于径向阶数为0的涡旋光束，空间滤波器件的通光半径R＝min{ρ}。
基于光纤激光相干合成的涡旋光束产生及模式纯净度优化系统的发射面为第二聚焦透镜的后焦平面，发射面光场的复振幅分布为：
Figure BDA0002917096620000133
其中，(ξ,η)为系统发射面的坐标，(fu,fv)为(u,v)对应的空间频域坐标。
基于光纤激光相干合成的涡旋光束产生及模式纯净度优化系统的发射面输出激光传输到远场将形成拓扑荷数和径向阶数为预期值的高模式纯净度涡旋光束。
在本发明一实施例中，考虑包含两个圆环形子阵列的30路光纤激光阵列系统。准直器阵列最内部圆环形子阵列和最外部圆环形子阵列的序号n1，n2为2，3，且各包含12路和18路沿角向均匀排布的单元光束。准直器阵列结构参数r＝0.22mm，单元光束口径d＝0.2mm，单元光束束腰半径w0＝0.089mm，，激光工作波长λ＝1064nm，则准直器阵列输出阵列光束的等效外直径为D2＝1.5mm，等效内直径为D1＝0.68mm，当预期产生拓扑荷数为l＝2的涡旋光束时，准直器阵列平面的光强分布参见附图3(a)所示，相位分布参见附图3(b)所示。
对基于光纤激光相干合成产生拓扑荷数为2的涡旋光束进行空间滤波，可以消除产生涡旋光束的旁瓣，从而提升模式纯净度。对于不采用空间滤波器件，采用基于南非金山大学A.Forbes课题组提出广义空间滤波概念设计的空间滤波器件，采用基于本发明提出模式纯净度优化方法设计的空间滤波器件，采用口径较小圆孔光阑空间滤波器件和采用口径较大圆孔光阑空间滤波器件的情况，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数参见附图4(a1)，附图4(a2)，附图4(a3)，附图4(a4)和附图4(a5)所示。激光经过空间滤波模块后传输到与发射面相距20m的目标平面，计算系统的远场光强分布，参见附图4(b1)，附图4(b2)，附图4(b3)，附图4(b4)和附图4(b5)所示，目标平面产生涡旋光束的模式谱分布参见附图4(c1)，附图4(c2)，附图4(c3)，附图4(c4)和附图4(c5)所示。计算结果表明，当不采用空间滤波器件时，系统产生涡旋光束具有明显的旁瓣，模式纯净度只有72％，采用基于南非金山大学A.Forbes课题组提出广义空间滤波概念设计的空间滤波器件不能有效消除旁瓣，只能将模式纯净度提升至76％，采用口径较小圆孔光阑空间滤波器件可以将模式纯净度提升至99％以上，但产生涡旋光束与准直器阵列输出阵列光束的功率占比只有38％，采用口径较大圆孔光阑空间滤波器件可以将产生涡旋光束与准直器阵列输出阵列光束的功率占比提升至82％以上，但产生涡旋光束的模式纯净度提升只有80％，采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件可以将模式纯净度提升至99％以上，同时产生涡旋光束与准直器阵列输出阵列光束的功率占比接近50％，说明本发明提出的模式纯净度优化方法可以在确保合成效率的情况下实现对目标平面产生涡旋光束模式纯净度的优化。
采用基于本发明提出的模式纯净度优化方法还可以实现对基于30路光纤激光阵列系统产生拓扑荷数为1，3和4的涡旋光束进行模式净化。当预期产生拓扑荷数为1，3和4的涡旋光束时，准直器阵列平面的光强分布参见附图5(a)所示，相位分布参见附图5(b)，附图5(c)和附图5(d)所示。对于产生拓扑荷数为1的涡旋光束，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数参见附图6(a1)所示，当不采用空间滤波器件时，远场光强分布和模式谱分布参见附图6(a2)和附图6(a3)所示，当采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时，远场光强分布和模式谱分布参见附图6(a4)和附图6(a5)所示。对于产生拓扑荷数为3的涡旋光束，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数参见附图6(b1)所示，当不采用空间滤波器件时，远场光强分布和模式谱分布参见附图6(b2)和附图6(b3)所示，当采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时，远场光强分布和模式谱分布参见附图6(b4)和附图6(b5)所示。对于产生拓扑荷数为4的涡旋光束，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数参见附图6(c1)所示，当不采用空间滤波器件时，远场光强分布和模式谱分布参见附图6(c2)和附图6(c3)所示，当采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时，远场光强分布和模式谱分布参见附图6(c4)和附图6(c5)所示。计算结果表明，本发明提出的空间滤波方法可以实现基于光纤激光阵列产生的不同拓扑荷数涡旋光束模式纯净度的优化。
本发明提出的模式纯净度优化方法不仅可以对基于光纤激光阵列产生的径向0阶涡旋光束进行模式纯净度优化，还具有对基于光纤激光阵列产生的径向高阶涡旋光束进行模式纯净度优化的能力。在本发明一实施例中，考虑包含一个圆环形子阵列的18路光纤激光阵列系统。准直器阵列圆环形子阵列的序号为3，且18路单元光束沿角向均匀排布。准直器阵列结构参数r＝0.22mm，单元光束口径d＝0.2mm，单元光束束腰半径w0＝0.089mm，，激光工作波长λ＝1064nm，则准直器阵列输出阵列光束的等效外直径为D2＝1.5mm，等效内直径为D1＝1.1mm，当预期产生拓扑荷数为l＝1，径向阶数为0，1和2的涡旋光束时，准直器阵列平面的光强分布参见附图7(a)所示，相位分布参见附图7(b)所示。
根据本发明提出的模式纯净度优化方法，当空间滤波器件的优化结构参数R取优化通光半径数组{ρ}中的最小值，第二小值和第三小值时，可以对径向阶数为0，1和2的涡旋光束进行模式纯净度优化。对于产生拓扑荷数为1，径向阶数为0的涡旋光束，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数参见附图8(a1)所示，当采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时，远场光强分布和模式谱分布参见附图8(a2)和附图8(a3)所示。对于产生拓扑荷数为1，径向阶数为1的涡旋光束，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数参见附图8(b1)所示，当采用基于本发明提出空间滤波方法设计的空间滤波器件时，远场光强分布和模式谱分布参见附图8(b2)和附图8(b3)所示。对于产生拓扑荷数为1，径向阶数为2的涡旋光束，空间滤波模块两个聚焦透镜的共焦平面透过率函数参见附图8(c1)所示，当采用基于本发明提出模式纯净度优化方法设计的空间滤波器件时，远场光强分布和模式谱分布参见附图8(c2)和附图8(c3)所示。计算结果表明，基于光纤激光阵列产生不同径向阶数涡旋光束的旁瓣被有效消除，且模式纯净度均可以提升至99％以上，因此，本发明提出的模式纯净度优化方法可以实现基于光纤激光阵列产生的不同径向阶数涡旋光束模式纯净度的优化。
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 (6)

1.光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化方法，其特征在于，包括：
基于光纤激光相干合成产生拓扑荷数和径向阶数为预期值的阵列光束；阵列光束由光纤激光相干合成系统中的准直器阵列输出，阵列光束按照圆环形排布，阵列光束中的单元光束的振幅为A0，波长为λ，束腰半径为w0，准直器通光口径为d，阵列光束包含n2-n1+1个圆环形子阵列，n1，n2为最内部圆环形子阵列和最外部圆环形子阵列的序号，序号为h的圆环形子阵列包含6h个沿角向均匀排布的单元光束；准直器阵列输出阵列光束的等效外直径为D2＝2n2r+d，等效内直径为D1＝2n1r-d；
设计空间滤波模块；空间滤波模块包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及空间滤波器件，第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的焦距为f，构成4F系统，空间滤波器件位于两个聚焦透镜的共焦平面；通过对空间滤波器件的通光半径优化设计实现对径向阶数不同的涡旋光束进行模式纯净度优化，其中空间滤波器件的通光半径R为：
Figure FDA0003345801290000011
其中：Eap(x,y)为发射面光场分布，If(u,v)为直角坐标系下共焦平面光强分布，ρ为优化通光半径数组，If(ρ,ψ)为极坐标系下共焦平面光强分布，ρ0为优化通光半径数组ρ中的元素，(x,y)为准直器平面坐标，l为预期产生涡旋光束的拓扑荷数，r为准直器阵列结构参数，θ为极坐标系下准直器平面的极角坐标，(ρ,ψ)为极坐标系下的共焦平面坐标，(u,v)为第一个透镜后焦平面的坐标，F{·}表示傅里叶变换算符；
阵列光束经空间滤波模块进行空间滤波之后输出，输出激光传输到远场将形成拓扑荷数和径向阶数为预期值的高模式纯净度涡旋光束。
2.根据权利要求1所述的光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化方法，其特征在于，基于光纤激光相干合成产生阵列光束的方法是：种子激光经预放大后分束为多路激光，各路激光分别经相位调制、放大后由按照圆环形阵列排布的准直器阵列输出。
3.根据权利要求1所述的光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化方法，其特征在于，径向阶数为0的涡旋光束，空间滤波器件的通光半径R＝min{ρ}。
4.光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化系统，其特征在于：包括：
光纤激光相干合成系统，用于产生拓扑荷数和径向阶数为预期值的阵列光束；其中阵列光束由光纤激光相干合成系统中的准直器阵列输出，阵列光束按照圆环形排布，阵列光束中的单元光束的振幅为A0，波长为λ，束腰半径为w0，准直器通光口径为d，阵列光束包含n2-n1+1个圆环形子阵列，n1，n2为最内部圆环形子阵列和最外部圆环形子阵列的序号，序号为h的圆环形子阵列包含6h个沿角向均匀排布的单元光束；准直器阵列输出阵列光束的等效外直径为D2＝2n2r+d，等效内直径为D1＝2n1r-d，D1，D2决定空间滤波器件的结构参数；
空间滤波模块，用于对阵列光束进行空间滤波，空间滤波之后的输出激光传输到远场将形成拓扑荷数和径向阶数为预期值的高模式纯净度涡旋光束，其中包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及空间滤波器件，第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的焦距为f，构成4F系统，空间滤波器件位于两个聚焦透镜的共焦平面，通过空间滤波器件的通光半径实现对径向阶数不同的涡旋光束进行模式纯净度优化，空间滤波器件的通光半径R为：
Figure FDA0003345801290000031
其中：Eap(x,y)为发射面光场分布，If(u,v)为直角坐标系下共焦平面光强分布，ρ为优化通光半径数组，If(ρ,ψ)为极坐标系下共焦平面光强分布，ρ0为优化通光半径数组ρ中的元素，(x,y)为准直器平面坐标，l为预期产生涡旋光束的拓扑荷数，r为准直器阵列结构参数，θ为极坐标系下准直器平面的极角坐标，(ρ,ψ)为极坐标系下的共焦平面坐标，(u,v)为第一个透镜后焦平面的坐标，F{·}表示傅里叶变换算符。
5.根据权利要求4所述的光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化系统，其特征在于：光纤激光相干合成系统包括种子激光器、预放大器、光纤分束器、相位调制模块、级联放大模块、准直器阵列、高反镜以及闭环相位控制单元；
种子激光器输出的种子激光经过预放大器初步放大后，通过光纤分束器分为多路激光，各路激光通过相位调制模块调整各路激光的相位并经级联放大模块实现功率提升后，各路激光经过准直器阵列准直输出阵列光束，阵列光束被高反镜分成两束光，分别为采样光和主激光，采样光作为闭环相位控制单元的输入，闭环相位控制单元生成各路激光的相位控制量，根据相位控制量施加相应的控制电压至相位调制模块，实现活塞相位控制；主激光作为空间滤波模块的输入。
6.根据权利要求5所述的光纤激光相干合成产生涡旋光束的模式纯净度优化系统，其特征在于：闭环相位控制单元包括光束处理模块、光束探测模块以及相位控制系统，光束处理模块使阵列光束传输到光束探测模块探测面上的光强分布尽可能反映阵列光束中单元光束间的相位差信息，光束探测模块将探测面光场的光强信号转换为电信号传输至相位控制系统，相位控制系统通过接收和处理来自光束探测模块的电信号，获得各路激光的相位控制量，将相位控制电压施加到相位调制模块，实现光纤激光阵列的相位噪声补偿和系统的闭环控制。
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