基于达曼涡旋光栅的光纤激光相干合成的主动锁相方法和光纤激光相干合成系统与流程

1.本发明属于光纤激光相干合成领域、光场调控领域，特别是涉及一种基于达曼涡旋光栅的光纤激光相干合成的主动锁相方法和光纤激光相干合成系统。


背景技术：

2.理论上，涡旋光束角量子数可以无穷大且携带的轨道角动量(orbital angular momentum,oam)模式之间相互正交，因此涡旋光束在光通信、光学存储、光学微操控等领域表现出较大的应用前景。特别是在远距离应用领域如远距离空间光通信、遥感测速，对涡旋光束的功率、oam模式多样性提出了更高的要求。
3.光纤激光相干合成技术是将种子激光光源分为多路子光源，将多路子光源分别进行功率放大后组成相干阵列，通过控制各子单元光束之间的相位同步，实现阵列光束相干输出，在保持高光束质量的同时实现高功率的激光输出。采用分孔径相干合成的方式还可以实现对每一路子光束相位、偏振、振幅等参量的独立调控。因此，光纤激光阵列相干合成技术为获得实际应用所需要的高功率涡旋光束提供了一种有效的技术途径。
4.在实际应用中，由于外界环境影响以及增益介质的热效应会引入光纤激光相位噪声，相位噪声会严重影响相干合成输出光束的光束质量和输出功率，为实现光纤激光阵列的主动相干合成就需要通过主动锁相的方法实现对各激光器单元输出光束相位的实时控制。
5.现有技术中，一般选取桶中功率(power in bucket,pib)作为锁相控制的评价函数，其定义为在远场给定尺寸的“桶”中包围的激光功率占总功率的百分比，它表征光束的能量集中度。传统光纤激光相干合成技术的主动锁相系统主要包含光束探测模块和相位控制模块两个部分。光束探测模块的功能是提取信号光的pib作为主动锁相系统的评价函数，相位控制模块是将pib转换为电信号输出至相位控制系统实现了系统的闭环控制。但是涡旋光束是中空环形光场，选取pib作为锁相控制的评价函数已经无法实现对涡旋光束的有效光束质量评价，故传统锁相方法已不适用于生成涡旋光束。
6.因此，为了输出高质量的涡旋光束，有必要提供一种新的光纤激光相干合成的主动锁相方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于达曼涡旋光栅的光纤激光相干合成的主动锁相方法和光纤激光相干合成系统，基于达曼涡旋光栅提取目标oam模式，以目标oam模式光强作为主动锁相的评价函数，实现相干合成涡旋光束的输出。
8.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
9.基于达曼涡旋光栅的相干光纤激光阵列相干合成的主动锁相方法，包括：
10.对当前输出的涡旋光束进行分束，其中低功率部分作为待检测涡旋光束，用于主
动相位控制；
11.利用达曼涡旋光栅生成涡旋光束阵列，涡旋光束阵列中每个涡旋光束对应一个已知的oam模式，所有涡旋光束对应不同的oam模式；
12.将待检测涡旋光束与涡旋光束阵列中每个涡旋光束进行同轴干涉，并根据干涉场中涡旋光束是否存在实心光斑作为判据，探测待检测涡旋光束中的oam模式成分，并探测计算干涉场中目标oam模式对应实心光斑的光强；
13.选取干涉场中指定的目标oam模式对应的实心光斑的光强，作为spgd算法的评价函数，利用spgd算法计算下一次光纤激光阵列的每一路子光束的相位控制信号并施加至相位调制器模块，进行多次迭代，直到算法收敛，评价函数值不再变化，此时待检测涡旋光束中目标oam模式强度稳定收敛至最大值，实现oam模式可调的涡旋光束输出。
14.进一步地，根据干涉场中涡旋光束是否存在实心光斑作为判据，探测待检测涡旋光束中的oam模式成分的方法为：若光斑为实心光斑，则待检测涡旋光束中存在与该实心光斑对应涡旋光束相反的oam模式。
15.进一步地，探测计算目标oam模式对应的实心光斑光强方法为：采用ccd相机采集干涉场的图像，对采集的图像进行处理和信息提取，得到图像中任意一个或多个目标oam模式对应实心光斑的光强。
16.进一步地，探测计算目标oam模式对应的实心光斑光强方法为：采用光电探测器采集光场中目标oam模式对应实心光斑的光强。
17.进一步地，涡旋光束阵列呈5x5排列，且涡旋光束阵列所覆盖的oam模式范围为-12～12。
18.进一步地，采用铌酸锂相位调制器来根据相位控制信号对相应子光束进行锁相控制。
19.基于达曼涡旋光栅的光纤激光相干合成系统，包括：相干光纤激光阵列模块、光束处理模块、光束探测模块和相位控制模块；
20.所述相干光纤激光阵列模块用于：对种子激光依次进行放大、分束、相位调制和级联放大，得到涡旋光束输出；
21.所述分束处理模块包括高反射镜、分束器、达曼涡旋光栅和空间光调制器；
22.所述高反射镜，对相干光纤激光阵列模块输出的涡旋光束中的高功率部分反射，反射部分用于实际应用，对低功率部分透射；
23.所述分束器对高反射镜的透射部分进行分束，分束器为50：50分束器，其中一部分光束经过透镜聚焦汇聚于位于焦平面的ccd相机，另一部分光束作为待检测涡旋光束入射至空间光调制器；
24.所述达曼涡旋光栅用于生成涡旋光束阵列，其中，涡旋光束阵列中每个涡旋光束对应一个已知的oam模式，所有涡旋光束对应不同的oam模式；
25.所述空间光调制器用于：将待检测涡旋光束与涡旋光束阵列中每个涡旋光束进行同轴干涉；
26.所述光束探测模块用于：探测计算待检测涡旋光束中的目标oam模式对应实心光斑的光强；
27.所述相位控制模块用于：选取干涉场中指定的目标oam模式对应的实心光斑的光
强作为spgd算法的评价函数，利用spgd算法计算下一次光纤激光阵列中每一路子光束的相位控制信号并施加至相位调制器，进行多次迭代，直到算法收敛，评价函数值不再变化，此时待检测涡旋光束中目标oam模式强度稳定收敛至最大值，实现oam模式可调的涡旋光束输出。
28.进一步地，所述光束探测模块采用ccd相机采集干涉场的图像，并采用处理器对采集的图像进行处理和信息提取，得到图像中任意一个或多个目标oam模式对应实心光斑的光强。
29.进一步地，所述光束探测模块采用光电探测器，直接采集光场中目标oam模式对应实心光斑的光强。
30.有益效果：与现有光纤激光阵列的主动相位锁相方案相比，本发明基于达曼涡旋光栅主动锁相的光纤激光阵列，可以实现高功率涡旋光束输出，并具有实现输出oam模式多样性的潜力，从而扩展涡旋光束的应用场景。
附图说明
31.图1是基于达曼涡旋光栅的光纤激光相干合成系统产生涡旋光束的结构示意图
32.图2是产生涡旋光束的排布示意图；
33.图3：(a)达曼涡旋光栅的位相图，(b)涡旋光场阵列图，(c)oam模式分布图，(d)1阶涡旋光束的oam模式检测结果图；
34.图4：(a)6阶合成涡旋光束的近场光场图，(b)6阶合成涡旋光束的远场光场图，(c)达曼涡旋光栅光场分布图，(d)达曼涡旋光场的oam模式谱；
35.图5：(a)存在噪声的合成涡旋光束，(b)存在噪声的达曼涡旋光场分布图，(c)受噪声影响的oam模式谱，(d)光束质量评价函数收敛曲线。
具体实施方式
36.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
37.本发明提供一种基于达曼涡旋光栅的光纤激光相干合成的主动锁相方法，包括以下步骤：
38.步骤1，对当前输出的涡旋光束进行分束，其中低功率部分作为待检测涡旋光束。
39.具体由相干光纤激光阵列模块输出涡旋光束，参考图1所示，首先由种子源输出种子激光，种子激光经过预放大器放大，并通过光纤分束器分束为多路，各路子光束激光依次通过相位调制器、级联光纤放大器，相位调制器实现对每一路子光束相位的实时控制，光纤放大器用于提升子光束的功率，功率放大后的子光束阵列由光纤准直器阵列环形排布后输出到自由空间，得到相干光纤激光阵列，即为相干光纤激光阵列模块当前输出的相干合成涡旋光束。
40.相干光纤激光阵列的具体排布方式如图2所示，包含n
circ
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，各路单元光束的束腰半径为w0，波长为λ，振幅为a0，且各圆环形子阵列上的单元光束中心与整个相干光纤激光阵列中心的间距为r。
41.将光纤准直器阵列发射端定义为光纤激光阵列的初始发射面(z＝0m)，发射面相
干光纤激光阵列的光场分布为：
[0042][0043]
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，(x
j,h
,y
j,h
)，
j,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：
[0044][0045]
其中，rj为第j个圆环形子阵列单元光束中心与发射面阵列中心间距。为产生拓扑荷数为l的涡旋光束，单元光束的活塞相位参数满足：
[0046][0047]
上述由光纤准直器输出的阵列光束，经过高反射镜，将功率较高的反射部分用于系统的实际应用，低功率的透射光部分通过分束器分为两部分，一部分光束经过透镜聚焦汇聚于位于焦平面的ccd相机，用于合成光斑的观测，另一部分光束作为本发明的待检测涡旋光束，入射至加载了达曼涡旋光栅相息图的空间光调制器以实现对涡旋光束的oam模式的实时探测。
[0048]
步骤2，利用达曼涡旋光栅生成涡旋光束阵列，涡旋光束阵列中每个涡旋光束对应一个已知的oam模式，所有涡旋光束对应不同的oam模式。
[0049]
达曼涡旋光栅是一种集成涡旋相位的特殊二维光栅，作为一类二维衍射元件可用于生成涡旋光束阵列，阵列包含的涡旋光束具有等功率的特性。本发明实施例设计的二维达曼涡旋光栅(如图3(a)所示)，可以生成5x5涡旋光束阵列(如图3(b)所示)，且对应的oam模式分布分别如图3(c)所示。
[0050]
步骤3，将待检测涡旋光束与涡旋光束阵列中每个涡旋光束进行同轴干涉，并根据干涉场中涡旋光束是否存在实心光斑作为判据，探测待检测涡旋光束中的oam模式成分，并探测计算干涉场中指定的目标oam模式对应实心光斑的光强。
[0051]
根据拓扑荷异号的涡旋光束之间相互干涉，中空的环形光场结构会退化为实心光斑的特性，本发明将待检测的涡旋光束与达曼涡旋光栅生成的每个oam模式已知的涡旋光束之间进行同轴干涉，若干涉场中存在实心光斑则证明待检测涡旋光束中存在与已知拓扑荷涡旋光束相反的oam模式。而且，由于所有已知oam模式的涡旋光束呈阵列分布，因此在oam模式分布已知的情况下即可实现对待检测涡旋光束中所有oam模式成分的并行探测，并且基于涡旋光束阵列等功率的特性，还可以实现对待检测涡旋光束中各oam模式成分相对权重的定量分析。
[0052]
本实施例基于达曼涡旋光栅的1阶涡旋光束oam模式检测结果如图3(d)所示，在涡
旋光束阵列oam模式为-1处检测到了实心光斑，证明了达曼涡旋光栅对待检测涡旋光束中oam模式的实时检测能力。
[0053]
探测得到的待检测涡旋光束中的目标oam模式成分时，进一步采用光束探测模块对干涉场中目标oam模式对应的实心光斑的光场强度(简称光强)进行探测计算。具体的探测计算可采用ccd相机或光电探测器(pd)，然后将采集到的信号通过ad转换卡转换为电信号并传输给相位控制模块。
[0054]
ccd相机用于采集远场的光斑形态分布，其采集的是干涉场的图像信息，经过图像处理及信息提取后，可以得到干涉场中任意一个或多个目标oam模式对应实心光斑的光强，实现多模式复用输出。
[0055]
pd用于采集干涉场中单个目标oam模式对应实心光斑的光强信号，具有采集速度快，使得基于pd的主动锁相系统具有控制带宽高、实时性好的优点。
[0056]
因此选用ccd相机还是pd采集方式，可视具体应用场景而定。
[0057]
步骤4，选取干涉场中指定的目标oam模式对应实心光斑的光强，作为spgd算法的评价函数，利用spgd算法计算下一次光纤激光阵列的每一路子光束的相位控制信号并施加至相位调制器模块，进行多次迭代，直到算法收敛评价函数值不再变化，此时待检测涡旋光束中目标oam模式强度稳定收敛至最大值，实现oam模式可调的涡旋光束输出其中，spgd算法是一种盲优化算法，在主动锁相控制中的应用属于成熟的现有技术，其基本步骤是：对相位调制模块(本实施例中的相位调制模块采用常规的铌酸锂相位调制器)并行施加正反向随机小幅扰动后获取评价函数，进而计算其变化梯度，再根据梯度下降原则对相位调制器施加反馈控制，通过多次迭代后将评价函数收敛至最大值或最小值，实现整个系统的锁相闭环控制。
[0058]
本发明则基于涡旋光束是中空环形光场的原因，基于达曼涡旋光栅生成多个已知oam模式的涡旋光束阵列，将待检测的涡旋光束与已知oam模式的涡旋光束同轴干涉，基于拓扑荷异号的涡旋光束之间相互干涉退化为实心光斑的特性，创新性地选择干涉场中目标oam模式对应的实心光斑的光场强度作为评价函数，最终利用spgd算法迭代计算各子光束的相位控制信号，进而对各子光束相位进行迭代锁相控制，输出目标涡旋光束。
[0059]
为证明本发明的有益效果，下面给出一个计算实例来以本发明作进一步描述：
[0060]
lavery等人在2013年发表在science的一文中提出利用叠加态涡旋光束测量旋转目标转速的方法，为实现远距离目标转速的遥感测量提供了一种可行的方案。为实现远距离测量，就需要生成能够进行远距离传输的具有高功率的叠加态涡旋光束。基于本发明可以制备用于远距离目标转速测量的高功率叠加态涡旋光束，具体方案如下：
[0061]
基于光纤激光相干合成技术生成的相干合成涡旋光束，本身就是一类特殊叠加态涡旋光束，其oam模式分布与子光束数目m、以及加载的目标拓扑荷l有关，具体为l-pm(p为整数)。在本实例中，构建了m＝12路圆环形排布的光纤激光阵列，加载l＝6阶目标涡旋相位用于生成拓扑荷数为正负6的叠加态涡旋光束，其中：涡旋相干组束系统的参数为：子阵列数目12、激光束腰半径w0＝0.2mm、各子光束中心与原点间距r＝1.2mm、激光工作波长＝1064nm，目标拓扑荷数为6，相邻子光束间的活塞相位差为π。首先，在相干合成系统无相位噪声情况下数值计算了6阶合成涡旋光束的近场光场图、远场光场图、达曼涡旋光栅光场分布以及oam模式谱，其结果分别如图4(a)-(d)所示。
[0062]
图4(c)的结果表明本实验例设计的达曼涡旋光栅完全可以实现对合成涡旋光束的oam模式探测，在实验中可以选择ccd相机用于观察达曼涡旋光场分布。
[0063]
在此基础上引入相位噪声，图5(a)-(c)分别为受噪声影响的6阶合成涡旋光束、噪声达曼涡旋光场图及oam模式谱；为实现对相位噪声的自适应控制，选择以达曼涡旋光栅探测到的正负6阶oam模式中的实心光斑光场强度作为评价函数(如图4(c)、5(b)中圆圈内所示)，实心光斑的光场强度越高表明正负6阶涡旋光束受噪声的影响越小，目标oam模式向邻近模式的扩展就越小。在实验方案中光束探测模块可以采用光电探测器及针孔实现评价函数的提取，然后经a/d转换卡输出至相位锁相模块进行锁相闭环控制。图5(d)所示的光束评价函数收敛曲线表明只需迭代70步左右就能实现整个系统的锁相输出，结果证明了基于达曼涡旋光栅的主动锁相方案能够将受相位噪声影响的正负6叠加态合成涡旋光束基本矫正至无噪声影响时的理论合成涡旋光束，实现了正负6叠加态合成涡旋光束的锁相输出，从而制备了可用于远距离目标转速测量的高功率叠加态涡旋光束。
[0064]
以上实施例为本技术的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本技术总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本技术要求保护的范围之内。