[发明专利]倾斜可控相干光纤激光阵列产生涡旋光束的方法

权利要求书

1.倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，包括：

设待生成的涡旋光束呈圆环形阵列排布，其包含m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，m个圆环形子阵列中所有的单元光束的总数目为n束，N_j为第j个圆环形子阵列包含的单元光束数目，j＝1,2,3,…m，N₁为第一环也即最内一环的圆环形子阵列包含的单元光束数目，N₁为6的倍数，则最外环的圆环形子阵列包含的单元光束数目N_m＝N₁+6(j-1)；第j个圆环形子阵列上的各单元光束中心与涡旋光束的中心的间距均为r_j；

搭建倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生系统，生成涡旋光束；

所述倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生系统包括子光束产生单元、涡旋光束产生单元以及闭环控制单元；所述子光束产生单元用于产生n束子光束；所述涡旋光束产生单元包括n路子光束路径，n束子光束分别对应一路子光束路径，各路子光束路径上依次设有相位调制器，级联光纤放大器和自适应光纤准直器，n个自适应光纤准直器按照待生成的涡旋光束同样的圆环形阵列排布形成自适应光纤准直器阵列，自适应光纤准直器阵列在发射面输出涡旋光束；闭环控制单元包括采集单元以及控制单元，采集单元用于采集涡旋光束的光信号；控制单元基于采集单元采集的光信号，提取系统的活塞相位误差，生成对应的活塞相位控制信号，将活塞相位控制信号传输至各路相位调制器以调节各单元光束的活塞相位，同时还提取倾斜控制信号，并将倾斜控制信号施加到各路自适应光纤准直器以调节各单元光束的倾斜角。

2.根据权利要求1所述的倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，子光束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束子光束。

3.根据权利要求1所述的倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，采集单元保留高反射镜、透镜、分束器、CCD相机和光电探测器；控制单元包括1#控制器和2#控制器；

自适应光纤准直器阵列输出的涡旋光束经过高反射镜，大部分光束经高反镜反射输出作为系统的输出光束，经高反镜透射出的光束用于系统的闭环控制和合成光斑的观测；高反镜透射出的光束经过透镜后通过分束器分为两部分，一部分光束汇聚于位于透镜焦平面的CCD相机，用于合成光斑的观测，另一部分由光电探测器采集，光电探测器将采集的光信号转换为电信号，光电探测器将电信号传送至1#控制器，1#控制器以光电探测器采集的电信号强度为评价函数，提取系统的活塞相位误差，生成对应的活塞相位控制信号，将活塞相位控制信号传输至各路相位调制器以调节各单元光束的活塞相位；同时光电探测器将电信号传送至2#控制器，2#控制器提取倾斜控制信号，并将倾斜控制信号施加到各路自适应光纤准直器以调节各单元光束的倾斜角，相位调制器和自适应光纤准直器同时工作，实现系统的活塞相位和倾斜波前的闭环控制。

4.根据权利要求3所述的倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，1#控制器上加载有单抖动算法，以单抖动算法作为活塞相位控制算法。

5.根据权利要求3所述的倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，2#控制器上加载有随机并行梯度下降算法，以随机并行梯度下降算法为倾斜控制算法。

6.根据权利要求3所述的倾斜可控相干光纤激光阵列的涡旋光束产生方法，其特征在于，设自适应光纤准直器阵列在发射面输出的涡旋光束中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；

基于相干光纤激光阵列产生和调控涡旋光束等同于在发射面用多个单元光束拟合出一个理想的涡旋光束，设发射面输出的相干光纤激光阵列的光场分布为：

其中，k为波数，(x,y)为发射面坐标，N_j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)，(θ_xjh,θ_yjh)，φ_j,h分别为第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的中心坐标，倾斜角和活塞相位；

第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的中心坐标满足：

其中，r_j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m的涡旋光束，第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的活塞相位参数满足：

第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的倾斜角满足：

为了实现相干光纤激光阵列光场调控，对单元光束的活塞相位和倾斜角进行进一步调控，有：

其中，(Θ_xjh,Θ_yjh)和Φ_j,h分别为第j个圆环形子阵列上第h个单元光束的附加倾斜角和活塞相位调控参数。