基于分形的相干光纤激光阵列及其产生系统技术方案

基于分形的相干光纤激光阵列及其产生系统，相干光纤激光阵列包括围绕阵列光纤中心由内之外呈环形排布的N圈光束，各圈光束中包含相同数量的子光束，在同一圈光束中的各子光束各光学参数相同且沿角向均匀排布。N圈光束中其中至少有连续的两圈或两圈以上的光束构成分形排布激光阵列；分形排布激光阵列中的任一相邻两圈光束中，靠内侧的一圈光束中的各子光束的束腰半径、光束口径和光束中心与阵列光纤中心的间距相对于靠外侧的一圈光束中的各子光束的束腰半径、光束口径和光束中心与阵列光纤中心的间距均等比缩小。本发明专利技术可拓展系统的阵列填充方式，提升激光阵列的光学参量调控能力，从而提升相干光纤激光阵列产生结构光的合成效率和模式纯度。

Fractal based coherent fiber laser array and its generation system

【技术实现步骤摘要】
基于分形的相干光纤激光阵列及其产生系统
本专利技术涉及光纤激光相干合成
，特别是涉及一种基于分形的相干光纤激光阵列及其产生系统。
技术介绍
光纤激光相干合成是获得高亮度激光相干合成的重要方法之一，在空间光通信、科学研究、国防等领域具有广阔的应用前景，是当前激光
的研究热点。光纤激光相干合成是实现高平均功率、高光束质量激光输出的有效方式，在医疗卫生、工业加工、科学研究和国防安全等领域应用前景广泛。近年来，随着激光技术的迅速发展，在远距离空间光通信、非线性频率转换、激光烧蚀与材料加工等领域不仅需要高功率激光，对光场的振幅、相位及偏振态空间结构也提出了进一步需求，如涡旋光束、柱矢量光束、无衍射光束等，这些光学参量具有特殊空间结构的光场统称为结构光场，而光纤激光阵列相干合成也为产生高功率的结构光提供了一种有效的技术途径。光纤激光阵列相干合成技术中，阵列光束的构建直接影响相干合成效果。目前技术通常采用正六边形或圆形排布方式，各路光束的口径相同，相邻光束的间距一致，均为单位间距R。参照图1，以圆形均匀排布激光阵列为例，均匀排布激光阵列中第1圈光束为最内层的一圈光束，由内到外依次为第1圈光束、第2圈光束…..第N圈光束。现有均匀阵列光束构建方法如图1所示，首先在笛卡尔坐标系原点处构建单元光束，束腰半径为w0，波长为λ，光束口径为d，随后从内向外依次构建N圈环形排布光束，其中第N圈共包含6N个与原点处单元光束相同的子光束，各子光束沿角向均匀排布，即从0到2π每间隔π/3N排布一个子光束，且第N圈各子光束中心与原点间距为RN＝NR，R为单位间距。根据图1方式构建的包含N圈环形排布光束的圆形排布激光阵列，其总口径D1为：D1＝2NR+d。然而，现有阵列光束构建方法在传统相干合成领域限制了阵列光束的填充方式，导致了合成光束的旁瓣难以进一步消除，从而影响了合成光束的能量集中程度提升。这一问题在光纤激光阵列产生高功率结构光领域更为明显，如产生涡旋光束，现有阵列光束构建方法导致合成光束的旁瓣难以进一步消除不仅影响了功率提升受限，更影响了产生涡旋光束的模式纯度。因此，现有阵列光束构建方法为光纤激光阵列相干合成系统的进一步优化带来了困难。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术提出了一种基于分形的相干光纤激光阵列及其产生系统，采用该本专利技术可以拓展系统的阵列填充方式，且可以提升激光阵列的光学参量调控能力，从而可以提升相干光纤激光阵列产生结构光的合成效率和产生结构光的模式纯度。为实现上述技术目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：基于分形的相干光纤激光阵列，该相干光纤激光阵列呈中心分布，其中心即阵列光纤中心，相干光纤激光阵列包括围绕阵列光纤中心由内之外呈环形排布的N圈光束，各圈光束中包含相同数量的子光束，在同一圈光束中的各子光束各光学参数相同且沿角向均匀排布。N圈光束中其中至少有连续的两圈或两圈以上的光束构成分形排布激光阵列；分形排布激光阵列中的任一相邻两圈光束中，靠内侧的一圈光束中的各子光束的束腰半径、光束口径和光束中心与阵列光纤中心的间距相对于靠外侧的一圈光束中的各子光束的束腰半径、光束口径和光束中心与阵列光纤中心的间距均等比缩小，其中等比缩小的比例为t，t＞0。进一步地，本专利技术所述分形排布激光阵列中第1圈光束为最外层的一圈光束，由外到内依次为第1圈光束、第2圈光束…..。分形排布激光阵列中任一相邻的第n-1圈光束和第n圈光束中，其等比缩小的比例t≤rn/rn-1，其中rn-1为第n-1圈光束中的各子光束的光束中心与阵列光纤中心的间距，rn为第n圈光束中的各子光束的光束中心与阵列光纤中心的间距。进一步地，本专利技术中，rn和rn-1满足等比数列通项公式。进一步地，本专利技术还包括均匀排布激光阵列，N圈光束中至少有连续的两圈或两圈以上的光束构成均匀排布激光阵列。进一步地，本专利技术中，均匀排布激光阵列中的所有子光束的束腰半径均为w0，波长均为λ，光束口径均为d，均匀排布激光阵列中相邻圈光束间的间距相同。进一步地，本专利技术中，分形排布激光阵列和均匀排布激光阵列交替设置。进一步地，本专利技术中，相干光纤激光阵列整体呈正六边形或圆形排布。另一方面，本专利技术提供一种基于分形的相干光纤激光阵列的产生方法，包括：产生激光光束；对所产生的激光光束进行放大；对放大之后的激光光束进行扩束，生成多路激光光束并对生成的多路激光光束进行放大；对放大之后的各路激光光束进行相位调控；将多个光纤激光准直器以分形的排布形式拼接形成一个基于分形的光束准直器阵列且相位调控后的各路光束一一对应光束准直器阵列中的一个光纤激光准直器，相位调控后的各路光束通过光束准直器阵列进行发射，实现激光从光纤波导到自由空间光束的扩束与准直，同时实现基于分形的相干光纤激光阵列光束的拼接。本专利技术提供一种基于分形的相干光纤激光阵列产生系统，所述基于分形的相干光纤激光阵列产生装置能够产生上述任一种所述的基于分形的相干光纤激光阵列。进一步地，本专利技术提供一种基于分形的相干光纤激光阵列产生系统，包括种子源、预放大模块、分束器模块、级联放大模块、相位调制器阵列和准直与合束模块。种子源用于产生激光光束，种子源种输出的激光光束通过预放大模块进行放大，之后进入分束器模块进行扩束，生成多路激光光束；从分束器模块分束出的多路激光光束经过级联放大模块进行放大，放大后的激光光束注入相位调制器阵列进行相位调控。经过相位调制器阵列调控后的各路激光光束输出到准直与合束模块，准直与合束模块将各路光束准直输出，并拼接成基于分形的相干光纤激光阵列光束。准直与合束模块包括多个光纤激光准直器，每一路激光光束对应一光纤激光准直器，将多路光束的光纤激光准直器以分形的排布形式(即将多个光纤激光准直器按照对应的分形排布激光阵列的排布形式排列)拼接形成一个基于分形的光束准直器阵列，通过光束准直器阵列进行发射，可以实现激光从光纤波导到自由空间光束的扩束与准直，同时可以实现基于分形的相干光纤激光阵列光束的拼接。进一步地，还包括合成光束处理模块、光电探测模块和控制系统；准直与合束模块输出的基于分形的相干光纤激光阵列光束经过合成光束处理模块的部分光束入射到光电探测模块。光电探测模块将接受到的光信号转换为电信号传输到到控制系统。控制系统根据接受到的电信号生成相位控制信号并将相位控制信号传输到相位调制器阵列，实现对各路光束之间相位的锁定和调控。其中合成光束处理模块由高反射镜、聚焦透镜和分束器构成，其功能是提取合成光束的光场信息和观测合成光束的光强分布。准直与合束模块输出的光束经过高反射镜，高反射镜将包含大部分的能量光束反射并在自由空间中传输，将包含小部分能量的光束透射，包含小部分能量的透射光束通过聚焦透镜后，通过分束器分束，一部分光束聚焦至光电探测器用于光场信息的提取，另一部分光束聚焦至光斑分析仪用于观测合成光束的光强分布。本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术保证了每圈环形排布光束中的子光束的数量一致，解决了现有均匀阵列光束构建方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于分形的相干光纤激光阵列，其特征在于：该相干光纤激光阵列呈中心分布，其中心即阵列光纤中心，相干光纤激光阵列包括围绕阵列光纤中心由内之外呈环形排布的N圈光束，各圈光束中包含相同数量的子光束，在同一圈光束中的各子光束各光学参数相同且沿角向均匀排布；/nN圈光束中其中至少有连续的两圈或两圈以上的光束构成分形排布激光阵列；分形排布激光阵列中的任一相邻两圈光束中，靠内侧的一圈光束中的各子光束的束腰半径、光束口径和光束中心与阵列光纤中心的间距相对于靠外侧的一圈光束中的各子光束的束腰半径、光束口径和光束中心与阵列光纤中心的间距均等比缩小，其中等比缩小的比例为t，t＞0。/n

【技术特征摘要】
1.基于分形的相干光纤激光阵列，其特征在于：该相干光纤激光阵列呈中心分布，其中心即阵列光纤中心，相干光纤激光阵列包括围绕阵列光纤中心由内之外呈环形排布的N圈光束，各圈光束中包含相同数量的子光束，在同一圈光束中的各子光束各光学参数相同且沿角向均匀排布；
N圈光束中其中至少有连续的两圈或两圈以上的光束构成分形排布激光阵列；分形排布激光阵列中的任一相邻两圈光束中，靠内侧的一圈光束中的各子光束的束腰半径、光束口径和光束中心与阵列光纤中心的间距相对于靠外侧的一圈光束中的各子光束的束腰半径、光束口径和光束中心与阵列光纤中心的间距均等比缩小，其中等比缩小的比例为t，t＞0。


2.根据权利要求1所述的基于分形的相干光纤激光阵列，其特征在于：分形排布激光阵列中第1圈光束为最外层的一圈光束，由外到内依次为第1圈光束、第2圈光束…..；分形排布激光阵列中任一相邻的第n-1圈光束和第n圈光束中，其等比缩小的比例t≤rn/rn-1，其中rn-1为第n-1圈光束中的各子光束的光束中心与阵列光纤中心的间距，rn为第n圈光束中的各子光束的光束中心与阵列光纤中心的间距。


3.根据权利要求2所述的基于分形的相干光纤激光阵列，其特征在于：rn和rn-1满足等比数列通项公式。


4.根据权利要求1、2或3所述的基于分形的相干光纤激光阵列，其特征在于：还包括均匀排布激光阵列，N圈光束中至少有连续的两圈或两圈以上的光束构成均匀排布激光阵列。


5.根据权利要求4所述的基于分形的相干光纤激光阵列，其特征在于：均匀排布激光阵列中的所有子光束的束腰半径均为w0，波长均为λ，光束口径均为d，均匀排布激光阵列中相邻圈光束间的间距相同。


6.根据权利要求4所述的基于分形的相干光纤激光阵列，其特征在于：分形排布激光阵列和均匀排布激光阵列交替设置。

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【专利技术属性】
技术研发人员：周朴，侯天悦，马鹏飞，安毅，来文昌，常洪祥，龙金虎，张雨秋，黄龙，宋家鑫，黄良金，李灿，吴坚，姜曼，粟荣涛，马阎星，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43