基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束的系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束的系统及方法，以解决现有多波长或者复色涡旋光束的产生存在的结构复杂、输出功率及类型有限的技术问题。该系统包括超荧光光源、含有光纤分光器和相干光纤阵列的多通道激光产生单元及含有光传输组件、计算机、光纤相位控制模块及与光纤相位控制模块均相接的M个光纤相位调制器的空间相位调控单元。该方法通过设置输入各路光纤子模块的光程一致且输出波长一致，光纤准直输出头输出端各路激光偏振态一致，采用空间相位调控单元，通过SPGD算法调整加载在光纤相位调制器上的电压，获得锁定空间相位，进而获得所需的复色涡旋光束。旋光束。旋光束。

【技术实现步骤摘要】
基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束的系统及方法


[0001]本专利技术涉及复色涡旋光束的生成装置和方法，具体涉及一种基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束系统及方法。

技术介绍

[0002]涡旋光束是一类波前相位围绕光场中心呈螺旋变化的空间结构光场，涡旋光束的螺旋相位结构使其波矢量绕光轴呈螺旋状指向，类似于电子围绕原子核旋转，因而具有轨道角动量，并且一个涡旋光子所携带的轨道角动量L正比于其拓扑荷l，即h为普朗克常数)。螺旋相位结构、量子化轨道角动量以及中空强度分布等特性，使涡旋光束已广泛应用于光学微操控、量子计算、材料形貌加工、日冕观测仪等领域。
[0003]快速增长的应用需求对涡旋光场及其相关器件提出了更高要求，尤其是涡旋光源。针对该问题，近年来，人们相继提出了多种方法，例如衍射或透射元件被动法和激光腔内主动法。目前使用较为广泛的光学元件包括空间光调制器、扭曲向列液晶、螺旋相位板、超表面等。这类光学元件不涉及激光谐振腔光路结构，避免了光路调节难题，可以方便灵活地实现各类涡旋光场的产生。但是，此类光学元件的承载功率和衍射效率较低，输出功率和能量利用率不高。此外，复杂的制备工艺、高昂的制备成本等因素严重制约了大规模应用。另外，上述光学元件只能实现单一波长涡旋光束产生，而在一些基于涡旋光束的应用中，例如涡旋光通信系统以及传感系统，通常要求光源具有多波长特性，因此对多波长或复色涡旋光源的研究是十分有必要的。
[0004]2006年，J.Leach等发表在《Optics Express》第14卷第12期的论文“Generation of achromatic bessel beams using a compensated spatial light modulator”中，采用空间相位调制器件和白光光源实现了复色涡旋光产生，但需要在光路中额外放置棱镜进行色差补偿。2018年，等发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》第121卷第21期的论文“Multispectral Management of the Photon Orbital Angular Momentum”中使用特殊设计、具有“拓扑像素”的可编程液晶空间光调制器实现了多波长涡旋光束产生。以上研究虽然都实现了多波长或者复色涡旋光束产生，但都存在一定不足，例如需要特殊设计的光学元件、输出功率有限等等。此外，上述研究产生的多波长或者复色涡旋光束只局限于空间相位(或者拓扑荷分布)与波长相互独立类型，对于空间相位分布与波长相关的多波长或者复色涡旋光束目前尚未见诸报道。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于解决现有多波长或者复色涡旋光束的产生存在的结构复杂、输出功率及类型有限的技术问题，提出一种基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束系统及方法。
[0006]本专利技术提供的技术方案为：
[0007]一种基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束的系统，其特殊之处在于：包
括超荧光光源、多通道激光产生单元及空间相位调控单元；
[0008]所述多通道激光产生单元包括光纤分光器和相干光纤阵列；
[0009]所述光纤分光器接收超荧光光源发出的荧光激光束，并将超荧光激光束分为M束激光，M≥3；
[0010]所述相干光纤阵列包括M个光纤子模块及与光纤子模块对应连接的M个光纤准直输出头，M个光纤准直输出头沿周向至少均匀设置一圈，且每圈沿径向等半径排布；M个光纤子模块对应接收光纤分光器输出的M束激光；
[0011]所述光纤子模块包括光纤可调谐滤波器及熔接在光纤可调谐滤波器与光纤准直输出头之间的保偏单模光纤；M个光纤可调谐滤波器的输入端分别连接光纤分光器的M个激光输出端；M个光纤准直输出头用于输出M路准直光信号；
[0012]所述空间相位调控单元包括依次连接的光传输组件、计算机、光纤相位控制模块，以及与光纤相位控制模块的M个输出端对应相接的M个光纤相位调制器；光纤相位调制器设置在对应的保偏单模光纤与光纤准直输出头之间；
[0013]光传输组件包括沿光信号依次设置的分光镜、反射镜、4f系统、二分之一波片、空间光调制器、第三透镜及电荷耦合器件；
[0014]空间光调制器上加载所需复色涡旋光束的复共轭相位；
[0015]所述电荷耦合器件的输出端连接计算机，计算机用于设置调制参数并通过光纤相位控制模块实现对光纤相位调制器上加载电压的调节。
[0016]进一步地，所述超荧光光源为超荧光光纤光源。
[0017]进一步地，所述4f系统包括依次设置在分光镜的透射光路上的第一透镜、空间滤波器及第二透镜；
[0018]所述空间滤波器的孔径大小可调。
[0019]本专利技术还提供一种基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束的方法，其特殊之处在于，采用上述基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束系统，包括以下步骤：
[0020]S1、超荧光光源发射的激光通过光纤分光器注入到M个光纤子模块中，M≥3，各路光纤子模块输出的激光再经M个光纤准直输出头输出至分光镜；
[0021]设置各路光纤子模块的光程一致，每路光纤子模块的输出波长一致，光纤准直输出头输出端各路脉冲激光偏振态一致；
[0022]S2、采用计算机设置初始电压U
(k)
为当前电压，k为当前电压调节次数，k≥1且为整数，并通过光纤相位控制模块加载到各光纤相位调制器上，对各个光纤子模块中的激光进行相位调制；
[0023]S3、相位调制后的激光经光纤准直输出头输出各路激光至分光镜，分光镜的透射光信号经反射镜反射后形成合束光场输入4f系统，4f系统将合束光场处理后输出给二分之一波片；
[0024]S4、旋转二分之一波片，调节合束光场的偏振态，使其满足空间光调制器对入射激光的偏振要求，空间光调制器上加载所需复色涡旋光场的复共轭相位信息，合束光场经过空间光调制器后形成携带复共轭相位信息的合束光场；
[0025]携带复共轭相位信息的合束光场在第三透镜的焦平面被电荷耦合器件采集；
[0026]S5、电荷耦合器件将采集的信息传输给计算机获得性能评价函数J，并随机生成扰
动向量，根据扰动向量，通过光纤相位控制模块生成M路激光对应的随机扰动电压δU
(k)
；
[0027]S6、判断性能评价函数J是否演化到极值，若是，则获得所需复色涡旋光束的锁定空间相位，执行步骤9；否则执行步骤7；
[0028]S7、将随机扰动电压与初始电压累加后，加载到对应的光纤相位调制器，对各路光纤子模块的激光施加正向扰动，获得正向性能评价函数J
(k)+
；
[0029]将随机扰动电压与初始电压累减后，加载到对应的光纤相位调制器，对各路光纤子模块的激光施加负向扰动，获得负向性能评价函数J
(k)
‑
；
[0030]根据性能评价函数变化量δJ
(k)
＝(J
(k)+
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束的系统，其特征在于：包括超荧光光源(1)、多通道激光产生单元及空间相位调控单元；所述多通道激光产生单元包括光纤分光器(2)和相干光纤阵列；所述光纤分光器(2)接收超荧光光源(1)发出的荧光激光束，并将超荧光激光束分为M束激光，M≥3；所述相干光纤阵列包括M个光纤子模块及与光纤子模块对应连接的M个光纤准直输出头(6)，M个光纤准直输出头(6)沿周向至少均匀设置一圈，且每圈沿径向等半径排布；M个光纤子模块对应接收光纤分光器(2)输出的M束激光；所述光纤子模块包括光纤可调谐滤波器(3)及熔接在光纤可调谐滤波器(3)与光纤准直输出头(6)之间的保偏单模光纤(4)；M个光纤可调谐滤波器(3)的输入端分别连接光纤分光器(2)的M个激光输出端；M个光纤准直输出头(6)用于输出M路准直光信号；所述空间相位调控单元包括依次连接的光传输组件、计算机(17)、光纤相位控制模块(18)，以及与光纤相位控制模块(18)的M个输出端对应相接的M个光纤相位调制器(5)；光纤相位调制器(5)设置在对应的保偏单模光纤(4)与光纤准直输出头(6)之间；光传输组件包括沿光信号依次设置的分光镜(7)、反射镜(9)、4f系统、二分之一波片(13)、空间光调制器(14)、第三透镜(15)及电荷耦合器件(16)；空间光调制器(14)上加载所需复色涡旋光束的复共轭相位；所述电荷耦合器件(16)的输出端连接计算机(17)，计算机(17)用于设置调制参数并通过光纤相位控制模块(18)实现对光纤相位调制器(5)上加载电压的调节。2.根据权利要求1所述的基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束的系统，其特征在于：所述超荧光光源(1)为超荧光光纤光源。3.根据权利要求1或2所述的基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束的系统，其特征在于：所述4f系统包括依次设置在分光镜(7)的透射光路上的第一透镜(10)、空间滤波器(11)及第二透镜(12)；所述空间滤波器(11)的孔径大小可调。4.一种基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于超荧光光源和相干合束实现复色涡旋光束系统，包括以下步骤：S1、超荧光光源(1)发射的激光通过光纤分光器(2)注入到M个光纤子模块中，M≥3，各路光纤子模块输出的激光再经M个光纤准直输出头(6)输出至分光镜(7)；设置各路光纤子模块的光程一致，每路光纤子模块的输出波长一致，光纤准直输出头(6)输出端各路脉冲激光偏振态一致；S2、采用计算机(17)设置初始电压U
(k)
为当前电压，k为当前电压调节次数，k≥1且为整数，并通过光纤相位控制模块(18)加载到各光纤相位调制器(5)上，对各个光纤子模块中的激光进行相位调制；S3、相位调制后的激光经光纤准直输出头(6)输出各路激光至分光镜(7)，分光镜(7)的透射光信号经反射镜(9)反射后形成合束光场输入4f系统，4f系统将合束光场处理后输出给二分之一波片(13)；
S4、旋转二分之一波片(13)，调节合束光场的偏振态，使其满足空间光调制器(14)对入射激光的偏振要求，空间光调制器(14)上加载所需复色涡旋光场的复共轭相位信息，合束光场经过空间光调制器(14)后形成携带复共轭相位信息的合束光场；携带复共轭相位信息的合束光场在第三透镜(15)的焦平面被电荷耦合器件(16)采集；S5、电荷耦合器件(16)将采集的信息传输给计算机(17)获得性能评价函数J，并随机生成扰动向量，根据扰动向量，通过光纤相位控制模块(18)生成M路激光对应的随机扰动电压δU
(k)
；S6、判断性能评价函数J是否演化到极值，若是，则获得所需复色涡旋光束的锁定空间相位，执行步骤9；否则执行步骤7；S7、将随机扰动电压与初始电压累加后，加载到对应的光纤相位调制器(5)，对各路光纤子模块的激光施加正向扰动，获得正向性能评价函数J
(k)+
；将随机扰动电压与初始电压累减后，加载到对应的光纤相位调制器(5)，对各路光纤子模块的激光施加负向扰动，获得负向性能评价函数J
(k)
‑
；根据性能评价函数变化量δJ
(k)
＝(J
(k)+
‑
J
(k)
‑
)，通过SPGD算法调整加载在光纤相位调制器(5)...

【专利技术属性】
技术研发人员：俱沛，范文慧，高卫，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：