[發明專利]基于光纖激光陣列產生渦旋光束的光束質量評價方法

有效

• 申請號: 202011086763.4
• 申請日: 2020-10-12
• 公開（公告）號: CN112180591B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 周樸;侯天悅;馬鵬飛;馬閻星;粟榮濤;吳堅;李燦;劉偉;姜曼;張雨秋;常琦;常洪祥;王濤;張嵩;司磊;許曉軍;陳金寶
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B27/09
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 周達

基于光纖激光陣列產生渦旋光束的光束質量評價方法,基于光纖激光陣列產生拓撲荷數為m的渦旋光束，獲取距離發射面z＝L處的目標平面合成渦旋光束的光強分布；獲取距離發射面z＝L處的目標平面合成渦旋光束的圓域內m階軌道角動量模式純度；計算高階光束傳輸因子；高階光束傳輸因子越接近1，則基于光纖激光陣列產生的拓撲荷數為m的渦旋光束的光束質量越好。高階光束傳輸因子可以有效描述合成渦旋光束的能量集中程度，并考慮了合成渦旋光束的模式純度，可以準確評價合成渦旋光束的光束質量。

技術領域

本發明屬于光纖激光質量評價技術領域，具體地涉及一種基于光纖激光陣列產生渦旋光束的光束質量評價方法。

背景技術

光束質量是激光技術應用中極為重要的參數，是評價激光特性的性能指標，對指導激光器及激光系統的設計、制造、檢測和應用等均具有十分重要的意義。光纖激光陣列相干合成是獲得高亮度激光的重要方法之一，在醫療衛生、工業加工、科學研究和國防安全等領域具有廣闊的應用前景，目前已經有很多方法用于對光纖激光陣列相干合成產生光束的光束質量進行評價，如M2因子、斯特列爾比、桶中功率、光束傳輸因子(Beam propagationfactor,BPF)等，其中BPF定義為陣列光束遠場桶中功率與激光總功率比值的1.19倍，桶半徑為平面波經過與光纖激光陣列總口徑相同的圓孔衍射在遠場形成艾里斑的半徑，1.19為歸一化常數。目前，對于光纖激光陣列相干合成產生光束的光束質量評價，科研人員廣泛采用周樸提出的BPF：當BPF越接近1，研究人員認為光纖激光陣列相干合成產生光束的亮度最高，光束質量越好。

隨著激光技術的發展，光纖激光陣列相干合成不僅可以應用于提升激光輸出功率，還廣泛應用于產生振幅、相位、偏振態和相干度具有復雜空間分布的結構光場。其中，基于光纖激光陣列相干合成產生渦旋光束具有功率高和模式切換速度快的優勢，有望應用于遠距離空間光通信，激光工業加工和非線性頻率轉換等領域。然而，對于光纖激光陣列相干合成產生的渦旋光束，軸上光強為0，光強分布為環形，采用傳統的BPF評價方法一方面不適用于描述環形光強分布，另一方面難以反映與渦旋光束螺旋相位結構相關的模式純度，因此BPF不適合作為光纖激光陣列產生渦旋光束的光束質量評價方法。

發明內容

針對現有技術中存在的缺陷，本發明提出了一種基于光纖激光陣列產生渦旋光束的光束質量評價方法。本發明拓展了傳統BPF的適用范圍，補償了采用傳統BPF評價合成光束性能在特殊光斑形態和與相位分布相關的模式純度方面的不足，采用該方法拓展的BPF可準確反映光纖激光陣列產生渦旋光束的能量集中程度和模式純度，進而對合成光束的光束質量進行綜合評價。

為實現上述技術目的，本發明采用的具體技術方案如下：

基于光纖激光陣列產生渦旋光束的光束質量評價方法，包括：

(1)基于光纖激光陣列產生拓撲荷數為m的渦旋光束，獲取距離發射面z＝L處的目標平面合成渦旋光束的光強分布I_combined(ρ,ψ,,L)，其中ρ為極坐標系下目標平面的徑向坐標，ψ為極坐標系下目標平面的角向坐標；

(2)獲取距離發射面z＝L處的目標平面合成渦旋光束的圓域內m階軌道角動量模式純度P_m；

(3)計算高階光束傳輸因子BPF^(m)；

其中參數η_m和γ_m分別和能量分布和衍射角相關，分別定義為平面波在發射面通過圓環比例系數為q_m的圓環光闌和拓撲荷數為m的螺旋波前調制后，衍射到遠場的夫瑯禾費衍射斑中央主環能量占比及中央主環衍射角，q_m表示產生軌道角動量光束模式階數為m的情況下，對應圓環光闌內半徑與外半徑之比的最優值；λ為光纖激光陣列中單元光束的波長。