СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА С ПРОИЗВОЛЬНО ЗАДАННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ИНТЕНСИВНОСТИ В ДАЛЬНЕМ ОПТИЧЕСКОМ ПОЛЕ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2020 года по МПК G02B27/10 G02B27/09 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к лазерной технике и волоконной оптике и может быть использовано для создания систем передачи световой энергии через свободное пространство. Изобретение может найти применение в различных областях техники, где требуется формирование лазерных пучков с нетипичным распределением интенсивности и управление этим распределением.

Уровень техники

Предлагаемые способ и устройство основаны на принципах построения оптических фазированных решеток и адаптивной оптики.

Системы оптических фазированных решеток, как правило, используются для когерентного суммирования лазерных пучков с целью достижения максимальной плотности мощности в дальнем поле и являются предметом ряда российских и зарубежных патентов (US8548017 B1, US7058098 B1, US7187492, RU2470334, RU2488862). Все эти патенты отличаются главным образом способами организации цепи обратной связи, для выделения сигнала, управляющего фазирующими элементами, регулирующими текущие фазы отдельных элементов в решетке, с целью приведения всех элементов в решетке в состояние с одинаковыми фазами, а также наличием или отсутствием опорного канала.

Известен способ генерации цилиндрического векторного пучка в системе фазированной решетки лазеров US Patent 9042017B1 “Apparatus and method for producing an annular composite far-field patterned beam(s)”. В данном патенте предлагается метод и устройство для генерации составного (композитного) дальнепольного пучка, имеющего центральный «ноль» и дискретную цилиндрическую симметрию. Для этой цели используется фазированная решетка гауссовых пучков, при этом в каждый пучок вводится элемент для поворота вектора поляризации так чтобы пучки противоположные друг другу относительно нуля, были поляризованы в том же самом направлении, но повернуты в противофазе на 180 градусов. В результате этого в дальнем поле образуется распределение интенсивности с центральным нулем. Образование такого распределения интенсивности в дальнем поле обязано интерференции совокупности пучков, расположенных симметрично таким образом, что каждому, пучку с заданным вектором поляризации соответствует синфазный симметрично расположенный пучок, но с поляризацией, повернутой на 180 градусов. Недостатком данного решения является наличие оптических поляризующих компонентов – 1/2- волновых пластинок, имеющих ограниченную лучевую стойкость, на выходе каждого пучка, что существенно ограничивает возможности масштабирования мощности формируемого лазерного пучка. Кроме того, данный способ ограничен созданием лишь одного вида распределения интенсивности.

Известен способ формирования пучка с кольцевым распределением интенсивности с использованием метода спектрального сложения множества лазерных пучков US 9366872-1 “Apparatus and method for fiber-laser output-beam shaping for spectral beam combining”. Данный способ предполагает использование множества лазерных пучков, каждый из которых имеет свою длину волны и пропускается через рефракционный или дифракционный оптический элемент, преобразуя распределение интенсивности каждого пучка из гауссовой моды в моду Лагерра-Гаусса LG₁₀. Затем все пучки направляются на суммирующую дифракционную решетку, которая объединяет их в один кольцевой пучок. Недостатком данного решения является наличие оптических рефракционных или дифракционных элементов, имеющих ограниченную лучевую стойкость, на выходе каждого пучка, что существенно ограничивает возможности масштабирования мощности формируемого лазерного пучка. Кроме того, данный способ ограничен созданием лишь одного вида распределения интенсивности для данного набора элементов.

В работе K. Gao и др. (Gao, K. Flat-top beam generated by coherent beam combining of Gaussian lasers/ K.Gao, L.Xu, R.Zheng, G.Chen, H.Zheng, H.Ming// Chin. Opt. Lett.- 2010.- Vol. 8.- N. 1.- P. 45 – 47) исследовалась возможность формирования плоско-вершинного распределения интенсивности в результате управления исключительно амплитудами излучения сфазированных гауссовых лазерных пучков, объединенных в решетку гексагональной формы. Однако при этом признается необходимость сдвига фазы на величину π для тех пучков, амплитуда которых в расчетах принимает отрицательное значение. Данное значение фазы, как и любое другое заданное значение фазы для какого-либо пучка в решетке не может поддерживаться автоматически и требует введения в пучок стационарного фазового элемента, сдвигающего фазу данного пучка на величину π, в то время как цепь обратной связи на основе задания метрики в виде функции Эйри и алгоритма стохастической минимизации будет стремиться выровнять изменяющиеся во времени фазы всех пучков.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент РФ №2648975 «Способ получения скалярного вихревого пучка и устройство его реализации». В данном патенте предлагается метод и устройство для генерации составного (композитного) дальнепольного пучка, обладающего центральным нулем интенсивности (кольцевой пучок), путем управления фазой каждого «субпучка». Недостатком данного способа является ограниченное время «замороженности» фазового состояния каждого «субпучка» и, связанная с этим неустойчивость сформированного таким образом дальнепольного распределения интенсивности.

Сведения, раскрывающие сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение состоит в создании способа и устройства для формирования оптического (лазерного) луча с произвольно заданным распределением интенсивности в дальнем поле.

Поставленная цель достигается тем, что предложенный способ и устройство для формирования оптического (лазерного) луча с произвольно заданным распределением интенсивности в дальнем поле, как и прототип, включают в себя разделенное на N каналов линейно поляризованное лазерное излучение, направленное на N соответствующих фазовых модуляторов. После прохождения фазовых модуляторов мощность в каждом канале усиливается с помощью соответствующих N волоконных усилителей мощности. Усиленные каналы излучения выставляют так, чтобы их оптические оси были параллельны друг другу, при этом в каждом канале с помощью коллимирующих линз формируется плоский волновой фронт. Коллимирующие линзы образуют синтезированную апертуру, состоящую из отдельных гауссовых пучков, расположенных равномерно вдоль геометрических фигур, обладающих общим центром симметрии. В отличие от прототипа формирование заданного распределения интенсивности происходит в результате управления амплитудой отдельных пучков (управления мощностью излучения в каждом канале, посредством регулирования тока накачки усилителей мощности) и фазой отдельных пучков (путем регулирования модулирующего напряжения фазовых модуляторов). Для заданного распределения интенсивности в дальнем поле с помощью итерационного алгоритма заранее рассчитываются соответствующие значения заданной амплитуды и заданной фазы в ближнем оптическом поле для каждого отдельного пучка. Амплитуда каждого пучка задается путем установления тока накачки соответствующего усилителя мощности. Для управления фазой отдельных пучков малая часть мощности генерируемой синтезированной апертурой отделяется с помощью светоделительной пластины для формирования замкнутой цепи обратной связи. Соответствующее заданному распределению интенсивности заранее рассчитанное значение фазы каждого пучка в ближнем поле задается с помощью единого фазоформирующего элемента, расположенного в цепи обратной связи. Фазоформирующий элемент рассчитывается, изготавливается и настраивается таким образом, что каждому отдельному пучку в решетке соответствует отдельная область фазоформирующего элемента, вносящего сдвиг фазы на величину, равную величине заданной фазы для данного пучка в ближнем оптическом поле, но с противоположным знаком. После прохождения фазоформирующего элемента все пучки собираются и интерферируют в фокальной плоскости фокусирующей линзы, пропускаются через пространственный фильтр, представляющий собой малую диафрагму (pinhole) и прошедшая интенсивность излучения регистрируется фотоприемником. Образующаяся интерференционная картина будет иметь максимальный контраст, когда фазы всех интерферирующих пучков будут равны между собой, а это произойдет в том случае, когда фазы всех пучков в ближнем оптическом поле примут соответствующие значения заданной фазы. При этом сигнал фотоприемника будет достигать максимального уровня. Сигнал с фотоприемника поступает на многоканальный контроллер фазы, работающий на основе алгоритма поиска глобального максимума/минимума и генерирующий уровни напряжений, управляющие фазовыми модуляторами таким образом, чтобы постоянно поддерживать такое значение фазы для каждого пучка, при котором уровень сигнала на фотоприемнике будет иметь максимально возможное значение. При этом амплитуды и фазы всех пучков примут заданные значения, соответствующие тем, которые необходимы для формирования заданного распределения интенсивности в дальнем поле. Следует отметить, что в результате управления фазой пучков в соответствии с алгоритмом поиска глобального максимума/минимума все флуктуации фазы, вызванные тепловыми, механическими и акустическими флуктуациями показателя преломления и длины оптического волокна и длины, входящего в состав устройства также будут скомпенсированы, как это происходит в системах когерентного сложения лазерных пучков.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения заключается в получении оптического пучка с произвольно заданным, контролируемым распределением интенсивности в дальнем поле путем формирования композитного пучка, состоящего из N ≥ 3 отдельных коллимированных, линейно поляризованных и параллельных друг другу гауссовых пучков, расположенных равномерно вдоль геометрических фигур, обладающих общим центром симметрии и настройки амплитуды и фазы каждого пучка так, чтобы они соответствовали заданному распределению интенсивности, формируемому при дифракционном перекрытии и интерференции пучков в дальнем оптическом поле и поддержании такого амплитудного и фазового состояния системы в течение неограниченного времени путем управления амплитудой и фазой отдельных пучков, образующих композитный пучок.

Преимуществом заявляемого способа является то, что в отличие от известного способа, формирующего композитный пучок с орбитальным угловым моментом, и поддерживающим такое состояние композитного пучка в течение ограниченного времени, предлагаемый способ позволяет формировать пучки с заданным распределением интенсивности, включая пучки с орбитальным угловым моментом, и поддерживать заданное распределение интенсивности в течение неограниченного времени.

Новым для способа является:

- формирование заданного распределения интенсивности в дальнем поле в результате управления амплитудой и фазой отдельных пучков, имеющих линейную поляризацию и составляющих синтезированную апертуру, причем управление фазой происходит в цепи обратной связи, содержащей фазоформирующий элемент, который заранее рассчитывается, изготавливается и настраивается таким образом, что каждому отдельному пучку в решетке соответствует отдельная область фазоформирующего элемента, вносящего сдвиг фазы на величину, равную величине заданной фазы для данного пучка в ближнем оптическом поле, но с противоположным знаком.

Одним из воплощений заявляемого способа является способ получения скалярного вихревого пучка, обладающего орбитальным угловым моментом и имеющего центральный «ноль» в дальнепольном распределении интенсивности. Данное воплощение способа отличается тем, все N ≥ 3 пучков располагаются равномерно вдоль окружности, их поляризации ориентируются однонаправлено, а в цепи обратной связи в качестве фазоформирующего элемента устанавливается спиральная фазовая пластинка, в которой направление возрастания фазы противоположно направлению возрастания фазы в синтезированном пучке, а суммарный набег фазы составляет 2πl, где l = ±1, ±2,… целое число, определяющее значение орбитального углового момента. Коллиматор, расположенный в центре окружности не используется. При прохождении данной спиральной фазовой пластинки каждый пучок приобретает дополнительный набег фазы, равный заданному значению фазы с противоположным знаком. При этом в плоскости фотоприемника происходит синфазное, когерентное сложение падающих пучков и сигнал, регистрируемый фотоприемником, достигает максимального значения. Результирующее распределение интенсивности соответствует синтезированному пучку, сформированному в соответствии с принципом образования пучков, обладающих орбитальным угловым моментом. При этом фазы соседних пучков вдоль периметра окружности в выходной плоскости синтезированной апертуры отличаются на величину 360°l/N_sub.

Одним из воплощений заявляемого способа является способ получения цилиндрического векторного пучка, обладающего спин-орбитальным угловым моментом m и имеющего центральный «ноль» в дальнепольном распределении интенсивности. Данное воплощение способа отличается тем, что все N ≥ 3 пучков располагаются равномерно вдоль окружности, их поляризации ориентируются радиально относительно центра окружности или по касательной к окружности (для m=1) или повернуты на угол 4π/N (N ≥6, для m =2), а в цепи обратной связи в качестве фазоформирующего элемента устанавливается полуволновой вихревой ретардер, представляющий собой полуволновую поляризационную пластинку (например, Thorlabs #WPV10L-1064 для m=1 или #WPV10-1064 для m=2), преобразующую направление поляризации падающих пучков так, что поляризации всех пучков становятся однонаправленными. Данное ситуация возможна при выполнении условия, при котором угол между направлением вектора поляризации k-того субпучка β_k и удвоенным углом ориентации быстрой оси полуволновой пластинки в области падения k-того субпучка α_k составляет 90°: При этом в плоскости фотоприемника происходит синфазное, когерентное сложение падающих пучков и сигнал, регистрируемый фотоприемником, достигает максимального значения. Результирующее распределение интенсивности соответствует синтезированному пучку, сформированному в соответствии с принципом образования пучков, обладающих спин-орбитальным угловым моментом.

Новым для устройства является:

- наличие многоканального контроллера, управляющего амплитудами отдельных пучков в соответствии с заранее рассчитанными для заданного распределения интенсивности в дальнем поле значениями;

- введение заранее рассчитанного для заданного распределения интенсивности в дальнем поле фазоформирующего элемента, который располагается в цепи обратной связи, содержащей малую часть мощности, генерируемой синтезированной апертурой, что позволяет масштабировать мощность генерируемого лазерного пучка.

В одном из воплощений заявляемого устройства в качестве фазоформирующего элемента используется заранее рассчитанная компьютерно-синтезированная голограмма.

В одном из воплощений заявляемого устройства для формирования пучка, обладающего орбитальным угловым моментом и центральным «нулем» в распределении интенсивности в качестве фазоформирующего элемента используется полуволновой вихревой ретардер.

В одном из воплощений заявляемого устройства для формирования пучка, обладающего спин-орбитальным угловым моментом и центральным «нулем» в распределении интенсивности в качестве фазоформирующего элемента используется спиральная фазовая пластинка.

В одном из воплощений заявляемого устройства в качестве фазоформирующего элемента используется заранее рассчитанный дифракционный оптический элемент.

В одном из воплощений заявляемого устройства в качестве фазоформирующего элемента используется управляемое деформируемое зеркало, что позволяет быстро переходить от одного заданного распределения интенсивности к другому заданному распределению интенсивности.

В одном из воплощений заявляемого устройства в качестве фазоформирующего элемента используется управляемый жидкокристаллический пространственный модулятор света.

В одном из воплощений заявляемого устройства для формирования пучка, обладающего спин-орбитальным угловым моментом и центральным «нулем» в распределении интенсивности в качестве фазоформирующего элемента используется полуволновой вихревой ретардер.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

Описание работы устройства приведено на примере синтезированной апертуры, состоящей из гексагональной решетки близко расположенных друг к другу субапертур (волоконных коллиматоров). Число субапертур N_sub может составлять N_sub = 3, 7, 19, 37, 61 и т.д. Для N_sub > 3 число субапертур может быть вычислено по формуле , где n = 1, 2, … целое число. Примеры синтезированных апертур, состоящих из 3-х (а), 6-ти (б) и 19-ти (в) элементов представлены на фиг.1.

Осуществление изобретения

Принцип работы способа и устройства заключается в следующем:

Поле, излучаемое отдельной субапертурой можно представить в виде комплексной амплитуды:

, (1)

где k = 1, 2,…, N_sub – номер субапертуры, , - координаты центров субапертур, - амплитуда поля, излучаемого k-той субапертурой, - единичный вектор, описывающий поляризационное состояние субпучка,

- стационарное значение фазы k-того субпучка, - зависящее от времени значение нестационарной фазы k-того субпучка.

С учетом гауссова распределения интенсивности внутри субапертуры

, (2)

где - радиус гауссова пучка в плоскости Z = 0.

Тогда, поле, излучаемое синтезированной апертурой, состоящей из N_sub субапертур можно записать в следующем виде:

. (3)

Разделим излучение, генерируемое синтезированной апертурой на два канала с помощью светоделительной пластины. Светоделительную пластину можно изготовить таким образом, что она будет делить пучок в соотношении мощностей 99:1. Таким образом, в первый канал будет поступать практически вся генерируемая мощность излучения. В результате полного дифракционного перекрытия и интерференции субпучков в дальней оптической зоне на дистанции L, первый канал излучения сформирует распределение интенсивности

, (4)

Здесь – координаты центра синтезированного пучка на дистанции L. Подставив с учетом (1), (2) и (3) можно записать выражение (4) в виде:

где скалярное произведение векторов поляризации, которые могут иметь противоположные знаки, приводя к уменьшению величины члена в квадратных скобках в уравнении (5), который описывает интерференционную картину, образованную субпучками при их идеальном перекрытии на дистанции L. Таким образом, распределение интенсивности при полном перекрытии всех субпучков на дистанции L определяется направлением векторов поляризации, величинами амплитуд и разностью фаз между отдельными субпучками. В предположении, что амплитуды всех субпучков равны между собой , и вектора поляризации однонаправлены, выражение (5) имеет следующий вид:

=

. (6)

При идеальном когерентном сложении пучков, когда , n – целое число, значение суммы в уравнении (6) равно N_sub и интенсивность на оси синтезированного пучка достигает своего максимально возможного значения:

(7)

В свою очередь, некогерентное сложение пучков происходит тогда, когда субпучки не интерферируют между собой, при этом значение суммы в уравнении (6) равно нулю и интенсивность на оси синтезированного пучка

. (8)

В промежуточных случаях реализуется частично-когерентное сложение пучков, при этом вследствие интерференции могут быть сформированы пучки с различным распределением интенсивности.

Пусть заданное распределение интенсивности в первом канале распространения синтезированного пучка на дистанции L достигается при начальном поле

, (9)

где и - целевые значения амплитуды и фазы субпучков соответственно. Эти целевые значения амплитуд и фаз субпучков могут быть заранее рассчитаны для заданного распределения интенсивности с помощью итерационных алгоритмов, подобных алгоритму Гершберга-Сакстона. Следует отметить, что решение обратной задачи по восстановлению исходного амплитудного и фазового распределения на основе заданного распределения интенсивности может быть реализовано только численно и в определенном приближении. Точность восстановления амплитуды и фазы в случае синтезированного пучка возрастает при росте числа управляемых субапертур, которое может иметь оптимальное значение.

Зададим усиление для каждого субпучка таким образом, чтобы выполнить условие (9) для амплитуд излучения. Разместим во втором канале фазоформирующий элемент в область распространения синтезированного пучка, где еще нет перекрытия субпучков. Фазоформирующий элемент заранее рассчитывается и изготавливается таким образом, что в каждый канал распространения излучения субпучков вносится дополнительный набег фазы . Разместим на выходе из фазоформирующего элемента фокусирующую линзу. В фокусе линзы установим пространственный фильтр (пинхол) и фотодетектор, чтобы регистрировать интенсивность на оси синтезированного пучка. Максимальный уровень сигнала в соответствии с уравнением (7) будет достигнут при условии равенства фаз всех субпучков в фокальной плоскости линзы, т.е.

, (10)

где - значение начальной фазы для k-того субпучка, - некоторое значение фазы, одинаковое для всех пучков. Данное значение может быть выбрано произвольным образом. Используя многоканальный контроллер фазы, работающий на основе алгоритма поиска глобального максимума/минимума (например, SPGD) и генерирующий уровни напряжений, управляющие фазовыми модуляторами можно постоянно поддерживать такое значение фазы для каждого пучка, при котором уровень сигнала на фотоприемнике будет иметь максимально возможное значение. При выборе значения , алгоритм поиска глобального максимума/минимума обеспечивает выполнение условия , которое удовлетворяет условию (9). Таким образом, в выходной плоскости синтезированной апертуры мы получаем комплексное поле в соответствии с условием (9), которое обеспечивает заданное распределение интенсивности в первом канале на дистанции L. Следует отметить, что с помощью алгоритма глобального максимума/минимума мы не только поддерживаем целевые значения фазы для каждого субпучка, но и компенсируем нестационарные изменения фазы , так что заданное распределение интенсивности может поддерживаться неограниченное время.

Способ и устройство работают следующим образом:

Устройство фиг.2. включает в себя когерентный источник линейно-поляризованного излучения 1 с волоконным выходом и волоконный делитель излучения на N (N ≥ 3) каналов 2, связанных каждый с одним из N волоконно-интегрированных оптических фазовых модуляторов 3, регулирующих фазу оптической волны в пределах ± mλ (где m – число более 1). Каждый из N каналов усиливается соответствующим волоконным усилителем 4 и имеет на выходе линзовый коллиматор 5, формирующий параллельный пучок лучей (субпучок). Все N коллиматоров позиционируются таким образом, чтобы на выходе образовать синтезированную апертуру (композитный пучок), представляющую собой решетку близко установленных друг к другу субапертур, оптические оси которых параллельны друг другу и расположены равномерно вдоль периметров геометрических фигур (окружностей, квадратов, шестиугольников), имеющих общий центр симметрии. Все оптические элементы данного устройства поддерживают исходное состояние поляризации, однако при этом возникают неконтролируемые изменения и флуктуации фаз отдельных пучков вследствие изменения длин оптических путей под действием внешних факторов. Все субпучки в результате дифракции перекрываются и интерферируют между собой на мишени 6, расположенной в дальнем оптическом поле, формируя распределение интенсивности композитного пучка. Малая доля мощности всего композитного пучка до перекрытия субпучков отделяется от целого композитного пучка с помощью светоделительной пластины 7 и с помощью 2-х линзового телескопа 8 преобразует размеры композитного пучка в соответствии с размерами рабочей поверхности фазоформирующего элемента 10, который осуществляет сдвиг фазы каждого субпучка на заранее определенную величину, соответствующую величине фазы субпучка, необходимой для формирования заданного распределения интенсивности, но с противоположным знаком. После прохождения фазоформирующего элемента 10, образованный композитный пучок собирается линзой 9, при этом субпучки интерферирую между собой в плоскости малой диафрагмы (пин-хола) 11 с размером отверстия, близким к дифракционному размеру сфокусированного линзой 9 пучка, имеющим диаметр, равный диаметру синтезированной апертуры и прошедшая через диафрагму мощность регистрируется фотоприемником 12. В связи с тем, что диафрагма имеет размер отверстия меньше ширины интерференционной полосы, сигнал с фотоприемника пропорционален интенсивности интерференционной полосы, а данная интенсивность достигает своего максимального значения, когда все субпучки, интерферирующие в плоскости диафрагмы, приходят в эту плоскость в состоянии с равной фазой. Данное условие достигается тем, что сигнал с фотоприемника поступает на многоканальный контроллер фазы 14, генерирующий напряжения для управления фазовыми модуляторами 3 и работающий по принципу стохастической минимизации, что позволяет поддерживать такое состояние фазы для каждого субпучка, при котором сигнал с фотоприемника поддерживается на максимально возможном уровне. Кроме того, для достижения заданного распределения интенсивности, характеризуемого не только фазами, но и амплитудами интерферирующих пучков, заранее определенное для заданного распределения интенсивности распределение амплитуд, поддерживается с помощью контроллера амплитуды 13, управляющего токами накачки соответствующих волоконных усилителей мощности.

В устройстве, изображенном на фиг.2 в качестве фазоформирующего элемента 10 используется заранее рассчитанная и изготовленная компьютерно-синтезированная голограмма.

Пример устройства для формирования синтезированного пучка, обладающего орбитальны угловым моментом и центральным «нулем» в распределении интенсивности, с использованием в качестве фазоформирующего элемента спиральной фазовой пластинки представлен на фиг.3. В данном воплощении синтезированная апертура состоит из коллиматоров 5, оптические оси которых параллельны друг другу, и расположенных равномерно вдоль периметра окружности. Коллиматор, расположенный в центре окружности не используется. Поляризации всех пучков ориентированы однонаправлено. Стрелка а на фиг.3 показывает одно из двух возможных направлений возрастания фазы субпучков для достижения заданного распределения интенсивности и знака орбитального углового момента. Данное состояние фаз субпучков достигается тем, что во втором канале распространения излучения расположена спиральная фазовая пластинка 10, в которой направление возрастания фазы (изображено стрелкой б) противоположно направлению возрастания фазы субпучков. При прохождении данной спиральной фазовой пластинки каждый пучок приобретает дополнительный набег фазы, равный заданному значению фазы с противоположным знаком. Таким образом, все субпучки приходят в плоскость приемной площадки фотоприемника 12 в состоянии с равной фазой, при условии, что нестационарная фаза будет скомпенсирована в результате управления фазовыми модуляторами контроллером фазы 14, работающим на основе алгоритма поиска глобального максимума.

На фиг.4 представлен пример устройства для формирования синтезированного пучка, обладающего спин-орбитальным угловым моментом и центральным «нулем» в распределении интенсивности, с использованием в качестве фазоформирующего элемента полуволнового вихревого ретардера. В данном воплощении, для упрощения представленном в виде апертуры, состоящей из 7 пучков, синтезированная апертура состоит из коллиматоров 5, оптические оси которых параллельны друг другу, и расположенных равномерно вдоль периметра окружности. Коллиматор, расположенный в центре окружности не используется. Поляризации пучков заранее выставлены в соответствии с принципами формирования цилиндрических векторных пучков. А именно, радиально (фиг.5 а) или азимутально (фиг. 5б) относительно центра синтезированной апертуры для формирования пучка, обладающего спин-орбитальным угловым моментом величиной m = 1. Для формирования пучка с m = 2 (фиг. 5в) синтезированная апертура делится на две части (например, по 3 субпучка) и в каждой из этих частей поляризации субпучков ориентированы азимутально. Для поддержания такого состояния в течение продолжительного времени необходимо скомпенсировать временные флуктуации нестационарной фазы (см. уравнение 1). С этой целью во второй канал распространения излучения устанавливается фазоформирующий элемент – полуволновой вихревой ретардер, поворачивющий вектора поляризации таким образом, что они становятся однонаправленными для всех субпучков после прохождения фазоформирующего элемента. На фиг. 5 на примере 6 субпучков представлен процесс изменения направления векторов поляризации после прохождения через полуволновой вихревой ретардер. В левом ряду показано заданное направление векторов поляризации для формирования цилиндрического векторного пучка с m = 1 и m = 2. В среднем ряду показаны соответствующие направления ориентации быстрой оси полуволнового вихревого ретардера и в правом ряду результирующая ориентация векторов поляризации после прохождения полуволнового вихревого ретардера. В результате все субпучки приходят в плоскость приемной площадки фотоприемника 12 в состоянии с однонаправленной поляризацией и равной фазой, при условии, что нестационарная фаза будет скомпенсирована в результате управления фазовыми модуляторами контроллером фазы 14, работающим на основе алгоритма поиска глобального максимума.

В устройстве, изображенном на фиг.6 в качестве фазоформирующего элемента 10 используется заранее рассчитанный и изготовленный дифракционный оптический элемент.

В устройстве, изображенном на фиг.7 в качестве фазоформирующего элемента 10 используется управляемое деформируемое зеркало. Деформируемое зеркало в отличие от компьютерно-синтезированных голограмм, спиральных фазовых пластинок, полуволновых вихревых ретардеров и дифракционных оптических элементов не является статическим элементом, рассчитанным и изготовленным для формирования одного конкретного распределения фазы, и позволяет воспроизводить различные, заранее рассчитанные распределения, записанные на компьютере 15.

В устройстве, изображенном на фиг.8 в качестве фазоформирующего элемента 10 используется управляемый жидкокристаллический пространственный модулятор света, который позволяет воспроизводить различные, заранее рассчитанные распределения фазы, записанные на компьютере 15.

На фиг.9 представлены результаты формирования прямоугольного плосковершинного распределения интенсивности для решетки субапертур N_sub = 19 путем амплитудного и фазового управления с использованием управляемого деформируемого зеркала или жидкокристаллического пространственного модулятора света.

Изобретение относится к лазерной технике и волоконной оптике и может быть использовано для создания систем передачи световой энергии через свободное пространство. Технический результат заключается в формировании оптического пучка заданного распределения интенсивности с помощью управления фазой и амплитудой отдельных пучков. Устройство содержит когерентный источник линейно поляризованного излучения, который делится делителем излучения на N каналов равной мощности. Каждый канал связан последовательно с оптическим фазосдвигающим элементом, регулирующим фазу оптической волны и далее с усилителем мощности, и имеет на выходе коллиматор. Все N каналов располагаются в узлах решетки, имеющей центр симметрии, и настраиваются так, чтобы оптические оси выходящих пучков были параллельны друг другу, формируя пучок, часть излучения которого отклоняется с помощью светоделительной пластины для обеспечения сигнала обратной связи. Цепь обратной связи содержит фазоформирующий элемент, после прохождения которого или отражения от которого каждый пучок приобретает дополнительный фазовый сдвиг, равный заданному значению фазы пучка с противоположным знаком, и фокусирующую линзу, собирающую все пучки в фокальной плоскости, где расположен фотодетектор, поле зрения которого ограничено малой диафрагмой и сигнал которого поступает на контроллер, работающий в соответствии с алгоритмом поиска глобального максимума/минимума и управляющий фазосдвигающими элементами так, чтобы значение величины фазы каждого канала соответствовало заданному. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ формирования лазерного пучка с произвольно заданным распределением интенсивности в дальнем оптическом поле включает получение фазированной решетки N коллимированных параллельных друг другу гауссовых пучков, расположенных равномерно вдоль геометрических фигур, обладающих общим центром симметрии, путем управления N фазосдвигающими элементами, каждый из которых управляет фазой соответствующего пучка в решетке и включен в цепь обратной связи, работающей в соответствии с алгоритмом поиска глобального максимума/минимума, отличающийся тем, что каждому пучку задается вычисленное заранее в соответствии с заданным распределением интенсивности значение амплитуды путем управления N усилителями мощности, каждый из которых усиливает мощность соответствующего пучка в решетке, а управление значением сдвига фазы каждого пучка осуществляется с помощью единого, рассчитанного заранее в соответствии с заданным распределением интенсивности, фазоформирующего элемента, включенного в цепь обратной связи, таким образом, что каждому отдельному пучку в решетке соответствует отдельная область фазоформирующего элемента, задающая сдвиг фазы на величину, равную величине заданной фазы для данного пучка в выходной плоскости решетки, но с противоположным знаком.

2. Способ формирования по п.1, отличающийся тем, что для получения распределения интенсивности в дальнем поле, соответствующего скалярному вихревому пучку и имеющему центральный «ноль», поляризация каждого пучка в решетке ориентируется однонаправленно, в цепи обратной связи устанавливается спиральная фазовая пластинка, в которой направление возрастания фазы противоположно направлению возрастания фазы в синтезированном пучке, а суммарный набег фазы составляет 2πl, где l = ±1, ±2,… целое число, определяющее значение орбитального углового момента.

3. Способ формирования по п.1, отличающийся тем, что для получения распределения интенсивности в дальнем поле, соответствующего векторному вихревому пучку и имеющему центральный «ноль», поляризация каждого пучка N ≥ 3 в решетке (для m=1) ориентируется радиально или азимутально относительно центра симметрии решетки, описанной вокруг центра симметрии решетки, или азимутально в каждой из двух половин решетки N ≥ 6 (для m=2), где m – значение спин-орбитального углового момента, а в цепи обратной связи устанавливается полуволновой вихревой ретардер, после прохождения через который поляризация всех пучков становится однонаправленной.

4. Устройство формирования лазерного пучка с произвольно заданным распределением интенсивности в дальнем оптическом поле включает когерентный источник линейно поляризованного излучения, делитель излучения на N каналов равной мощности, каждый из которых связан последовательно с оптическим фазосдвигающим элементом, регулирующим фазу оптической волны, и далее с усилителем мощности и имеет на выходе коллиматор, все N каналов располагаются в узлах решетки, имеющей центр симметрии, и настраиваются так, чтобы оптические оси выходящих пучков были параллельны друг другу, и формируют синтезированный пучок, часть излучения которого отклоняется с помощью светоделительной пластины для обеспечения сигнала обратной связи, отличающееся тем, что цепь обратной связи содержит фазоформирующий элемент, после прохождения которого или отражения от которого каждый пучок приобретает дополнительный фазовый сдвиг, равный заданному значению фазы пучка с противоположным знаком, и фокусирующую линзу, собирающую все пучки в фокальной плоскости, где расположен фотодетектор, поле зрения которого ограничено малой диафрагмой и сигнал которого поступает на контроллер, работающий в соответствии с алгоритмом поиска глобального максимума/минимума и управляющий фазосдвигающими элементами так, чтобы значение величины фазы каждого канала соответствовало заданному.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, поляризации всех пучков настраиваются однонаправленно, а в качестве фазоформирующего элемента используется заранее рассчитанная компьютерно-синтезированная голограмма.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что поляризации всех пучков настраиваются однонаправленно, а в качестве фазоформирующего элемента используется спиральная фазовая пластинка.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что поляризации всех пучков настраиваются однонаправленно, а в качестве фазоформирующего элемента используется заранее рассчитанный дифракционный оптический элемент.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что поляризации всех пучков настраиваются однонаправленно, а в качестве фазоформирующего элемента используется управляемое деформируемое зеркало.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что поляризации всех пучков настраиваются однонаправленно, а в качестве фазоформирующего элемента используется управляемый жидкокристаллический пространственный модулятор света.

10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что поляризация каждого пучка N ≥ 3 в решетке (для m=1) ориентируется радиально или азимутально относительно центра симметрии решетки, описанной вокруг центра симметрии решетки, или азимутально в каждой из двух половин решетки N ≥ 6 (для m=2), где m – значение спин-орбитального углового момента, а в цепи обратной связи устанавливается полуволновой вихревой ретардер.