Способ амплитудного, фазового и поляризационного контроля в фазированной решетке волоконных усилителей и управления распределенным состоянием интенсивности, волнового фронта и поляризации синтезированного пучка в дальнем оптическом поле и устройство его реализации Российский патент 2023 года по МПК G02B27/10 

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, беспроводной оптической связи и криптографии, лазерной обработки материалов. Изобретение может найти применение в различных областях техники, где требуются лазерные пучки с неоднородными распределениями интенсивности, волнового фронта и поляризации и управление этими распределениями.

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

Системы оптических фазированных решеток, как правило, используются для когерентного суммирования лазерных пучков с однонаправленной поляризацией 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.

В ряде патентов для достижения софазной однонаправленной поляризации в решетке неполяризованных усилителей используются принципы непрерывного контроля состояния поляризации в цепи обратной связи, использующей наряду с фазирующими элементами для приведения всех каналов излучения в софазное состояние, контроллеры поляризации, регулирующие текущее состояние поляризации в отдельных каналах решетки с целью приведения всех каналов излучения в состояние с однонаправленной поляризацией (US6317257 B1, US8922771 B2, US8922772 B2, WO2015023335). В этих патентах обязательным является наличие опорного линейно поляризованного пучка, задающего направление поляризации, общее для всех пучков решетки и отсутствует возможность управления поляризационным состоянием синтезированного пучка.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент РФ №2716887 «Способ формирования лазерного пучка с произвольно заданным распределением интенсивности в дальнем оптическом поле и устройство его реализации». В данном патенте предлагается метод и устройство для формирования в дальнем оптическом поле пучка, синтезированного решеткой волоконных усилителей с управляемым распределением интенсивности путем управления фазой и амплитудой каждого отдельного пучка (субпучка) в решетке. Недостатком данного способа является требование, чтобы все субпучки в исходном состоянии обладали однонаправленной линейной поляризацией, что не позволяет формировать пучки с управляемой поляризационной структурой.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение состоит в создании способа амплитудного, фазового и поляризационного контроля в фазированной решетке волоконных усилителей и управления распределенным состоянием интенсивности, волнового фронта и поляризации синтезированного пучка в дальнем оптическом поле и устройства его реализации.

Технический результат заключается в формировании синтезированного пучка с управляемой структурой интенсивности, волнового фронта и поляризации, путем независимого управления амплитудой, фазой и направлением линейной поляризации отдельных пучков в решетке волоконных усилителей.

Устройство содержит когерентный источник линейно поляризованного излучения, который делится делителем излучения на N каналов равной мощности. Каждый канал связан последовательно с оптическим фазосдвигающим элементом (модулятором фазы), регулирующим фазу оптической волны, контроллером поляризации, регулирующем состояние поляризации оптической волны, усилителем мощности с регулируемым усилением на основе активного волокна, не поддерживающего состояние поляризации, и имеет на выходе оптический коллиматор. Все N оптических коллиматоров располагаются в узлах решетки и настраиваются так, чтобы оптические оси выходящих пучков были параллельны друг другу, формируя решетку пучков (субпучков), малая часть излучения которых отводится с помощью светоделительной пластины для формирования каналов обратной связи, а оставшаяся часть излучения распространяется в заданном направлении, формируя синтезированный пучок в дальнем оптическом поле, образующийся в результате дифракционного перекрытия и интерференции субпучков. Часть излучения, которая используется для формирования обратной связи, в свою очередь делится пополам с помощью второй светоделительной пластины, образуя два канала обратной связи.

Первый канал обратной связи содержит фазоформирующий элемент, после прохождения через который или отражения от которого каждый субпучок приобретает индивидуальный дополнительный фазовый сдвиг, такой величины, чтобы разность фаз между данным субпучком и любым другим субпучком решетки соответствовала заданной разности фаз, и фокусирующую линзу, собирающую все субпучки в фокальной плоскости, где расположен фотодетектор, поле зрения которого ограничено малой диафрагмой и сигнал которого поступает на N-канальный оптимизирующий процессор управления фазой, работающий в соответствии с алгоритмом поиска глобального максимума/минимума (стохастической оптимизации) и управляющий фазосдвигающими элементами так, что все субпучки в плоскости фотодетектора оказываются сфазированными, а разности фаз между субпучками в дальней зоне принимают требуемые значения противоположные, задаваемым на фазоформирующем элементе значениям дополнительного фазового сдвига, формируя распределение интенсивности и волновой фронт синтезированного пучка.

Второй канал обратной связи содержит управляемый N-канальный вращатель поляризации, в результате прохождения через который, каждый субпучок решетки поворачивает направление своей линейной поляризации на угол, равный заданному с противоположным знаком, линейный поляризатор, который определяет единственное, заданное для всех субпучков во втором канале обратной связи направление линейной поляризации и решетку фокусирующих линз, соответствующую решетке субпучков так, что каждый субпучок фокусируется в свою фокальную точку, где расположен фотоприемник, соответствующий данному субпучку. Мощность излучения, регистрируемая фотоприемником, достигнет своего максимально возможного значения, когда направление линейной поляризации субпучка, прошедшего через вращатель поляризации совпадет с направлением оптической оси линейного поляризатора. Сигналы фотоприемников поступают на N-канальный оптимизирующий процессор поляризации, в котором каждому субпучку соответствует свой канал оптимизирующего процессора, работающий в соответствии с принципом стохастической оптимизации и генерирующий управляющие напряжения для соответствующего контроллера поляризации, который формирует состояние оптической поляризации субпучка, соответствующее максимально возможному уровню сигнала фотоприемника. При этом каждый субпучок решетки приобретает свое требуемое направление линейной поляризации.

Управление амплитудой субпучков осуществляется усилителями мощности с регулируемым усилением, которые расположены после модуляторов фазы и контроллеров поляризации.

Таким образом, осуществляется независимое управление фазой, направлением линейной поляризации и амплитудой субпучков решетки, совместное действие которых приводит к формированию в дальнем оптическом поле синтезированного пучка с заданным неоднородным распределением интенсивности, волнового фронта и поляризации в поперечном сечении.

В отличие от прототипа:

- между фазосдвигающим элементом (фазовым модулятором) и волоконным усилителем в каждом канале размещается контроллер поляризации, который приводит случайную поляризацию субпучка на выходе из волоконного усилителя в управляемое состояние линейной поляризации;

- волоконные усилители содержат активное волокно, не поддерживающее состояние поляризации;

- часть излучения, которая используется для формирования обратной связи делится пополам с помощью второй светоделительной пластины, образуя второй канал обратной связи, где размещен N-канальный управляемый вращатель поляризации, который поворачивает направление поляризации каждого субпучка независимо от других субпучков на угол, равный требуемому, с противоположным знаком;

- все субпучки после вращателя поляризации падают на линейный поляризатор, который определяет единственное, заданное для всех субпучков во втором канале обратной связи направление линейной поляризации и решетку из N фокусирующих линз, соответствующую решетке субпучков так, что каждый субпучок фокусируется на фотоприемник, соответствующий данному субпучку.

В результате внесенных отличий мощность излучения, регистрируемая отдельным фотоприемником, достигнет своего максимально возможного значения, когда направление линейной поляризации субпучка, прошедшего через вращатель поляризации совпадет с направлением оси линейного поляризатора. Сигналы фотоприемников поступают на N-канальный оптимизирующий процессор поляризации, в котором каждому субпучку соответствует свой канал оптимизирующего процессора, работающий в соответствии с принципом стохастической оптимизации и генерирующий управляющие напряжения для соответствующего контроллера поляризации, который формирует состояние оптической поляризации субпучка, соответствующее максимально возможному уровню сигнала фотоприемника. При этом каждый субпучок решетки приобретает требуемое направление линейной поляризации.

Относительные амплитуды (значения мощности) каждого субпучка задается в соответствии с требуемыми значениями путем регулировки мощности соответствующих волоконных усилителей.

Таким образом, осуществляется независимое управление разностью фаз, направлением линейной поляризации и амплитудой субпучков решетки, совместное действие которых в результате дифракционного перекрытия и интерференции пучков приводит к формированию в дальнем оптическом поле синтезированного пучка с требуемым неоднородным распределением интенсивности, волнового фронта и поляризации в поперечном сечении.

Следует отметить, что в результате управления фазой и поляризацией в соответствие с алгоритмом стохастической оптимизации, все флуктуации фазы, вызванные тепловыми, механическими и акустическими флуктуациями показателя преломления будут синхронизированы во времени, а все изменения поляризации, вызванные тепловыми, механическими и акустическими флуктуациями двулучепреломления, свойственные волоконным системам будут скомпенсированы, как это происходит в системах когерентного сложения пучков неполяризованных усилителей и системах непрерывного поляризационного контроля.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в получении оптического пучка с управляемым распределением интенсивности, волнового фронта и поляризации в дальнем оптическом поле посредством формирования синтезированного пучка, образующегося в результате дифракционного перекрытия и интерференции N гауссовых пучков, образующих решетку пучков (субпучков), путем управления амплитудой субпучков, разностью фаз между субпучками и направлением линейной поляризации субпучков.

Преимуществом заявляемого способа является то, что в отличие от известных способов, формирующих синтезированные пучки с однонаправленной поляризацией, предлагаемый способ позволяет формировать пучки с управляемым распределением поляризации в поперечном сечении пучка.

Новым для способа является:

- управление направлением линейной поляризации отдельных субпучков, составляющих синтезированную апертуру, в результате размещения в цепи обратной связи N-канального управляемого вращателя поляризации, в результате работы которого, направление поляризации в каждом канале становится соответствующим требуемому направлению поляризации;

- формирование синтезированного пучка с управляемыми распределениями интенсивности, волнового фронта и поляризации в поперечном сечении пучка в дальнем оптическом поле в результате совместного действия независимо управляемых амплитуды, разности фаз между субпучками и направления линейной поляризации субпучков решетки.

Одним из вариантов заявляемого способа является способ управления углом направления однородной линейной поляризации синтезированного пучка, сформированного решеткой пучков с однонаправленной поляризацией.

Новым для устройства является:

- наличие второго канала обратной связи;

- наличие N-канального управляемого вращателя поляризации, расположенного в цепи обратной связи, использующей малую долю мощности, генерируемой синтезированной апертурой, что позволяет масштабировать мощность генерируемого лазерного пучка.

В одном из вариантов заявляемого устройства в качестве N-канального управляемого вращателя поляризации используется система, состоящая из двух четверть волновых пластин, главные оси которых ортогональны друг другу и расположенного между ними фазового пространственного модулятора света, работающего на пропускание, ориентированного под углом 45 градусов относительно главных осей четверть волновых пластин, и действие которого организовано таким образом, что каждому субпучку в решетке соответствует своя область пикселей на дисплее пространственного модулятора света.

В одном из вариантов заявляемого устройства вместо пространственного модулятора света установлен секционированный или наборный жидкокристаллический замедлитель (ретардер).

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

Описание работы устройства приведено на примере синтезированной апертуры, состоящей из гексагональной решетки близко расположенных друг к другу 6 субапертур (волоконных коллиматоров), однако предложенный метод не имеет принципиальных ограничений на число субапертур, которое может быть ограничено только техническими возможностями. Примеры синтезированных апертур, состоящих из 6-ти (а), 7-ми (б), 19-ти (в), 37-ми (г) субапертур представлены на фиг.1. Примеры возможных распределений направлений линейной поляризации для числа субапертур N=6 представлены на фиг.2: а) однонаправленная линейная поляризация; б) однонаправленная линейная поляризация, повернутая на 45°; в) радиальное распределение; г) азимутальное распределение; д) радиальное распределение с поворотом направлений на 20°; е) азимутальное распределение с поворотом направлений на 20°; ж) гибридное радиально-азимутальное распределение; з) гибридное азимутально-радиальное распределение.

Осуществление изобретения

Принцип работы способа и устройства заключается в следующем:

Поле синтезированной апертуры можно представить следующим образом: В начальной плоскости на окружности радиуса R на равных расстояниях расположено N источников напряженности поля с определенным направлением линейно поляризации, как это показано на фиг. 3. Это соответствует решетке, представляющей собой набор субапертур (субпучков) волоконных лазеров, излучающих гауссовы пучки с радиусом a.

Центры субапертур разделены между собой углом

относительно центра синтезированной апертуры, где N - число апертур, j - номер субапертуры. Пучки имеют различную линейную поляризацию, которая определяется единичным вектором

где α_j - угол наклона вектора поляризации относительно оси OX. Вектор положения субапертуры определяется выражением

где x₀, y₀ - базисные вектора системы координат. Координата произвольной точки относительно центра субапертуры связана с координатой относительно общего центра O соотношением

Полагаем, что все пучки распространяются через общую фокусирующую линзу с центром в точке O и фокусным расстоянием F. Для определения суммарного поля воспользуемся известным решением для распространения фокусированного гауссова пучка вдоль оси OZ:

Для пучка, центр которого сдвинут относительно центра, и распространяется под углом к оси OZ, данное решение в системе координат, связанной с центром пучка, принимает вид:

где k - волновое число, A_0j - начальная амплитуда поля, z - дистанция распространения,

Тогда для суммарного (векторного) поля можно записать выражение:

В фокальной плоскости (z=F) выполняется условие ρ_j(z = F) = ρ, и выражение (8) принимает вид:

где $$a_{0j}=A_{0j}/A$$, φ_j - значение начальной фазы в канале j-того субпучка.

Выражение (9) позволяет, используя методы численного моделирования определить необходимый набор параметров $$a_{0j}$$, φ_j , $$r_j$$ для достижения требуемых характеристик поля синтезированного пучка в фокальной плоскости.

Относительные амплитуды (значения пиковой мощности) субпучков $$a_{0j}$$ управляются изменением мощности накачки волоконных усилителей и могут быть выставлены в соответствие с требуемыми значениями с помощью контроллера амплитуды.

В волокне величина фазы электромагнитной волны случайным образом изменяется во времени в результате неконтролируемых флуктуаций показателя преломления волокна, вызванных акустическими и тепловыми колебаниями. Кроме того использование усилителей мощности с регулируемым усилением на основе активного волокна, не поддерживающего состояние поляризации, вызывает флуктуации направления поляризации излучения в канале. Для компенсации этих флуктуаций малую часть генерируемой системой мощности отделим от общего потока светоделительной пластиной в соотношении 99:1 для обеспечения обратной связи. Таким образом, поток излучения в дальнем оптическом поле (в фокусе линзы) будет содержать практически всю генерируемую мощность. В свою очередь, эту малую часть излучения поделим пополам с помощью второй светоделительной пластины и сформируем два независимых канала обратной связи.

В первый канал обратной связи, служащий для управления фазой субпучков φ_j введем фазформирующий элемент в виде отражающего жидкокристаллического пространственного модулятора света (SLM) или цифрового микрозеркального устройства (DMD). Учтем, что данный элемент является исключительно фазовым, соответственно не влияет на интенсивность излучения, и позволяет независимо вносить индивидуальные фазовые сдвиги в каждый субпучок. Внесем требуемые сдвиги фазы с противоположным знаком в каждый субпучок. После SLM или DMD соберем все субпучки в фокальной плоскости линзы, где поместим малую диафрагму (pinhole), ограничивающую поле зрения установленного за диафрагмой фотоприемника. Мощность излучения, регистрируемая фотоприемником, приемная площадка которого ограничена малой диафрагмой, служит управляющим сигналом (метрикой) алгоритма стохастической оптимизации, на основании которого работает N-канальный оптимизирующий процессор фазы, генерирующий напряжения для управления величиной фазовой задержки, вносимой фазовыми модуляторами для каждого субпучка решетки. В связи с тем, что фазовый модулятор вносит фазовый сдвиг одной величины в обе компоненты поля, а SLM способен вносить фазовый сдвиг лишь в одну компоненту поля, направленную вдоль длинной стороны дисплея SLM, при этом ортогональная компонента поля отражается от SLM без фазового сдвига, во избежание неоднозначности, перед фотоприемником установим линейный поляризатор, блокирующий ортогональную компоненту поля.

При достижении максимального значения мощности на детекторе разность фаз между субпучками, вносимая SLM (заданная разность фаз), равна разности фаз между субпучками решетки в плоскости зрачка системы, соответственно равна разности фаз между субпучками в дальнем оптическом поле (требуемая разность фаз) и определяет распределение поля синтезированного пучка, которое может быть рассчитано на основании выражения (3).

Таким образом, задание соответствующих фазовых сдвигов с помощью фазоформирующего элемента в первом канале обратной связи позволяет получать требуемые (заранее определенные), управляемые соотношения между фазами субпучков в плоскости субапертуры при требуемых значениях направлений линейной поляризации субпучков и, соответственно управлять видом распределения интенсивности, волнового фронта и поляризации синтезированного пучка в дальнем оптическом поле. В частности, в случае однонаправленной поляризации исходных субпучков можно формировать пучки, обладающие фазовой сингулярностью (областью на оси пучка, в которой значение фазы не определено), так называемые скалярные вихревые пучки (см. фиг. 8, фиг. 9). Отметим, что принципы работы фазовых модуляторов, основанных на изменении показателя преломления в кристалле или длины оптического волокна под действием приложенного напряжения хорошо известны специалистам. Данные устройства представлены на рынке, в частности можно отметить продукцию компании EoSpace (www.eospace.com).

Работа первого канала обратной связи, который управляет распределением фаз в каналах, рассмотрена выше в предположении, что каждый субпучок решетки характеризуется своим требуемым наклоном линейной поляризации. Однако усиливающей средой волоконных усилителей, используемых в нашей схеме, является активное волокно, не сохраняющее состояние заданной линейной поляризации, и состояние поляризации каждого субпучка решетки характеризуется своим случайно изменяющимся во времени направлением линейной поляризации. Для управления состоянием поляризации светового пучка широко используются контроллеры поляризации, принцип действия которых основан на изменении двулучепреломления в оптической системе, эквивалентной набору вращающихся волновых пластин и хорошо известен специалистам (F.Heismann and M.S.Whalen, “Fast automatic polarization control system”, IEEE Photonics Technnology Lett., vol.4, No.5, 503-505 (1992); R.Noé, H.Heidrich, and D.Hoffman, “Endless polarization control systems for coherent optics”, IEEE J. Lightwave Techn. Vol.6, No.7, 1199-1207 (1988)). Контроллер поляризации располагается в замкнутом контуре обратной связи на входе в волоконный усилитель, не поддерживающий фиксированное состояние поляризации, и под действием управляющих напряжений, генерируемых специальным оптимизирующим процессором, на основе метрики, которой служит сигнал фотоприемника, регистрирующего световую мощность в требуемом направлении линейной поляризации на выходе из усилителя, изменяет состояние поляризации светового пучка на входе в усилитель так, чтобы получить максимально возможную величину этой мощности и, таким образом, достигнуть требуемого состояния поляризации на выходе из усилителя. Для управления контроллерами поляризации разработаны соответствующие алгоритмы оптимизации, подробно описанные в литературе и хорошо известные специалистам в данной области (L.Xi, X.Zyang, F.Tian, X.Tang, X.Weng, G.Zhang, X.Li, and Q.Xiong, “Optimizing the operation of LiNbO₃-based multistage polarization controllers through an adaptive algorithm” IEEE Photonics J., vol.2, No.2, 195-202 (2010); R.Su, Y.Liu, B.Yang, P.Ma, X.Wang, P.Zhou, and X.Xu, “Active polarization control of a 1.43 kW narrow linewidth fiber amplifier based on SPGD algorithm”, J.Opt., vol.19, 045802 (2017)).

Для того, чтобы получить требуемое распределение наклонов линейной поляризации субпучков r_j в решетке во второй канал обратной связи установим последовательно N-канальный вращатель поляризации, осуществляющий поворот направления линейной поляризации каждого субпучка на свой заданный угол относительно оси OX, линейный поляризатор с осью в направлении OX и матрицу из N фокусирующих линз, с помощью которой каждый субучок собирается в плоскости своей малой диафрагмы, ограничивающей поле зрения соответствующего фотоприемника.

Принцип работы вращателя поляризации известен, и заключается в следующем:

Рассмотрим оптическую систему, на которую поступает излучение от решетки N коллимированных параллельных пучков линейно поляризованного излучения, каждый из которых имеет индивидуальное направление линейной поляризации. Нам необходимо повернуть направление поляризации каждого пучка так, чтобы на выходе из системы все пучки обладали заданным направлением линейной поляризацией. Известна схема оптического вращателя (Chun Ye “Construction of an optical rotator using quarter-wave plates and an optical retarder”, Opt.Engineering, 34(10), 3031-3035 (1995)), состоящая из двух скрещенных четвертьволновых пластин, между которыми расположен оптический замедлитель (ретардер) или модулятор с переменным коэффициентом замедления. Указанный модулятор обладает регулируемым двулучепреломлением и его замедление составляет Δφ = (2π/λ)(n₀ - n_e)d, где n₀ - показатель преломления обыкновенной волны, n_e - показатель преломления необыкновенной волны, d - толщина замедлителя, λ - длина волны. Если быстрая ось первой четвертьволновой пластины направлена вдоль оси x, ось второй четвертьволновой пластины расположена перпендикулярно, т.е. вдоль оси y, а ось модулятора находится под углом 45° к ней и направление линейной поляризации падающего пучка совпадает с направлением быстрой оси первой пластины (см. фиг.6 (а, б)), то матрица Джонса такой системы может быть представлена в виде:

где - матрица Джонса четвертьволновой пластины, быстрая ось которой перпендикулярна оси x, - матрица Джонса четвертьволновой пластины, быстрая ось которой направлена вдоль оси x и средняя матрица описывает процедуру вращения главной оси поляризационного эллипса на угол ψ = Δφ/2.

Для линейно поляризованного пучка вектор Джонса можно записать следующим образом

где α - угол наклона линейной поляризации относительно оси OX.

Если направление линейной поляризации падающего пучка составляет угол α с направлением быстрой оси первой четвертьволновой пластины, то вектор Джонса пучка на выходе из системы (10) соответствует следующему выражению:

Выражение (13) описывает процедуру вращения направления линейной поляризации падающего пучка на угол Δα = Δϕ/2.

В работе (Chun Ye “Construction of an optical rotator using quarter-wave plates and an optical retarder”, Opt.Engineering, 34(10), 3031-3035 (1995)),) в качестве замедлителя использовался коммерческий одноканальный жидкокристаллический ротатор с замедлением, управляемым величиной приложенного напряжения от 0 до 10 вольт (2 кГц) (Meadowlark Optics, www.meadowlark.com). При необходимости параллельного управления множеством каналов излучения, необходимо скомпоновать решетку таких ротаторов (см. фиг.5б), тщательно откалибровать ротаторы, оптически согласовать решетку ротаторов с решеткой пучков, так чтобы каждому пучку соответствовал свой ротатор и синхронизовать во времени действие этих ротаторов.

В качестве ротатора могут быть также использован жидкокристаллический пространственный модулятор света, работающий на пропускание (см. фиг.5а), содержащий параллельно выровненные нематические кристаллы (Jeffrey A. Davis, Dylan E. McNamara, Don M. Cottrell, and Tomio Sonehara “Two-dimensional polarization encoding with a phase-only liquid-crystal spatial light modulator”, Appl. Opt. vol.39 (10), 1549 - 1554 (2000)). Такие пространственные модуляторы света доступны на рынке и производятся рядом компаний (например, Meadowlark Optics, www.meadowlark.com, HOLOEYE Photonics Ag, www.holoeye.com и др.). В отличие от одноканальных ротаторов, пространственные модуляторы света состоят из множества независимо управляемых ячеек двулучепреломляющих жидких кристаллов, что позволяет одновременно управлять направлением линейной поляризации множества световых пучков. Время отклика ротаторов и пространственных модуляторов света ограничено электрооптическим откликом нематических кристаллических материалов и составляет в среднем 10 мс, что вполне достаточно для широкого круга приложений. Когда в цепи обратной связи присутствует многоканальный вращатель поляризации, каждый j-тый субпучок, в соответствие с (14), поворачивает свое текущее направление линейной поляризации в плоскости фотоприемника на заданный угол ψ_j.

Максимальное значение мощности излучения, регистрируемой фотоприемником на оси в плоскости j-того субпучка наблюдается, когда направление поляризации субпучка совпадает с осью поляризатора. Выполнение этого условия достигается в результате работы одного из алгоритмов стохастической оптимизации хорошо известных специалистам в данной области и лежащего в основе N-канального оптимизирующего процессора поляризации, управляющего контроллерами поляризации. В частности, может быть использован алгоритм стохастического параллельного градиентного спуска SPGD (M. A. Vorontsov, G. W. Carhart, M. Cohen, and G. Cauwenberghs, “Adaptive optics based on analog parallel stochastic optimization: analysis and experimental demonstration,” J. Opt. Soc. Am. A 17(8), 1440-1453 (2000)). Принцип работы электрически управляемых контроллеров поляризации, основанных на изменении двулучепреломления в оптической системе, эквивалентной набору волновых пластин, также хорошо известен специалистам. Данные устройства представлены на рынке, в частности можно отметить продукцию компаний EoSpace (www.eospace.com), General Photonics (www.generalphotonics.com) и др. В результате работы цепи обратной связи на основе алгоритма стохастической оптимизации текущие случайные изменения состояния оптической поляризации в каналах компенсируются работой контроллеров поляризации, которые поддерживают направление поляризации, совпадающее с осью поляризатора.

Таким образом, управляемое изменение заданных замедлений в многоканальном вращателе поляризации приводит к управляемому изменению состояния поляризации пучка, синтезированного в дальне оптическом поле.

Кроме формирования синтезированных пучков с требуемым распределением поляризации, предложенный метод позволяет поворачивать требуемое распределение поляризации вокруг оси распространения пучка на заданный угол. Для этого в каждом канале оптического вращателя нужно к замедлениям, соответствующим заданному распределению поляризации добавить замедление одинаковой величины Δψ_j = Δψ_s, тогда вся картина распределения поляризации, определенная величиной β_j в каждом канале, повернется как целое на угол Δψ_j. Знак добавки Δψ_j при этом определит направление поворота. Отдельно следует отметить возможность управления углом направления однородной линейной поляризации синтезированного пучка, сформированного решеткой пучков с однонаправленной поляризацией. Для этого в каждом канале оптического вращателя нужно ввести замедления равной величины ψ_j = ψ_s, тогда, согласно условию (10) разность фаз между субпучками станет равной нулю, а угол наклона линейной поляризации каждого субпучка станет равным ψ, что соответствует когерентному сложению пучков с однонаправленной поляризацией, угол направления которой равен ψ в выбранной системе координат.

В результате совместное действие двух контуров обратной связи позволяет установить требуемые значения разностей фаз между субпучками и требуемое распределение направлений линейной поляризации субпучков, что в совокупности с требуемыми значениями амплитуд субпучков, приводит к формированию в дальнем оптическом поле синтезированного пучка с требуемым распределением амплитуды, волнового фронта и поляризации в своем поперечном сечении. В частности данный способ позволяет формировать пучки, обладающие поляризационной сингулярностью на оси (областью, где азимут поляризации не определен), так называемые цилиндрические векторные пучки (см. фиг. 10-14, 16,17). Следует отметить, что на основании теоремы Котельникова такая двухконтурная система обратной связи может эффективно работать при условии, что постоянная времени регулирования одного из контуров обратной связи, по крайней мере, в два раза меньше постоянной времени регулирования второго контура обратной связи, что легко выполняется путем выбора соответствующих частот дискретизации управления оптимизирующих процессоров. На фиг. 6 - фиг. 16 представлены примеры распределений интенсивности и поляризации синтезированных пучков в дальнем оптическом поле (справа) и соответствующие им распределения углов наклонов линейной поляризации (в скобках) и фазовых сдвигов субпучков (слева). Распределение интенсивности показано в градациях серого цвета, а распределение поляризации показано отрезками линий на участках линейной поляризации и эллиптическими кривыми на участках эллиптической поляризации с соответствующими наклонами азимутов поляризации.

Устройство фиг. 5 включает в себя когерентный источник линейно-поляризованного излучения 1 с волоконным выходом и волоконный делитель излучения на N каналов 2, связанных каждый с одним из N волоконно-интегрированных оптических фазовых модуляторов 3, регулирующих фазу оптической волны в пределах ±2mπ (где m - число более 1). Излучение с выхода каждого фазового модулятора поступает на контроллер поляризации 4, который управляет состоянием оптической поляризации соответствующего пучка. Далее каждый из N каналов усиливается соответствующим волоконным усилителем 5, содержащем неполяризованное активное волокно и имеющем на выходе линзовый коллиматор 7, формирующий коллимированный (параллельный) пучок лучей (субпучок). Величина мощности каждого усилителя 5 задается контроллером амплитуды 6. Все N коллиматоров позиционируются таким образом, чтобы на выходе образовать синтезированную апертуру (композитный пучок), представляющую собой решетку близко расположенных субапертур. Все субпучки в результате дифракции перекрываются и интерферируют между собой на мишени 9, расположенной в дальнем оптическом поле, формируя синтезированный пучок, характеризуемый случайными распределениями интенсивности и состояния поляризации. Случайный характер распределения интенсивности возникает в результате неконтролируемых флуктуаций фаз субпучков, вследствие изменения длин оптических путей в волокне под действием внешних факторов. В свою очередь характер распределенного состояния поляризации связан различными состояниями оптической поляризации субпучков, изменяющимися во времени, вследствие неконтролируемого распределения двулучепреломления в волокне, тепловых флуктуаций двулучепреломления, связанных с генерацией излучения, акустических колебаний и механических напряжений в волокне. С целью синхронизации фаз в каналах и стабилизации состояния оптической поляризации используются два контура обратной связи, для работы которых, малая доля мощности всего композитного (состоящего из набора субпучков) пучка до перекрытия субпучков отделяется от целого композитного пучка с помощью первой светоделительной пластины 8. 2-х линзовый телескоп 10 преобразует размеры композитного пучка для согласования с другими частями устройства. Отраженное от светоделительной пластины 8 излучение используется для формирования первого канала обратной связи, обеспечивающего синхронизацию фаз субпучков, и установления требуемой разности фаз между субпучками. Для этого, отраженное от светоделительной пластины 8 излучение поступает на N-канальный фазоформирующий элемент 12 (SLM или DMD), вносящий независимые регулируемые сдвиги фазы в каждый субпучок решетки. После приобретения заданных фазовых сдвигов, излучение всех субпучков фокусируется с помощью линзы 13 в плоскость малой диафрагмы 14, где все пучки перекрываются и интерферируют между собой, образовывая максимумы и минимумы интерференции. Фотодетектор 15, установленный за малой диафрагмой 14, регистрирует мощность излучения в интерференционном максимуме и формирует сигнал обратной связи, который обрабатывается N-канальным оптимизирующим процессором 16, работающим в соответствие с алгоритмом стохастической оптимизации и генерирующим управляющие напряжения для фазовых модуляторов 3, которые вносят соответствующие сдвиги фазы в каждый субпучок, так что мощность излучения, регистрируемая фотодетектором достигает и поддерживает максимально возможное значение. Таким образом, обеспечивается синхронизация фаз и поддержание требуемой разности фаз между субпучками. Прошедшее через светоделительную пластину 11 излучение используется для формирования второго канала обратной связи, обеспечивающего формирование требуемых направлений линейной поляризации субпучков. Для этого излучение поступает на управляемый N-канальный вращатель поляризации 17, который в свою очередь, состоит из двух четвертьволновых пластин 18 и 20 с ортогональным расположением главных осей и расположенного между ними фазового модулятора 19, главная ось которого составляет 45 градусов с главными осями четвертьволновых пластин 18 и 20. N-канальный вращатель поляризации независимо поворачивает направление линейной поляризации каждого субпучка на угол, равный требуемому с противоположным знаком. Затем излучение всех субпучков проходит через линейный поляризатор 21 и решетку из фокусирующих линз 22, в которой каждому субпучку соответствует своя фокусирующая линза. В фокальной плоскости линзовой решетки 22 располагается соответствующая решетка оптических волокон 23, оптически сопряженная с решеткой фотоприемников 24, так что каждому субпучку соответствует свой фотоприемник, регистрирующий мощность поляризационной компоненты излучения субпучка, прошедшего через линейный поляризатор 21. Сигнал с фотоприемника 24 поступает на соответствующий канал N-канального оптимизирующего процессора поляризации 25, работающего на основе алгоритма стохастической оптимизации и генерирующего напряжения для управления соответствующим контроллером поляризации 4 так, чтобы величина регистрируемой мощности излучения достигла максимально возможной величины. В результате направление линейной поляризации падающего на фотоприемник 24 субпучка совпадет с направлением оси линейного поляризатора 21, а направление линейной поляризации соответствующего субпучка в плоскости синтезированной апертуры и в дальнем оптическом поле совпадет с требуемым направлением.

Требуемые значения относительных амплитуд субпучков, разностей фаз между субпучками и направлений линейной поляризации субпучков устанавливаются программно с помощью управляющего компьютера 26. В результате совместного действия управляемых амплитуд субпучков, разностей фаз между ними и соответствующего распределения направлений линейной поляризации вследствие дифракционного перекрытия и интерференции субпучков в дальнем оптическом поле образуется синтезированный пучок с требуемым распределением амплитуды, волнового фронта и поляризации в своем поперечном сечении.

На фиг. 1 представлены примеры синтезированных апертур, состоящих из N=6, N=7, N=19 и N=37 субапертур.

На фиг. 2 представлены примеры возможных распределений направлений линейной поляризации для числа субпучков N=6: а) однонаправленная линейная поляризация; б) однонаправленная линейная поляризация, повернутая на 45°; в) радиальное распределение; г) азимутальное распределение; д) радиальное распределение с поворотом направлений на 20°; е) азимутальное распределение с поворотом направлений на 20°; ж)

гибридное радиально-азимутальное распределение; з) гибридное азимутально-радиальное распределение.

На фиг. 3 изображено графическое представление поля синтезированной апертуры с использованием следующих обозначений: a - радиус гауссова пучка (субпучка); R - радиус окружности, на которой расположены центры субпучков; θ_j = 2π(j - 1)/N - угол между центрами субпучков относительно центра синтезированной апертуры; N - число субпучков; j - номер субпучка; r_j = (x₀cos(α_j)+y₀sin(α_j)) - единичный вектор линейной поляризации j- того субпучка; α_j - угол наклона вектора поляризации j- того субпучка относительно оси OX; s_j = R(x₀cos(θ_j)+y₀sin(θ_j)) - вектор положения центра субпучка на плоскости; x₀, y₀ - базисные вектора системы координат; ρ ₌ ρ_j - s_j - координата произвольной точки в плоскости синтезированной апертуры.

На фиг. 4 представлено распределение интенсивности в плоскости малой диафрагмы (14) (а) и его поперечное сечение (б) для N=6 при равномерном (азимутальном, радиальном и азимутальным и радиальным с дополнительным наклоном) распределением направлений линейной поляризации при использовании в качестве фазоформирующего элемента DMD (верхний ряд) и SLM (нижний ряд).

На фиг. 5 представлена схема устройства.

В устройстве, изображенном на фиг. 5 а) в качестве вращателя поляризации 9 используется система, состоящая из первой четвертьволновой пластины 10, фазового трансмиссионного пространственного модулятора света 11 и второй четвертьволновой пластины 12. Быстрые оси четвертьволновых пластин ортогональны друг другу, а направление ориентации жидких кристаллов в пространственном модуляторе света составляет с осями четвертьволновых пластин угол 45°.

В устройстве, изображенном на фиг. 5 б) в качестве вращателя поляризации 9 используется система, состоящая из первой четвертьволновой пластины 10, решетки одноканальных ротаторов 11 и второй четвертьволновой пластины 12. Быстрые оси четвертьволновых пластин ортогональны друг другу, а оси ротаторов составляют с осями четвертьволновых пластин угол 45°.

На фиг. 6 - фиг. 17 представлены примеры распределений интенсивности и поляризации синтезированных пучков в дальнем оптическом поле (справа) и соответствующие им распределения углов наклонов линейной поляризации (в скобках) и фазовых сдвигов субпучков (слева). Распределение интенсивности показано в градациях серого цвета, а распределение поляризации показано отрезками линий на участках линейной поляризации и эллиптическими кривыми на участках эллиптической поляризации с соответствующими наклонами азимутов поляризации.

Фиг. 6. Распределение интенсивности и поляризации в случае однонаправленной линейной поляризации субпучков.

Фиг. 7. Распределение интенсивности и поляризации в случае однонаправленной линейной поляризации субпучков с дополнительным наклоном π/4 и сдвигом фаз φ^T_j = [0, 0, 0, 0, 0, 0].

Фиг. 8. Распределение интенсивности и поляризации в случае однонаправленной линейной поляризации субпучков со сдвигом фаз φ^T_j =[0, π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3].

Фиг. 9. Распределение интенсивности и поляризации в случае однонаправленной линейной поляризации субпучков с дополнительным наклоном π/4 и сдвигом фаз φ^T_j =[0, π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3].

Фиг. 10. Распределение интенсивности и поляризации в случае радиального распределения наклонов линейной поляризации субпучков (величина наклона указана в скобках) и сдвигом фаз φ^T_j =[0, π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3].

Фиг. 11. Распределение интенсивности и поляризации в случае радиального распределения наклонов линейной поляризации субпучков с дополнительным наклоном (-π/4) (величина наклона указана в скобках) и сдвигом фаз φ^T_j =[0, π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3].

Фиг. 12. Распределение интенсивности и поляризации в случае азимутального распределения наклонов линейной поляризации субпучков (величина наклона указана в скобках) и сдвигом фаз φ^T_j =[0, π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3].

Фиг. 13. Распределение интенсивности и поляризации в случае азимутального распределения наклонов линейной поляризации субпучков с дополнительным наклоном (+π/4) (величина наклона указана в скобках) и сдвигом фаз φ^T_j =[0, π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3].

Фиг. 14. Распределение интенсивности и поляризации в случае азимутального распределения наклонов линейной поляризации субпучков с дополнительным наклоном (-π/4) (величина наклона указана в скобках) и сдвигом фаз φ^T_j =[0, π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3].

Фиг. 15. Распределение интенсивности и поляризации в случае гибридного радиально-азимутального распределения наклонов линейной поляризации субпучков (величина наклона указана в скобках) и сдвигом фаз φ^T_j =[0, 0, 0, 0, 0, 0].

Фиг. 16. Распределение интенсивности и поляризации в случае гибридного радиально-азимутального распределения наклонов линейной поляризации субпучков (величина наклона указана в скобках) и сдвигом фаз φ^T_j =[0, π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3].

Фиг. 17. Распределение интенсивности и поляризации в случае гибридного азимутально-радиального распределения наклонов линейной поляризации субпучков (величина наклона указана в скобках) и сдвигом фаз ϕ^T_j =[0, π/3, 2π/3, π, 4π/3, 5π/3].

Изобретение относится к лазерной технике и волоконной оптике и может быть использовано для создания систем передачи световой энергии через свободное пространство, беспроводной оптической связи и криптографии, лазерной обработки материалов. Устройство содержит когерентный источник линейно поляризованного излучения, который делится делителем излучения на N каналов равной мощности. Каждый канал связан последовательно с оптическим фазосдвигающим элементом (модулятором фазы), регулирующим фазу оптической волны, контроллером поляризации, регулирующим состояние поляризации оптической волны, усилителем мощности с регулируемым усилением на основе активного волокна, не поддерживающего состояние поляризации, и имеет на выходе оптический коллиматор. Все N оптических коллиматоров располагаются в узлах решетки и настраиваются так, чтобы оптические оси выходящих пучков были параллельны друг другу, формируя решетку пучков (субпучков), малая часть излучения которых отводится с помощью светоделительной пластины для формирования каналов обратной связи, а оставшаяся часть излучения распространяется в заданном направлении, формируя синтезированный пучок в дальнем оптическом поле, образующийся в результате дифракционного перекрытия и интерференции субпучков. Часть излучения, которая используется для формирования обратной связи, в свою очередь делится пополам с помощью второй светоделительной пластины, образуя два канала обратной связи. Управление амплитудой субпучков осуществляется усилителями мощности с регулируемым усилением, которые расположены после модуляторов фазы и контроллеров поляризации. Таким образом, осуществляется независимое управление фазой, направлением линейной поляризации и амплитудой субпучков решетки, совместное действие которых приводит к формированию в дальнем оптическом поле синтезированного пучка с заданным неоднородным распределением интенсивности, волнового фронта и поляризации в поперечном сечении. Технический результат - формирование синтезированного пучка с управляемой структурой интенсивности, волнового фронта и поляризации, путем независимого управления амплитудой, фазой и направлением линейной поляризации отдельных пучков в решетке волоконных усилителей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Способ амплитудного, фазового и поляризационного контроля в фазированной решетке волоконных усилителей и управления распределенным состоянием интенсивности, волнового фронта и поляризации синтезированного пучка в дальнем оптическом поле заключается в получении фазированной решетки N коллимированных гауссовых пучков путем управления N фазосдвигающими элементами, каждый из которых управляет фазой соответствующего пучка в решетке и включен в цепь обратной связи, работающую в соответствии с алгоритмом стохастической оптимизации, и использующую малую долю мощности излучения, при этом каждому пучку задается вычисленное заранее в соответствии с требуемым распределением поля значение относительной амплитуды путем управления N волоконными усилителями мощности, и вычисленное заранее в соответствии с требуемым распределением поля значение разности фаз между пучками, управление которой осуществляется с помощью единого фазоформирующего элемента, включенного в эту цепь обратной связи и устроенного таким образом, что каждому отдельному пучку в решетке соответствует отдельная область фазоформирующего элемента, задающая сдвиг фазы на величину, обеспечивающую требуемую разность фаз между пучками, отличающийся тем, что для управления направлением линейной поляризации каждого пучка между фазосдвигающим элементом и волоконным усилителем в каждом канале размещается контроллер поляризации, который управляет состоянием поляризации соответствующего пучка, волоконные усилители содержат активное волокно, не поддерживающее состояние поляризации, а часть излучения, которая используется для формирования обратной связи, в свою очередь делится пополам, образуя вторую цепь обратной связи, работающую в соответствии с алгоритмом стохастической оптимизации и приводящую случайную поляризацию пучков на выходе из волоконных усилителей в состояние линейной поляризации, при этом каждому пучку задается вычисленное заранее в соответствии с требуемым распределением поляризации направление наклона линейной поляризации, управление которым осуществляется с помощью N-канального вращателя поляризации, включенного в эту цепь обратной связи и устроенного так, что каждому отдельному пучку в решетке соответствует отдельный канал вращателя поляризации, осуществляющий поворот направления линейной поляризации каждого пучка, независимо друг от друга, на заданный угол, формируя решетку пучков с требуемым индивидуальным направлением линейной поляризации, при этом в дальнем оптическом поле в результате дифракционного перекрытия и интерференции пучков образуется синтезированный пучок.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования однонаправленной линейной поляризации синтезированного пучка, повернутой на заданный угол в заданной системе координат, каждый канал N-канального вращателя поляризации осуществляет поворот направления линейной поляризации соответствующего пучка на один и тот же заданный угол.

3. Устройство управления распределенным состоянием интенсивности, волнового фронта и поляризации синтезированного пучка 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 волоконным усилителем мощности, генерирующим мощность требуемой амплитуды, управляемую N-канальным контроллером амплитуды, и имеет на выходе коллиматор, все N каналов располагаются в узлах решетки, настраиваются так, чтобы оптические оси выходящих пучков были параллельны друг другу, и формируют синтезированный пучок, малая доля излучения которого отклоняется с помощью светоделительной пластины для обеспечения сигнала обратной связи, который содержит фазоформирующий элемент, после прохождения через который или отражения от которого каждый пучок приобретает дополнительный фазовый сдвиг, равный заданному, и фокусирующую линзу, собирающую все пучки в фокальной плоскости, где расположен фотодетектор, поле зрения которого ограничено малой диафрагмой, и сигнал которого поступает на N-канальный оптимизирующий процессор, работающий в соответствии с алгоритмом стохастической оптимизации и управляющий фазосдвигающими элементами так, чтобы разность фаз между отдельными пучками решетки соответствовала требуемому значению, отличающийся тем, что между оптическим фазосдвигающим элементом и усилителем мощности в каждом канале размещен контроллер поляризации, регулирующий состояние оптической поляризации излучения на выходе усилителя мощности, волоконные усилители содержат активное волокно, не поддерживающее состояние поляризации, а часть излучения, которая используется для формирования обратной связи, в свою очередь делится пополам с помощью второй светоделительной пластины, образуя второй канал обратной связи, в котором размещен N-канальный управляемый вращатель поляризации, задающий направление поляризации каждого субпучка так, что каждый субпучок, независимо от других субпучков, поворачивает направление своей линейной поляризации на угол, равный заданному отклонению от опорного направления, с противоположным знаком, линейный поляризатор, размещенный после N-канального вращателя поляризации и задающий опорное направление линейной поляризации, матрицу фокусирующих линз, в которой каждому пучку соответствует своя фокусирующая линза, в фокальной плоскости которой расположены приемные торцы оптических волокон, оптически сопряженных с приемной площадкой соответствующих фотоприемников, образующих матрицу фотоприемников, сигналы которых поступают на N-канальный оптимизирующий процессор поляризации, работающий в соответствии с алгоритмом стохастической оптимизации и управляющий контроллерами поляризации так, что излучение на выходе усилителя мощности в каждом канале приобретает требуемое направление линейной поляризации.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в качестве N-канального вращателя поляризации используется система, состоящая из двух четвертьволновых пластин, главные оси которых ортогональны друг другу, и расположенного между ними фазового пространственного модулятора света, работающего на пропускание, ориентированного под углом 45 градусов относительно главных осей четвертьволновых пластин, и действие которого организовано таким образом, что каждому субпучку в решетке соответствует своя область пикселей на дисплее пространственного модулятора света.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в качестве N-канального вращателя поляризации используется система, состоящая из двух четвертьволновых пластин, главные оси которых ортогональны друг другу, и расположенного между ними секционированного или наборного жидкокристаллического замедлителя (ретардера).