СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СКАЛЯРНОГО ВИХРЕВОГО ПУЧКА И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR OBTAINING A SCALAR VORTEX BEAM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к лазерной технике и волоконной оптике и может быть использовано для создания систем оптической передачи данных через свободное пространство (атмосферу). Изобретение может найти применение в различных областях техники, где требуется формирование лазерных пучков с ненулевым орбитальным угловым моментом или использование лазерного пучка с центральным «нулем» в распределении интенсивности, а также пучков с нетипичным распределением интенсивности.
Уровень техники
Предлагаемые способ и устройство основаны на принципах построения оптических фазированных решеток, дополненных элементами, управляющими сдвигом фаз отдельных пучков в решетке согласно принципам распределения фаз в скалярных вихревых пучках или пучках с орбитальным угловым моментом (ОУМ).
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 (US 8548017 В1, US 7058098 B1, US 7187492, RU 2470334, RU 2488862). Все эти патенты отличаются, главным образом, способами организации цепи обратной связи для выделения сигнала, управляющего фазирующими элементами, регулирующими текущие фазы отдельных элементов в решетке, для приведения всех элементов в решетке в состояние с одинаковыми фазами, а также наличием или отсутствием опорного канала.
Вышеперечисленные способы и устройства предназначены для поддержания состояния синфазности отдельных элементов решетки в течение продолжительного времени, но не содержат элементов для формирования пучков с пространственно распределенной фазой и, как следствие, не способны формировать скалярные вихревые пучки. Известен ряд способов получения скалярного вихревого пучка. Среди них использование спиральной фазовой пластинки (Beijerbergen, M.W. Helical-wavefront laser beam produced with a spiral phaseplate / M.W. Beijerbergen, R. P.C. Coerwinkel, M. Kristensen, J.P. Woerdman // Opt. Commun. - 1994. - Vol. 112. - P. 321-327), деформируемого зеркала (Tyson, R.K. Generation of an optical vortex with segmented deformable mirror / R.K. Tyson, M. Scipioni, J. Viegas // Appl. Optics. - 2008. - Vol. 47. - No.33. - P. 6300-6306.), дифракционного оптического элемента (Li, S. Generation of optical vortex based on computer-generated holographic gratings by photolithography / S. Li, and Z. Wang//Appl. Phys. Lett. - 2013. - Vol. 103. - P. 141110-1-141110-3), пространственного модулятора света (Yao, A.M. Orbital angular momentum: origins, behavior and applications / A.M. Yao, M.J. Padgett // Adv. Opt. and Photonics. - 2011. - Vol. 3. - P. 161-204) и голографического элемента (Heckenberg, N. Generation of optical phase singularities by computer-generated holograms. / N. R. Heckenberg, R. McDuff, C.P. Smith, and A. White // Opt. Lett. - 1992. - Vol. 17. - P. 221-223). Все эти способы обладают рядом недостатков при использовании их в устройствах для беспроводной оптической передачи данных. Так использование спиральных фазовых пластинок, голографических элементов и дифракционных оптических элементов формируют лишь заданное стационарное распределение фазы выходного пучка, а также вносят ослабление в оптический сигнал, пространственные модуляторы света обладают низким быстродействием (~ 60 Гц) и ограничивают скорость передачи данных, кроме того, их использование ограничено тепловым воздействием излучения на жидкие кристаллы, что приводит к уменьшению допустимой полезной мощности сигнала.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является US Patent 9042017 В1 "Apparatus and method for producing an annular composite far-field patterned beam(s)". В данном патенте предлагаются 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 спин орбитальному моменту, возникающему в результате радиальной поляризации пучков, образующих апертуру композитного пучка.
Недостатком прототипа является то, что пучки, обладающие спин орбитальным моментом, способны нести лишь ограниченное число топологических зарядов (±1) в отличие от пучков с ОУМ, способных нести неограниченное число топологических зарядов. Кроме того, использование в описанном устройстве стационарных (не управляемых) поляризационных элементов исключает вариативность сформированного таким образом синтезированного пучка.
Сведения, раскрывающие сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании системы для формирования оптического (лазерного) скалярного вихревого пучка, обладающего ненулевым орбитальным угловым моментом.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в получении оптического пучка, обладающего ненулевым орбитальным угловым моментом, принимающим значения 0, ±1, ±2,  путем формирования композитного пучка, состоящего из отдельных коллимированных и параллельных друг другу пучков, центры которых расположены равномерно вдоль периметров геометрических фигур, обладающих общим центром симметрии, и настройки фазы каждого пучка, так что фазы соседних пучков вдоль периметра внешней фигуры отличаются на величину, равную 360°  где N - число отдельных пучков  на периметре внешней фигуры и поддержании такого фазового состояния системы в течение длительного промежутка времени путем управления фазовым состоянием отдельных пучков, образующих композитный пучок.
Поставленная задача достигается тем, что, как и известный, заявляемый способ и устройство позволяют сформировать композитный пучок с центральным нулем в дальнепольном распределении интенсивности, однако в отличие от известного способа, формирующего дальнепольное распределение интенсивности в результате интерференции отдельных пучков, находящихся в различных состояниях поляризации (но в одинаковой фазе) согласно принципам формирования пучков со спин орбитальным моментом, заявляемые способ и устройство формируют дальнепольное распределение интенсивности в результате интерференции отдельных пучков, находящихся в различных фазовых состояниях (но в одинаковом состоянии поляризации) в соответствии с принципами формирования пучков с ОУМ.
Преимуществом является то, что в отличие от известного способа, формирующего композитный пучок со спин орбитальным моментом, способным нести ограниченное число топологических зарядов, предлагаемый способ позволяет формировать пучки, несущие неограниченное число топологических зарядов. Данные пучки, кроме того, могут быть модулированы по амплитуде, а также иным способом, не нарушающим фазовые соотношения между пучками, что создает возможность для передачи больших объемов информации.
Поставленная задача решается также тем, что, как и известные способ и устройство, заявляемые способ и устройство использует принципы построения фазированных оптических решеток.
В заявляемом способе формирование скалярного вихревого пучка включает образование композитного пучка с центральным нулем интенсивности и с ненулевым орбитальным моментом, величина которого является управляемой, быстро перестраиваемой и лежит в диапазоне [- N/3, N/3], путем управления фазой каждого пучка и поддержания такого фазового состояния системы в течение длительного промежутка времени. Значение диапазона найдено экспериментальным путем.
Новым для способа является:
- формирование композитных пучков с ненулевым ОУМ, состоящих из отдельных коллимированных и параллельных друг другу пучков, расположенных вдоль периметров геометрических фигур, обладающих общим центром симметрии, при этом фаза каждого пучка вдоль периметра внешней фигуры отличается от фазы соседнего пучка на величину, равную 360°  где N - число отдельных пучков  на периметре внешней фигуры;
- поддержание такого фазового состояния системы в течение длительного промежутка времени, определяемого согласно критерию;
- N фазосдвигающих элементов выполняют функции не только начального фазирования элементов оптической решетки, но и последующего формирования оптической решетки с пространственно распределенной фазой, согласно принципам формирования пучков с ОУМ;
Новым для устройства является то, что заявляемое устройство:
- содержит две цепи обратной связи, первая из которых включает в себя фотодетектор, снабженный точечной диафрагмой с размером, близким к дифракционному размеру сфокусированного пучка с диаметром, равным размеру синтезированной апертуры, и первый контроллер, а вторая цепь включает в себя фотодетектор, снабженный диафрагмой с перекрытой центральной частью, имеющей размеры, близкие к дифракционному размеру сфокусированного пучка с диаметром, равным размеру синтезированной апертуры, и второй контроллер;
- устройство не содержит дополнительных «объемных» оптических элементов в виде поляризационных пластинок и может быть выполнено целиком из волоконно-оптических элементов.
стац
max
max
а
- для определения промежутка времени t второй контроллер используют критерий  полученный расчетным путем с использованием методов математического моделирования, где ΔР - относительный уровень падения сигнала на втором приемнике, Р - максимальный уровень сигнала на втором приемнике,  - апертура перекрытой центральной зоны второго приемника, I - максимальное значение интенсивности при когерентном сложении фазированных N пучков. Данный критерий означает, что заданное фазовое состояние пучков сохраняется в течение промежутка времени, пока интенсивность в центре композитного пучка не возрастет на величину ΔI≥I/2N.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами. Описание работы устройства приведено на примере композитного пучка, состоящею из шести элементов, центры которых расположены вдоль окружности фиг. 1.
стац
ф
max
стац
ф
стац
а
-5
-3
-1
-2
-3
Способ и устройство работают следующим образом: Устройство фиг. 2 включает в себя когерентный источник линейно-поляризованного оптического излучения 1 с длиной волны λ и делитель излучения на N (N≥3) каналов 2, связанных каждый с одним из N оптических фазосдвигающих элементов 3, регулирующих фазу оптической волны в пределах ±mλ (где m - число более 1). Каждый из N каналов (субпучок) усиливается соответствующим волоконным усилителем 4 и имеет на выходе линзовый коллиматор 5, формирующий параллельный пучок лучей. 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 устройство настраивается таким образом, чтобы на выходе образовать решетку коллимированных пучков, оптические оси которых параллельны друг другу и расположены равномерно по окружности как можно более плотно между собой с однонаправленной поляризацией, представляющую собой синтезированную апертуру (композитный пучок). Малая часть мощности всего композитного пучка отделяется от целого композитного пучка с помощью 1-й светоделительной пластины 6 и посредством 2-й светоделительной пластины 11 разделяется на две равные части. Первая часть фокусируется линзой 7 на 1-й фотоприемник 8, снабженный диафрагмой (пинхол) 9 с размером, близким к дифракционному размеру сфокусированного пучка с диаметром, равным размеру синтезированной апертуры, а вторая часть фокусируется линзой 12 на 2-й фотоприемник 14, снабженный диафрагмой 13 с глухой центральной частью, имеющей размеры, близкие к дифракционному размеру сфокусированного пучка с диаметром, равным размеру синтезированной апертуры. Сигнал от 1-го фотоприемника 8 поступает на 1-й N канальный контроллер 10, который управляет сдвигом фазы в каждой из N оптических фазосдвигающих ячеек в соответствии с методом стохастического параллельного градиентного спуска, таким образом, чтобы уровень сигнала на 1-м фотоприемнике 8 достиг своего максимального значения, образуя, таким образом, первую цепь отрицательной обратной связи. 1-й N-канальный контроллер может быть организован и на иных, отличных от алгоритма стохастического параллельного градиента принципах максимизации уровня сигнала на фотодетекторе, включая методы синхронного детектирования, для которых должен быть предусмотрен опорный канал оптического излучения, а также обрабатывать сигналы от фотодетекторов, организованных иным способом. Достижение максимального уровня сигнала на 1-м фотоприемнике 8 соответствует когерентному сложению N пучков, при котором все оптические сигналы поступают на приемник с одинаковым состоянием фазы. Данное состояние устанавливается как начальное (нулевое) состояние фазы всех N пучков. Такое состояние сохраняется в течение времени t >> t - времени, необходимого для приведения всех N пучков в состояние с начальной (нулевой) фазой). Это состояние фиксируется для одного из N пучков и 1-й N канальный контроллер 10 передает управление 2-му N канальному контроллеру 15, который совместно с фотоприемником 14 образует вторую цепь обратной связи. Под управлением 2-го контроллера 15 все каналы относительно канала с зафиксированной фазой фазируются последовательно со сдвигом фазы, равным 360 град/N относительно друг друга. При этом устанавливается состояние синтезированного пучка, в котором разность фаз между всеми соседними пучками, за исключением пучков с номерами n=1 и n=N, отличается на величину 360 град/N. Для пучков с номерами n=1 и n=N разность фаз составляет (360 град - 360 град/N). В результате такого фазирования в дальнем поле происходит интерференция совокупности N пучков и образуется синтезированный пучок, обладающий орбитальным угловым моментом. При этом уровень сигнала на 2-м приемнике 14 достигает своего максимального значения. Снижение уровня сигнала на 2-м фотоприемнике 14 согласно критерию  полученному расчетным путем с использованием методов математического моделирования (здесь ΔР - относительный уровень падения сигнала на втором приемнике, Р - максимальный уровень сигнала на втором приемнике,  - апертура перекрытой центральной зоны второго приемника, I - максимальное значение интенсивности при когерентном сложении фазированных N пучков) будет означать, что время t истекло, после чего компаратор, расположенный в цепи 2-го фотоприемника 14, отключает 2-й контроллер 15 и запускает 1-й контроллер 10, под управлением которого вновь все N пучков приводятся в состояние с одинаковой фазой. После установления всех отдельных пучков в состояние с одинаковой фазой вновь управление передается 2-му контроллеру 15. При этом время фазирования t определяется временем отклика фазосдвигающих элементов, быстродействием управляющего контроллера и алгоритма фазирования и составляет ~ 10-10 с, a t, соответствующее времени распада фазированного состояния, зависит от фазовых неустойчивостей внутри устройства и составляет для системы без волоконно-оптического усилителя от 10 с до 10 с, а при наличии волоконно-оптического усилителя может сокращаться до 10 с в зависимости от величины выходной мощности усилителя.