CN104932112B - 一种实时光场重构结构和重构方法 - Google Patents

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Abstract

一种实时光场重构结构，包括偏振分束器、第一耦合器、第二耦合器、基于3×3耦合器的第一迈克尔逊干涉仪和第二迈克尔逊干涉仪、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器、第八光电探测器、数据采集卡以及计算机。本发明能同时解调出待测激光的振幅、相位以及偏振态，并且根据解调出的信号对光场矢量进行重构，不需要额外的控制手段，对待测激光没有任何限制，提高了光场重构的完整性、实时性和可靠性。

Description

一种实时光场重构结构和重构方法
技术领域
本发明涉及一种实时光场重构结构重构方法，能实时准确地重构出光场的振幅、相位以及偏振态，主要应用于光场参数测量、相干光通信、光传感、医学成像、高精度的光频传递等领域。
背景技术
振幅、相位和偏振是光场的三个基本特征参量。经典的标量衍射理论主要涉及光场的振幅和相位参量。随着对光场矢量性研究的不断深入，光场的偏振态在研究光子的本质属性以及光与物质的相互作用中起到了越来越重要的作用。因此，重构出具有振幅、相位、偏振态三个基本特征的光场矢量具有广泛的应用前景。
为了实现光场的重构，人们提出了若干技术方案。在先技术一：黄博，光相位调制格式解调与相干探测研究[D]，华中科技大学，2013。提出了一种偏振分集相位分集光相干接收机，把信号光和本振光均分为两个正交的偏振态，让偏振态相同的光经过各自的相位分集接收机接收，同时分离解调出信号光的相位信息和偏振信息。
在先技术二：杨飞，蔡海文，陈迪俊，瞿荣辉，激光器噪声特性的测量装置，中国专利2011103172609.3(2012.02.15公布)，提出了一种基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪的差分相位解调技术，成功地解调出激光器的差分相位信息，并在此基础上测量出激光器的相位噪声。
在先技术一的缺点在于解调信号光的相位和偏振信息时需要一个额外的本振光，增加了系统的复杂度，而且解调的相位和偏振信息内始终包含有本振光的信息。在先技术二解调出了激光的差分相位信息，但并没有得到实时的相位信息。
发明内容
为了克服在先技术一的缺点，同时为了得到光场矢量振幅、相位、偏振三方面的参数，更完整地重构出激光光场，在先技术二的基础上提出了一种实时光场重构技术。该技术利用在先技术二中提出的基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪(其结构如图3所示)解调待测激光光场的差分相位，然后通过一个固定关系得到光场的相位参数；同时通过光强直接探测得到光场的振幅参数，通过偏振分束器得到偏振参数，能重构出待测激光的瞬时光场，具有实时性、完整性的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种实时光场重构结构，其特点在于，包括偏振分束器、第一耦合器、第二耦合器、基于3×3耦合器的第一迈克尔逊干涉仪和第二迈克尔逊干涉仪、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器、第八光电探测器、数据采集卡以及计算机，其连接关系如下：
所述的偏振分束器的第一输出端口与所述的第一耦合器的输入端口相连，该偏振分束器的第二输出端口与所述的第二耦合器的输入端口相连，待测激光经所述的偏振分束器分为偏振态正交的s光和p光，各自进入所述的第一耦合器和第二耦合器；
所述的第一耦合器的第一端口与第一光电探测器的输入端口相连，第一光电探测器的输出端口成为振幅解调的第一输出端口，第一耦合器的第二端口与第一迈克尔逊干涉仪的输入端口相连，该第一迈克尔逊干涉仪的第一输出端口与第二光电探测器相连、第二输出端口与第三光电探测器相连、第三输出端口与第四光电探测器相连，第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器的输出端口成为相位解调的第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口；
第二耦合器的第一端口与第五光电探测器的输入端口相连，第五光电探测器的输出端口成为振幅解调的第二输出端口，第二耦合器的第二端口与第二迈克尔逊干涉仪的输入端口相连，该第二迈克尔逊干涉仪的第一输出端口与第六光电探测器相连、第二输出端口与第七光电探测器相连、第三输出端口与第八光电探测器相连，第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器的输出端口成为相位解调的第四输出端口、第五输出端口和第六输出端口；
振幅解调的第一输出端口和第二输出端口以及相位解调的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口、第五输出端口和第六输出端口均与所述的数据采集卡的输入端相连，该数据采集卡的输出端与计算机相连。
所述的计算机通过对第一光电探测器和第五光电探测器的光电流数据进行运算可以解调得到s光和p光的振幅；通过对第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器的光电流数据进行运算可以解调出s光的相位；通过对第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器的光电流数据进行运算可以解调出p光的相位。再根据解调出的s光和p光的振幅以及相位，可以重构出待测激光的光场矢量。
特别强调的是，所述的迈克尔逊干涉仪的结构示意图参见图3。
一种实时光场重构方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
①首先标定基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪的仪器常数以及光电探测器响应度γn(n＝1,2,…,8)；
②测量八个光电探测器输出的光电流，记为In(n＝1,2,…,8)；
③计算光场矢量偏振态正交的s光和p光的光功率Px和Py，公式如下：
式中：第一光电探测器的输出光电流I1和响应度γ1，第五光电探测器的输出光电流I5和响应度γ5；
④计算光场矢量偏振态正交的s光和p光的瞬时振幅和
⑤计算光场矢量偏振态正交的s光和p光的瞬时相位和公式如下：
式中：为待测激光通过基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪解调后的差分相位，由第二到第四光电探测器输出的光电流In(n＝2,3,4)解调获得，由第六到第八光电探测器输出的光电流In(n＝6,7,8)解调获得，和分别和的微分；
⑥重构完整准确的光场矢量，表示为
式中：分别表示光场矢量s和p两个正交偏振态的基矢。
本发明的特点和优点是：
1)本发明对基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪没有严格的限制条件，仪器常数只需要在最初使用前进行一次校准即可，具有简便性。
2)本发明不需要本振光作参考，对待测激光没有任何限制，具有可靠性。
3)本发明在线采集和处理探测到的信号，具有实时性。
4)本发明可以同时解调出待测激光的振幅、相位以及偏振这三个基本特征参数，具有完整性。
附图说明
图1是本发明的实施例的结构示意图
图2是本发明的方法流程图
图3是在先技术二中迈克尔逊干涉仪的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的一种新的实时光场重构实施例的结构示意图如图1所示，其连接关系如下：
所述的待测激光0与所述的偏振分束器6相连，所述的偏振分束器6的第一输出端口与所述的第一耦合器61的输入端口相连，所述的偏振分束器6的第二输出端口与所述的第二耦合器62的输入端口相连。
第一耦合器的第一端口611与第一光电探测器411的输入端口相连，第一光电探测器411的输出端口成为振幅解调的第一输出端口。第一耦合器的第二端口612与第一迈克尔逊干涉仪31的输入端口相连，该第一迈克尔逊干涉仪的第一输出端口与第二光电探测器412相连、第二输出端口与第三光电探测器413相连、第三输出端口与第四光电探测器414相连，第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器的输出端口成为相位解调的第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口。
第二耦合器的第一端口621与第五光电探测器415的输入端口相连，第五光电探测器415的输出端口成为振幅解调的第二输出端口。第二耦合器的第二端口622与第二迈克尔逊干涉仪32的输入端口相连，该第二迈克尔逊干涉仪的第一输出端口与第六光电探测器416相连、第二输出端口与第七光电探测器417相连、第三输出端口与第八光电探测器418相连，第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器的输出端口成为相位解调的第四输出端口、第五输出端口和第六输出端口。
振幅解调的第一输出端口、第二输出端口以及相位解调的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口、第五输出端口、第六输出端口与数据采集卡42相连，然后该数据采集卡42与计算机7相连。
其工作原理如下：
待测激光0输入偏振控制器6后分为偏振态正交的s光和p光。s光经过第一耦合器61后一分为二，一部分经过第一耦合器61的第一端口611被第一光电探测器411)接收转化为光电流，另一部分经过第一耦合器61的第二端口612输入到第一迈克尔逊干涉仪31的输入端口，该第一迈克尔逊干涉仪31的第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口分别被第二光电探测器412、第三光电探测器413和第四光电探测器414探测并转化成光电流。然后利用数据采集卡42将所述的第一光电探测器411、第二光电探测器412、第三光电探测器413和第四光电探测器414的光电流数据进行采集并输入到计算机7，再由计算机对s光的四路光电流进行数据算法处理即可获得s光的振幅、相位信息。同理，p光经过第二耦合器62后一分为二，一部分经过第二耦合器62的第一端口621被第五光电探测器415接收转化为光电流，另一部分经过第二耦合器62的第二端口622输入到第二迈克尔逊干涉仪32的输入端口，该第二迈克尔逊干涉仪32的第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口分别被第六光电探测器416、第七光电探测器417和第八光电探测器418探测并转化成光电流。然后利用数据采集卡42将所述的第五光电探测器415、第六光电探测器(416)、第七光电探测器(417)和第八光电探测器418的光电流数据进行采集并输入到计算机7，再由计算机对p光的四路光电流进行数据算法处理即可获得p光的振幅、相位信息。
本发明一种新的实时光场重构方法的算法流程如图2所示，首先标定基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪的仪器常数以及光电探测器响应度γn(n＝1,2,…,8)，标定方法参见在先技术二。然后直接测量八个光电探测器输出的光电流，记为In(n＝1,2,…,8)，最后根据该八个测量值通过下列算法可完整地解算出光场矢量的振幅、相位和偏振信息。
具体方法为：
第一步：根据第一光电探测器和第五光电探测器的输出光电流In(n＝1,5)以及响应度γn(n＝1,5)，按照(1)式先计算出光场矢量偏振态正交的s光和p光的光功率Px和Py，然后计算s光和p光的瞬时振幅和
第二步：根据其余六个光电探测器的输出光电流In(n＝2,3,4,6,7,8)，按照(2)式计算光场矢量偏振态正交的s光和p光的瞬时相位和
第三步：根据计算出的光场矢量偏振态正交的s光和p光的振幅和相位，按照(3)式重构出完整准确的光场矢量
式中：分别表示光场矢量s和p两个正交偏振态的基矢。

Claims (1)

1.一种实时光场重构的方法，利用实时光场重构结构，该结构包括偏振分束器(6)、第一耦合器(61)、第二耦合器(62)、基于3×3耦合器的第一迈克尔逊干涉仪(31)和第二迈克尔逊干涉仪(32)、第一光电探测器(411)、第二光电探测器(412)、第三光电探测器(413)、第四光电探测器(414)、第五光电探测器(415)、第六光电探测器(416)、第七光电探测器(417)、第八光电探测器(418)、数据采集卡(42)以及计算机(7)，所述的偏振分束器(6)的第一输出端口与所述的第一耦合器(61)的输入端口相连，该偏振分束器(6)的第二输出端口与所述的第二耦合器(62)的输入端口相连，待测激光(0)经所述的偏振分束器(6)分为偏振态正交的s光和p光，各自进入所述的第一耦合器(61)和第二耦合器(62)；
所述的第一耦合器的第一端口(611)与第一光电探测器(411)的输入端口相连，第一光电探测器(411)的输出端口成为振幅解调的第一输出端口，第一耦合器的第二端口(612)与第一迈克尔逊干涉仪(31)的输入端口相连，该第一迈克尔逊干涉仪(31)的第一输出端口与第二光电探测器(412)相连、第二输出端口与第三光电探测器(413)相连、第三输出端口与第四光电探测器(414)相连，第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器的输出端口成为相位解调的第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口；第二耦合器的第一端口(621)与第五光电探测器(415)的输入端口相连，第五光电探测器(415)的输出端口成为振幅解调的第二输出端口，第二耦合器的第二端口(622)与第二迈克尔逊干涉仪(32)的输入端口相连，该第二迈克尔逊干涉仪(32)的第一输出端口与第六光电探测器(416)相连、第二输出端口与第七光电探测器(417)相连、第三输出端口与第八光电探测器(418)相连，第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器的输出端口成为相位解调的第四输出端口、第五输出端口和第六输出端口；振幅解调的第一输出端口和第二输出端口以及相位解调的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口、第五输出端口和第六输出端口均与所述的数据采集卡(42)的输入端相连，该数据采集卡的输出端与计算机(7)相连；
其特征在于，该方法包括如下步骤：①首先标定基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪的仪器常数以及光电探测器响应度γn(n＝1,2,…,8)；
②测量八个光电探测器输出的光电流，记为In(n＝1,2,…,8)；
③计算光场矢量偏振态正交的s光和p光的光功率Px和Py，公式如下：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>I</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>I</mi> <mn>5</mn> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mn>5</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：I1为第一光电探测器的输出光电流，γ1为第一光电探测器的响应度，I5为第五光电探测器的输出光电流，γ5第五光电探测器的响应度；
④计算光场矢量偏振态正交的s光和p光的瞬时振幅和
⑤计算光场矢量偏振态正交的s光和p光的瞬时相位和公式如下：
式中：为待测激光通过基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪解调后的差分相位，由第二到第四光电探测器输出的光电流In(n＝2,3,4)解调获得，由第六到第八光电探测器输出的光电流In(n＝6,7,8)解调获得，和分别和的微分；
⑥重构完整准确的光场矢量，表示为
式中：分别表示光场矢量s和p两个正交偏振态的基矢。
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