CN108415177B - 一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的装置及方法，方法包括：激光器输出的光束经扩束装置扩束后，入射到空间光调制器上；在空间光调制器上加载具有特定相位变化的相位分布图；入射光束经过该空间光调制器反射后，由大数值孔径物镜聚焦到非保偏光纤中，经过非保偏光纤传输后的出射光再由物镜收集，最后利用工业相机采集散斑场光强。利用计算机控制空间光调制器上的相位分布，该相位分布由两张相位图合成，两张相位图分别对应两个方向互相垂直的偏振光，通过控制两张相位图的拼接比例，可以控制两个偏振方向的光强比例，实现对散斑场聚焦点的偏振度的定量控制。本发明易于调整，稳定性好，可应用于多个领域。

Description

一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的装置及方法

技术领域

本发明涉及散斑场聚焦点的偏振调控技术，具体涉及一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的装置及方法，通过控制空间光调制器上的相位分布，可以定量控制光束经过多模光纤所形成散斑场聚焦点的偏振度，应用于光场调控、微粒操控、光信息传输等领域。

背景技术

对于激光在信息传输、医学成像等领域的应用，会涉及到激光在光纤中的传输问题。为了增加信息传输的速度和容量以及更宽视场的成像，经常用多模光纤替代单模光纤。激光光束在多模光纤中传输，由于模式之间的耦合、叠加、相位延迟、模间色散等多重效应，导致在光纤的出射端形成了杂乱无序且不可控制的散斑状光强分布，这严重地影响了光纤在众多领域中的应用。

线偏振光在非保偏型多模光纤中传输时，会出现退偏振的现象。因此当线偏振光入射到非保偏多模光纤中，在光纤的出射端，不仅光强会出现无序的散斑分布，其偏振也会变成没有规律，且不可控制。而在一些激光的应用中，偏振特性是非常重要的一个性质，并对高精度光学检测和光通信信号的信噪比有重要的影响。偏振度是用于描述光束偏振性质常用物理量之一，其定义为

其中，Imax为转动偏振片时所出现的最大光强，而Imin为转动偏振片时所出现的最小光强。线偏振光的偏振度为1，自然光的偏振度为0，而部分偏振光的偏振度则介于0和1之间。目前常用的控制偏振度的方法有以下几种：1.使用双折射退偏器，它是利用晶体材料的双折射性质实现对光束偏振度的控制。2.使用光纤制作的偏振控制器，它是通过给光纤加力使之产生应力双折射，而使得输出光的偏振度发生变化。这些技术无法精确定量地控制光束经过多模光纤所形成散斑场中特定空间点的偏振度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的装置及方法，可精确定量地控制散斑场特定空间点的偏振度，操作简单，利用空间光调制器改变光束的性质，从而改变聚焦场的光学特性。以工业相机所获得的光强为反馈，运行计算机上的程序，获得特定的相位图，将该相位图加载到空间光调制器上，光束经过该空间光调制器反射后，可以将散斑场调控为光强很集中的聚焦点。通过旋转第二偏振片的方向，可以获得对应于第二偏振方向互相垂直聚焦点的两张相位图。将两张相位图拼接到一起，得到合成相位图，通过控制两张相位图在合成相位图中的比例，可以定量控制散斑场中某一个特定空间点的偏振度。本发明所提出的散斑场偏振度的控制方法，在光场调控、微粒操控和光信息传输等方面有着重要的应用价值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的装置，依次包括：激光器、短焦距透镜、小孔光阑、长焦距透镜、第一偏振片、空间光调制器、第一物镜、多模光纤、第二物镜、第二偏振片和工业相机；所述短焦距透镜和长焦距透镜组成扩束装置接收所述激光器产生的激光，扩束后的激光入射到所述第一偏振片上；所述小孔光阑放置在扩束装置的共焦点处以过滤杂散光；所述第一偏振片产生的偏振光束入射到所述空间光调制器上；所述空间光调制器的反射光经所述第一物镜聚焦，并耦合到所述多模光纤中，所述多模光纤的出射光由所述第二物镜进行收集；所述第二物镜出射的散斑场光强由所述工业相机进行采集；所述第二偏振片放置在所述工业相机前方以调控和检测光束的偏振特性；所述的工业相机与计算机相连接以反馈所采集的光强分布；所述空间光调制器与所述计算机相连接以加载所述计算机产生的特定相位变化的相位分布图，对光束经过多模光纤所形成的散斑场的偏振度进行调制，获得偏振度可定量控制的聚焦点。

优选的，所述空间光调制器为反射式相位型空间光调制器。

优选的，所述多模光纤为非保偏型光纤。

一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的方法，具体步骤如下：

由激光器发出激光光束，经短焦距透镜和长焦距透镜扩束后，入射到第一偏振片产生线偏振光，后入射到空间光调制器上；

在空间光调制器上加载计算机上所产生的特定相位变化的相位分布图，利用该相位分布图调控入射线偏振光的相位分布；

经相位调制的线偏振光，经过第一物镜聚焦后，耦合到多模光纤中，多模光纤的出射光，由第二物镜收集光强，形成散斑场；

通过控制计算机上的信号，进而控制空间光调制器上的相位，最终实现对散斑场聚焦点的控制。

所述方法还包括：

所产生的散斑场聚焦点经由所述工业相机采集其光强分布，并由第二偏振片进行散斑场聚焦点偏振度的调控和测量。

本发明的原理是利用计算机控制空间光调制器上的相位分布，进而控制激光光束经多模光纤所产生散斑场聚焦点的偏振度，克服现有技术无法实现精确定量控制散斑场聚焦点的偏振度。在空间光调制器加载一张合成相位图，该相位图分为两个区域，每个区域对应一个偏振方向的光，通过控制两个区域的大小，可以控制两个偏振方向的光强。某方向偏振光相位图所占的区域越大，则该方向偏振光越强。根据这一原理，在空间光调制器加载上特定变化幅度的相位分布，就可以实现散斑场聚焦点偏振度的控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以直接利用计算机控制空间光调制器相位的变化幅度，来实现对散斑场聚焦点偏振度的定量控制，方法简单，可靠；本发明可以应用于各种类型散斑场的偏振度调控，实用范围广。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的装置及方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明实施例一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中通过控制合成相位图的比例控制聚焦点的偏振度。

附图标记：1、激光器，2、短焦距透镜，3、小孔光阑，4、长焦距透镜，5、第一偏振片，6、空间光调制器，7、计算机，8、第一物镜，9、多模光纤，10、第二物镜、11、第二偏振片，12、工业相机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案做进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，本发明实施例一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度装置，依次包括：激光器1、短焦距透镜2、小孔光阑3、长焦距透镜4、第一偏振片5、空间光调制器6、第一物镜8、多模光纤9、第二物镜10、第二偏振片11和工业相机12；所述短焦距透镜2和长焦距透镜4组成扩束装置接收所述激光器1产生的激光，扩束后的激光入射到所述第一偏振片5上；所述小孔光阑3放置在扩束装置的共焦点处以过滤杂散光；所述第一偏振片5产生的偏振光束入射到所述空间光调制器6上；所述空间光调制器6的反射光经所述第一物镜8聚焦，并耦合到所述多模光纤9中，所述多模光纤9的出射光由所述第二物镜10进行收集；所述第二物镜10出射的散斑场光强由所述工业相机12进行采集；所述第二偏振片11放置在所述工业相机12前方以调控和检测光束的偏振特性；所述的工业相机12与计算机7相连接以反馈所采集的光强分布；所述空间光调制器6与所述计算机7相连接以加载所述计算机7产生的特定相位变化的相位分布图，对光束经过多模光纤9所形成的散斑场的偏振度进行调制，获得偏振度可定量控制的聚焦点。

本发明实施例提供的一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的方法，具体步骤如下：

由激光器1发出的激光光束经短焦距透镜2和长焦距透镜4组成扩束装置扩束后，再经第一偏振片5后入射到空间光调制器6上；

在空间光调制器6上加载计算机7产生的特定相位变化的相位分布图；

经相位调制的激光光束经第一物镜8聚焦，耦合到多模光纤9中，多模光纤9的出射光由第二物镜10收集，产生散斑场；

利用工业相机12采集散斑场的数据，并将其作为反馈提供给计算机7；

旋转第二偏振片11的方向，利用计算机7获得两张相位图，两张相位图分别对应两个偏振方向互相垂直的聚焦点；

将两张相位图组合成一张合成相位图，通过控制两张相位图在合成相位图中所占的比例，可以定量控制散斑场中聚焦点的偏振度。

本实施例中的激光器1为氦氖激光器，输出功率为15mW，波长为633nm；短焦距透镜2的焦距f＝5mm，长焦距透镜4的焦距f＝20mm。扩束后的激光光束经过第一偏振片5，获得线偏振光束。

线偏振光入射到空间光调制器6，该空间光调制器6为反射式相位型空间光调制器(德国HOLOEYE，PLUTO)，其上的信号由计算机7控制。运行计算机7上的程序，该程序将产生相位图，将相位图加载到空间光调制器6上，实现对入射激光光束的调制，从而控制散斑场的性质。

计算机7上的相位分布图原理具体如下：首先将第二偏振片11设置为水平方向，以工业相机12上的某一特定空间点为目标点，以实现该点的光强增长为反馈条件，利用计算机程序，得到一张特定的第一相位图，将该相位图加载到空间光调制器6上，可以实现该空间点一个光强很集中的聚焦点，且该点的偏振沿着水平方向。然后，将第二偏振片11设置为竖直方向，同样以该特定空间点为目标，重复上述过程，利用计算机程序生成第二相位图，实现该空间点一个光强很集中的聚焦点，且该点的偏振沿着竖直方向。将第一相位图和第二相位图以一定的比率拼在一起，得到合成相位图，就可以实现对该点偏振度的控制。

偏振度的控制原理具体如下：在第一相位图选取一个特定的区域，并用第二相位图上的对应区域进行替换，得到合成相位图。其中第一张相位图所对应的偏振方向为水平方向，而第二张相位图所对应的偏振方向为竖直方向，因此合成相位图中第一相位图所占的比例越高，则该合成相位图所对应的聚焦点水平方向的偏振率越高。相反，合成相位图中第二相位图所占的比例越高，则该合成相位图所对应的聚焦点竖直方向的偏振率越高。因此，通过控制两张相位图所占区域的大小，可以实现对偏振度的定量控制。

本实施例中的第一物镜8为20倍物镜，第二物镜10为20倍物镜，多模光纤9为非保偏型光纤。空间光调制器6的反射光经过第一物镜8聚焦后，耦合到多模光纤9中，并由第二物镜10收集光强出射端的光场。

在本实施案例中，工业相机12及第二偏振片11组成偏振调控和测量装置，用于调控并测量散斑场聚焦点的偏振度。光纤出射端的光场信号由工业相机12采集，并作为反馈，输入到计算机7上。计算机7根据工业相机12所提供的信号，运行程序，产生相位图，并将相位图加载到空间光调制器6上。光束经过加载特定相位分布的空间光调制器反射后，可以在工业相机上获得具有特定偏振度的聚焦点。

参见图2所示，为根据本实施例方法所获得散斑场聚焦点不同偏振度的结果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的装置，其特征在于，依次包括：激光器(1)、短焦距透镜(2)、小孔光阑(3)、长焦距透镜(4)、第一偏振片(5)、空间光调制器(6)、第一物镜(8)、多模光纤(9)、第二物镜(10)、第二偏振片(11)和工业相机(12)；所述短焦距透镜(2)和长焦距透镜(4)组成扩束装置接收所述激光器(1)产生的激光，扩束后的激光入射到所述第一偏振片(5)上；所述小孔光阑(3)放置在扩束装置的共焦点处以过滤杂散光；所述第一偏振片(5)产生的偏振光束入射到所述空间光调制器(6)上；所述空间光调制器(6)的反射光经所述第一物镜(8)聚焦，并耦合到所述多模光纤(9)中，所述多模光纤(9)的出射光由所述第二物镜(10)进行收集；所述第二物镜(10)出射的散斑场光强由所述工业相机(12)进行采集；所述第二偏振片(11)放置在所述工业相机(12)前方以调控和检测光束的偏振特性；所述的工业相机(12)与计算机(7)相连接以反馈所采集的光强分布；所述空间光调制器(6)与所述计算机(7)相连接以加载所述计算机(7)产生的特定相位变化的合成相位图，对光束经过多模光纤(9)所形成的散斑场的偏振度进行调制，获得偏振度可定量控制的聚焦点；

所述合成相位图的生成方法包括：

旋转第二偏振片(11)的方向，利用计算机(7)获得第一相位图和第二相位图，所述第一相位图和第二相位图分别对应两个偏振方向互相垂直的聚焦点；

将所述第一相位图和第二相位图组合成一张合成相位图，通过控制所述第一相位图和第二相位图在合成相位图中所占的比例，定量控制散斑场中聚焦点的偏振度；

所述第一相位图的获取方法包括：

将第二偏振片(11)设置为水平方向，以工业相机(12)上的某一特定空间点为目标点，以实现该点的光强增长为反馈条件，利用计算机程序，得到一张特定的第一相位图，将该相位图加载到空间光调制器(6)上，实现该空间点一个光强很集中的聚焦点，且该点的偏振沿着水平方向；

所述第二相位图的获取方法包括：

将第二偏振片(11)设置为竖直方向，同样以所述特定空间点为目标，以实现该点的光强增长为反馈条件，利用计算机程序生成第二相位图，实现该空间点一个光强很集中的聚焦点，且该点的偏振沿着竖直方向。

2.根据权利要求1所述的定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的装置，其特征在于，所述空间光调制器(6)为反射式相位型空间光调制器。

3.根据权利要求1所述的定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的装置，其特征在于，所述多模光纤(9)为非保偏型光纤。

4.一种定量控制多模光纤散斑场聚焦点偏振度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

由激光器(1)发出的激光光束经短焦距透镜(2)和长焦距透镜(4)组成扩束装置扩束后，再经第一偏振片(5)后入射到空间光调制器(6)上；

在空间光调制器(6)上加载计算机(7)产生的特定相位变化的合成相位图；

经相位调制的激光光束经第一物镜(8)聚焦，耦合到多模光纤(9)中，多模光纤(9)的出射光由第二物镜(10)收集，产生散斑场；

利用工业相机(12)采集散斑场的数据，并将其作为反馈提供给计算机(7)；

所述合成相位图的生成方法包括：

旋转第二偏振片(11)的方向，利用计算机(7)获得第一相位图和第二相位图，所述第一相位图和第二相位图分别对应两个偏振方向互相垂直的聚焦点；

将所述第一相位图和第二相位图组合成一张合成相位图，通过控制所述第一相位图和第二相位图在合成相位图中所占的比例，定量控制散斑场中聚焦点的偏振度；

所述第一相位图的获取方法包括：

将第二偏振片(11)设置为水平方向，以工业相机(12)上的某一特定空间点为目标点，以实现该点的光强增长为反馈条件，利用计算机程序，得到一张特定的第一相位图，将该相位图加载到空间光调制器(6)上，实现该空间点一个光强很集中的聚焦点，且该点的偏振沿着水平方向；

所述第二相位图的获取方法包括：

将第二偏振片(11)设置为竖直方向，同样以所述特定空间点为目标，以实现该点的光强增长为反馈条件，利用计算机程序生成第二相位图，实现该空间点一个光强很集中的聚焦点，且该点的偏振沿着竖直方向。

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