CN112816181B - 一种高速实时的光纤激光模式检测方法及其检测装置 - Google Patents

一种高速实时的光纤激光模式检测方法及其检测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN112816181B
CN112816181B CN202011604190.XA CN202011604190A CN112816181B CN 112816181 B CN112816181 B CN 112816181B CN 202011604190 A CN202011604190 A CN 202011604190A CN 112816181 B CN112816181 B CN 112816181B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mode
light
far
field
light spot
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011604190.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN112816181A (zh
Inventor
刘文广
柴俊宇
解昆
周琼
闫宝珠
张文静
陈金宝
陆瑶
赵国民
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN202011604190.XA priority Critical patent/CN112816181B/zh
Publication of CN112816181A publication Critical patent/CN112816181A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112816181B publication Critical patent/CN112816181B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/33—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter being disposed at one fibre or waveguide end-face, and a light receiver at the other end-face
    • G01M11/331—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter being disposed at one fibre or waveguide end-face, and a light receiver at the other end-face by using interferometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/0014—Monitoring arrangements not otherwise provided for

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高速实时的光纤激光模式检测方法及其实现装置，该方法利用硬件的方式解算模式信息。主要流程如下：(1)利用相关检测算法设计全息光栅滤波器，加载到空间光调制器上；(2)使用ASE非相干光源校准和标定光纤激光模式检测装置；(3)将光源更换为待测光纤激光器与待测光纤连接，接入到光纤激光模式检测装置中；(4)由FPGA驱动探测器实时采集由全息光栅滤波器衍射后的各个模式光束，并且高速解算模式含量和模式相位信息；(5)计算机保存相关数据信息。

Description

一种高速实时的光纤激光模式检测方法及其检测装置
技术领域
本发明涉及光纤激光器模式测量领域，具体涉及一种高速实时的光纤激光模式检测方法及其检测装置。
背景技术
高功率光纤激光具有光束质量好、效率高、结构紧凑、热管理方便、柔软性操作等突出优点，广泛应用于工业加工、国防、科研等领域，是目前激光技术领域中最为活跃的研究方向之一。近年来，随着高亮度半导体激光抽运技术的飞速发展以及双包层光纤技术的不断成熟，光纤激光器的输出功率呈现出指数增长的趋势。增大纤芯直径能够提高非线性效应和光纤端面的损伤阈值，是提升光纤激光输出功率的主流途径。但增大纤芯直径将导致纤芯中传输的本征模式数量增加，产生的高阶模引起光束质量退化反而会降低激光亮度，降低了其实用价值。虽然能够通过盘绕、插入光锥等方式对高阶模进行滤除，但随着纤芯直径的进一步增加，基模与高阶模的损耗差异减小，输出光束中的模式数量不可避免地增多。在高功率强抽运条件下，受热光效应调制加剧了横模之间的耦合，从而引起了模式不稳定效应，即输出功率达到某个阈值后，光纤激光的输出模式由稳定的基模变为基模和高阶模相对成分随时间迅速随机变化的非稳态模式。模式不稳定的衰退和建立都发生在毫秒量级，因此亟需一种高速模式检测技术分析模式不稳定光束动态耦合过程，获取模式含量和模间相位等信息。模式信息的快速获取和分析，便于模式不稳定光束的有效抑制。
目前国内外研究人员针对光纤激光模式检测技术开展了大量的研究，其中比较主流的方法是采用迭代算法或者空间机械扫描的方式。迭代法和空间机械扫描法无法实现高速实时的模式信息的检测分析；本发明采用的光学相关检测法具有光学结构固定，不需要复杂的迭代运算的特点，有利于实现快速模式分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速实时的光纤激光模式检测方法及其检测装置，针对不同波长光纤激光器，不同少模光纤输出激光实现10kHz速度的高速模式分析检测，快速获取模式成分和模间相位信息。
本发明采用的技术方案是：
一种高速实时的光纤激光模式检测方法，针对不同波长光纤激光器，不同少模光纤输出激光实现10kHz速度的高速模式分析检测，快速获取模式成分和模间相位信息，具体包括以下步骤：
步骤1：基于FPGA硬件平台搭建光纤激光模式检测装置，并设计全息光栅滤波器，且加载到空间光调制器上，转入步骤2；
步骤2：使用ASE非相干光源校准和标定光纤激光模式检测装置，进而调节光纤激光模式检测装置各个光学元件的相对位置，转入步骤3；
步骤3：将光源更换为待测光纤激光器与待测光纤连接，接入到光纤激光模式检测装置中，转入步骤4；
步骤4：待测光束经全息光栅滤波器衍射，由FPGA驱动探测器实时采集衍射后的各个模式光束，并高速解算模式含量和模式相位信息，转入步骤5；
步骤5：由计算机保存相关数据信息。
优选的，在上述步骤1中，所述全息光栅滤波器设计过程为：根据待测光纤激光器的波长，以及待测光纤的纤芯直径和数值孔径信息，计算归一化截止频率V值，从而判断待测光纤输出光束所支持传输的模式数量，根据模式数量在远场相机的靶面上设计各个模式光斑的对应检测位置；将远场相机靶面的光斑检测位置处各个模式光斑质心位置坐标转换为载波频率叠加在LP01模的本征模共轭相位因子上，并编码为计算全息图加载到空间光调制器上形成LP01全息光栅光学滤波器；然后依次取各个模式本征模复振幅的共轭叠加各自载波频率相位因子，形成LPmn全息光栅光学滤波器(m≥0,n≥1)；具体如下
(1)计算待测光纤中所支持模式的本征模ψk,k＝1...n；
(2)计算各个模式本征模的复共轭
Figure GDA0002947356780000031
(3)将透过率函数
Figure GDA0002947356780000032
与远场相机靶面的光斑检测位置处各个模式光斑质心位置所对应的载波频率Kn,x,Kn,y相乘，得到标定所需要使用的角分复用的总透过率函数
Figure GDA0002947356780000033
ξ,η表示近场坐标；
(4)将全息光栅滤波器编码后加载到空间光调制器上，得到LP01全息光栅滤波器；
(5)以LP01模的相位零点为参考相位，设计用于测量高阶模相位的透过率函数
Figure GDA0002947356780000034
和
Figure GDA0002947356780000035
(6)将上述各个光斑的透过率函数与远场各个模式光斑质心位置所对应的载波频率Kn,x,Kn,y,
Figure GDA0002947356780000036
相乘，得到角分复用的总透过率函数：
Figure GDA0002947356780000037
(7)将总透过率函数编码进计算全息图，加载到空间光调制器上，形成包含各个模式透过率函数的全息光栅滤波器，即LPmn全息光栅光学滤波器。
优选的，在上述步骤2中，校准和标定过程为：
首先，将ASE非相干光源与待测光纤连接，接入到光纤激光模式检测系统中，开启光源，输出光斑经过4f光学放大系统放大，再经由偏振分光系统将光分为两束，其中一束射入近场相机中，通过近场相机观测光斑大小、形态和位置，进而对光路进行校准，确保待测光纤出光端口位于4f光学放大系统中显微物镜的焦点处；另外一束经过偏振分光系统射入空间光调制器中，当待测光源照射LP01全息光栅滤波器时，只有LP01模光束可以被衍射，衍射后的各个LP01模光束经过第二透镜傅里叶变换后照射在处于第二透镜后焦面处的远场相机上，远场相机靶面上各个光斑位置处均呈现LP01模的形态；通过调整光路并观察远场相机上光束的光强分布，使远场+1级各个LP01衍射光斑的亮度形态均匀，清晰，且光强没有饱和；然后标定远场光斑的质心位置，获取各个质心位置在远场相机中对应的像素点作为远场相机光斑检测位置，保存远场相机标定数据；通过移动光电探测器阵列(13)前的小孔阵列，使衍射光束射入小孔阵列内，调整FPGA硬件平台中各A/D高速采集通道的放大增益，使各探测单元可以检测到光强信号并输出相同的功率值，完成光电探测器阵列(13)及其FPGA硬件平台(14)的标定。
优选的，在上述步骤4中，具体过程如下：
(1)待测光纤激光器输出光束经过全息光栅滤波器衍射，各个模式会在远场相机靶面分开，照射在设计好的光斑检测位置处；
(2)测量远场光斑采集系统上模式含量检测位置处对应的光强信号{I1,I2,...,IN}，对各个光强信号进行归一化处理，即可得到各个模式的模式含量ρk：
Figure GDA0002947356780000041
(3)设计用于测量模间相位的透过率函数
Figure GDA0002947356780000042
和
Figure GDA0002947356780000043
使远场光斑采集系统上模式相位检测位置处的光斑呈现高阶模和基模干涉条纹的形式；
其中，
Figure GDA0002947356780000044
为LP01模的复共轭，模式相位检测位置处对应的远场光强信号可以表示为
Figure GDA0002947356780000045
(4)根据步骤(3)中所设计的模式相位检测位置处的光强信号可以求出模间相位差
Figure GDA0002947356780000051
Figure GDA0002947356780000052
根据测量得到的模式含量和模式相位信息，LPmn的光场就可以重构出来；实测光场和重构光场之间的一致性可以用一个互相关系数评价：
Figure GDA0002947356780000053
其中，
Figure GDA0002947356780000054
Figure GDA0002947356780000055
代表近场或者远场光强的平均值；j＝Rec,Mea分别代表重构和测量；当C的值接近于1，说明实测光场和重构光场具有良好的一致性，同时也可以评估模式分解系统测量的可行性与准确性。
一种高速实时的光纤激光模式检测装置，该装置主要为光纤激光模式检测装置，其包括光源、待测光纤、4f光学放大系统、可调衰减片、偏振分光系统、近场相机、空间光调制器、第二透镜、远场光斑采集系统、FPGA硬件平台和计算机；
所述光源与待测光纤连接，输出的光斑经过4f光学放大系统放大后，由可调衰减片调节光强强度，然后经偏振分光系统分为两束，其中一束射入近场相机中，通过近场相机观测光斑大小、形态和位置；另一束射入空间光调制器中，待测光束经全息光栅滤波器滤波后，衍射至第二透镜进行放大后，射入远场光斑采集系统，远场光斑采集系统用于测量衍射至远场(远场指第二透镜的后焦面，远场相机和光电探测器阵列都位于第二透镜的后焦面上)的各个模式光斑检测位置处的功率值；所述计算机与FPGA硬件平台连接，负责下达开始工作的指令，以及收集装置运行过程中保存的数据，FPGA硬件平台与近场相机、空间光调制器、远场光斑采集系统连接，负责光斑能量的高速采集、以及模式信息的解算。
优选的，所述4f光学放大系统包括沿光路依次设置的显微物镜和第一透镜，所述显微物镜的输入端与待测光纤连接，其输出端与第一透镜输入端连接，所述第一透镜的输出端连接至偏振分光系统。
优选的，所述偏振分光系统包括沿光路依次设置的偏振分光棱镜和第一分光棱镜，所述偏振分光棱镜的输入端与第一透镜的输出端连接，所述第一分光棱镜放置于偏振分光棱镜、近场相机、空间光调制器与第二透镜形成的方形框架的内部，其分别与偏振分光棱镜的输出端、近场相机的输入端、空间光调制器的输入端与第二透镜的输入端连接。
优选的，所述远场光斑采集系统包括沿光路设置的第二分光棱镜、远场相机和光电探测器阵列，所述光电探测器阵列与远场相机放置于第二分光棱镜的两侧，且与第二分光棱镜的距离相同，同属于第二透镜的后焦面；所述第二分光棱镜的输入端与第二透镜的输出端连接，其输出端分别与远场相机和光电探测器阵列连接。
优选的，所述光电探测器阵列与多通道A/D高速采集平台相连，所述多通道A/D高速采集平台集成于FPGA硬件平台上，其包括依次连接的多通道可变增益放大电路和多通道低通滤波电路，所述多通道可变增益放大电路输入端与光电探测器阵列连接；还包括多通道高速采集电路、人机交互系统和内部电源，所述多通道低通滤波电路通过数据接口与多通道高速采集电路连接，所述多通道高速采集电路通过以太网接口与人机交互系统连接；所述内部电源模块用于多通道A/D高速采集平台内部供电。
本发明的有益效果：
(1)检测过程仅需要一次校准和标定，大大降低了检测复杂难度。
(2)使用FPGA硬件平台运行相关检测算法，高速采集光斑能量，解算模式信息，可以对不同波长光纤激光器，不同少模光纤输出激光实现10kHz速度的高速模式分析检测；
(3)本发明还可以适用于研究高功率光纤激光产生模式不稳定现象时的模式耦合变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种高速实时的光纤激光检测方法及其实现装置的相关检测方法流程图；
图2为本发明一种高速实时的光纤激光检测装置的光路图；
图3为本发明另一种高速实时的光纤激光检测装置的光路图；
图4为高速采集系统流程图；
图5为光电探测器阵列示意图；
图6为十个模式远场衍射图样；
图7为本发明实例中远场+1级光斑仿真图；
图8为本发明实例中模式检测结果，即模式含量和模间相位差图；
图9为本发明实例中模式检测结果，即模式检测结果的重构近、远场光强和重构近、远场相位分布图。
其中，1-光源；2-待测光纤；3-显微物镜；4-第一透镜；5-偏振分光棱镜；6-第一分光棱镜；7-近场相机；8-空间光调制器；9-第二透镜；10-第二分光棱镜；11-远场相机；12-可调衰减片；13-光电探测器阵列；14-FPGA硬件平台；15-计算机；
16-QBH；17-准直器；18-第三透镜；19-第四透镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
本发明具体提供了一种高速实时的光纤激光检测方法，如图1所示，针对不同波长光纤激光器，不同少模光纤输出激光实现10kHz速度的高速模式分析检测，快速获取模式成分和模间相位信息，具体包括以下步骤：
步骤1：基于FPGA硬件平台搭建光纤激光模式检测装置，并设计全息光栅滤波器，且加载到空间光调制器上，转入步骤2；
其中，全息光栅滤波器设计过程为：
根据待测光纤激光器的波长，以及待测光纤的纤芯直径和数值孔径信息，计算归一化截止频率V值，从而判断待测光纤输出光束所支持传输的模式数量，根据模式数量在远场相机的靶面上设计各个模式光斑的对应检测位置；将远场光斑采集系统(包括远场相机和光电探测器阵列)的光斑检测位置处各个模式光斑质心位置坐标转换为载波频率叠加在LP01模的本征模共轭相位因子上，并编码为计算全息图加载到空间光调制器上形成LP01全息光栅光学滤波器；然后依次取各个模式本征模复振幅的共轭叠加各自载波频率相位因子，形成LPmn全息光栅光学滤波器(m≥0,n≥1)；具体如下：
(1)计算待测光纤中所支持模式的本征模ψk,k＝1...n；
(2)计算各个模式本征模的复共轭
Figure GDA0002947356780000091
(3)将透过率函数
Figure GDA0002947356780000092
与远场相机靶面的光斑检测位置处各个模式光斑质心位置所对应的载波频率Kn,x,Kn,y相乘，得到标定所需要使用的角分复用的总透过率函数
Figure GDA0002947356780000093
ξ,η表示近场坐标；
(4)将全息光栅滤波器编码后加载到空间光调制器上，得到LP01全息光栅滤波器；
(5)以LP01模的相位零点为参考相位，设计用于测量高阶模相位的透过率函数
Figure GDA0002947356780000094
和
Figure GDA0002947356780000095
(6)将上述各个光斑的透过率函数与远场各个模式光斑质心位置所对应的载波频率Kn,x,Kn,y,
Figure GDA0002947356780000096
相乘，得到角分复用的总透过率函数：
Figure GDA0002947356780000097
(7)将总透过率函数编码进计算全息图，加载到空间光调制器上，形成包含各个模式透过率函数的全息光栅滤波器，即LPmn全息光栅光学滤波器。
步骤2：使用ASE非相干光源校准和标定光纤激光模式检测装置，进而调节光纤激光模式检测装置各个光学元件的相对位置，转入步骤3；
其中，校准和标定过程如下：
首先将ASE非相干光源与待测光纤连接，接入到光纤激光模式检测系统中，开启光源，输出光斑经过4f光学放大系统放大，再经由偏振分光系统将光分为两束，其中一束射入近场相机1中，通过近场相机1观测光斑大小、形态和位置，进而对光路进行校准，使近场相机1上可以观察到边缘清晰、完整圆对称的清晰光斑，确保光纤出光端口位于4f光学放大系统中显微物镜的焦点处；另外一束经过偏振分光棱镜射入空间光调制器中，确保透射光偏振方向与空间光调制器的工作方向一致。当待测光源照射LP01全息光栅滤波器时，只有LP01模光束可以被衍射；空间光调制器位于第二透镜的前焦面上，衍射后的各个LP01模光束经过第二透镜的傅里叶变换照射在处于第二透镜后焦面处的远场相机上，远场相机11靶面上各个光斑均呈现LP01模的形态。通过调整光路并观察远场相机11上光束的光强分布，使远场+1级各个LP01衍射光斑的形态均匀，清晰，且光强没有饱和；然后标定远场光斑的质心位置，获取各个质心位置在远场相机11中对应的像素点作为远场相机11光斑检测位置，保存远场相机标定数据；通过移动光电探测器阵列13前的小孔阵列，使衍射光束射入小孔阵列内，调整FPGA硬件平台中各A/D高速采集通道的放大增益，使各探测单元可以检测到光强信号并输出相同的功率值，完成光电探测器阵列13及其FPGA硬件平台14的标定。
步骤3：将光源更换为待测光纤激光器与待测光纤连接，接入到光纤激光模式检测装置中，转入步骤4；
步骤4：待测光束经全息光栅滤波器衍射，由FPGA驱动探测器实时采集衍射后的各个模式光束，并高速解算模式含量和模式相位信息，转入步骤5；
具体过程如下：
(1)待测光纤激光器输出光束经过全息光栅滤波器衍射，各个模式会在远场相机11靶面分开，照射在设计好的光斑检测位置处；
(2)测量远场光斑采集系统上模式含量检测位置处对应的光强信号{I1,I2,...,IN}，对各个光强信号进行归一化处理，即可得到各个模式的模式含量ρk：
Figure GDA0002947356780000101
(3)设计用于测量模间相位的透过率函数
Figure GDA0002947356780000102
和
Figure GDA0002947356780000103
使远场光斑采集系统(包括远场相机和光电探测器阵列)上模式相位检测位置处的光斑呈现高阶模和基模干涉条纹的形式；
其中，
Figure GDA0002947356780000111
为LP01模的复共轭，模式相位检测位置处对应的远场光强信号可以表示为
Figure GDA0002947356780000112
(4)根据步骤(3)中所设计的模式相位检测位置处的光强信号可以求出模间相位差
Figure GDA0002947356780000113
Figure GDA0002947356780000114
根据测量得到的模式含量和模式相位信息，LPmn的光场就可以重构出来；实测光场和重构光场之间的一致性可以用一个互相关系数评价：
Figure GDA0002947356780000115
其中，
Figure GDA0002947356780000116
Figure GDA0002947356780000117
代表近场或者远场光强的平均值；j＝Rec,Mea分别代表重构和测量；当C的值接近于1，说明实测光场和重构光场具有良好的一致性，同时也可以评估模式分解系统测量的可行性与准确性。
步骤5：由计算机保存相关数据信息。
如图2所示，基于上述检测方法，本发明还提出一种高速实时的光纤激光模式检测装置，该装置主要为光纤激光模式检测装置，其包括光源1、待测光纤2、4f光学放大系统、可调衰减片12、偏振分光系统、近场相机7、空间光调制器8、第二透镜9、远场光斑采集系统、FPGA硬件平台14和计算机15；
所述光源1与待测光纤2连接，输出的光斑经过4f光学放大系统放大后，由可调衰减片12调节光强强度，然后经偏振分光系统分为两束，其中一束射入近场相机7中，通过近场相机7观测光斑大小、形态和位置；另一束射入空间光调制器8中，待测光束通过全息光栅滤波器滤波后，衍射至第二透镜9进行傅里叶变换，射入远场光斑采集系统，远场光斑采集系统用于测量衍射至远场(远场指第二透镜的后焦面，远场相机和光电探测器阵列都位于第二透镜的后焦面上)的各个模式光斑检测位置处的功率值；所述计算机15与FPGA硬件平台14连接，负责下达开始工作的指令，以及收集装置运行过程中保存的数据，所述FPGA硬件平台14与近场相机7、空间光调制器8、远场光斑采集系统连接，负责光斑能量的高速采集、以及模式信息的解算。
其中，所述4f光学放大系统包括沿光路依次设置的显微物镜3和第一透镜4，所述显微物镜3的输入端与待测光纤2连接，其输出端与第一透镜4输入端连接，所述第一透镜4的输出端连接至偏振分光系统。
所述偏振分光系统包括沿光路依次设置的偏振分光棱镜5和第一分光棱镜6，所述偏振分光棱镜5的输入端与第一透镜4的输出端连接，所述第一分光棱镜6放置于偏振分光棱镜5、近场相机7、空间光调制器8与第二透镜9形成的方形框架的内部，其分别与偏振分光棱镜5的输出端、近场相机7的输入端、空间光调制器8的输入端与第二透镜9的输入端连接。
所述远场光斑采集系统包括沿光路设置的第二分光棱镜10、远场相机11和光电探测器阵列13，所述光电探测器阵列13与远场相机11放置于第二分光棱镜10的两侧，且与第二分光棱镜10的距离相同，同属于第二透镜的后焦面；所述第二分光棱镜10的输入端与第二透镜9的输出端连接，其输出端分别与远场相机11和光电探测器阵列13连接。
本实施例中，光电探测器阵列12由多单元Si-APD拼接而成，通过荧光卡观察光电探测器阵列12上的光斑位置，使各个光斑打在光电探测器阵列12各个光敏单元前于光斑检测位置处放置的小孔中；所述多单元单点Si-APD与多通道A/D高速采集平台相连。
除了上述描述的材料之外，还可更换其他光敏材料的光电探测器，从而可以适用于更多波长范围的光源模式检测。比如：InGaAs材料探测器更适应于探测900nm-1700nm波段的激光检测，灵敏度相对较高，设计中只需要根据待测模式数量，单个InGaAs光电探测器的外形尺寸和光敏面积尺寸合理排布拼接面型，即可以用于本发明在这一波段范围内的单频激光模式检测。
高速模式检测分析依托于光电探测器阵列结合多通道A/D高速采集平台。由于使用光电探测器阵列采集光斑，无法实时显示光斑二维能量信息，为了便于系统的整体校准和高速模式分解的准确性验证，使用分光棱镜对经过第二透镜傅里叶变换后的光束进行分束，在相同的探测距离处(同属于第二透镜的后焦面)，分别放置阵列探测器和CCD相机。为了使CCD靶面得到充分的利用，将光斑以二维分布的方式均匀的打在CCD靶面上，那么阵列探测器也应该选取类似的面阵像元排布的与光斑实际位置进行匹配。本发明采用多单元Si-APD拼接的方式组成可以并行工作的面阵探测器，其不仅具有高效快速的采集速度，同时由于含有APD增强，相对于其他Si探测器，Si-APD具有很高的灵敏度，适合用于弱光探测。
除了选取合适的探测器，还需要考虑高速A/D的采集速度。根据奈奎斯特采样定理，若想从抽样信号中无失真地恢复原信号，则抽样频率应该大于2倍信号最高频率。那么实验中所需要的A/D采集频率至少为信号光变化频率的2倍。且每个Si-APD单元需要单独进行A/D转换，以确保所有单元探测器并行工作。高速模式分解系统中多通道阵列探测器结合A/D高速采集部分如图4所示，主要分为6个方面：①多通道单元阵列探测器；②多通道高速可变增益放大电路；③多通道低通滤波电路；④多通道高速采集电路；⑤人机交互系统；⑥内部电源模块。
针对光电探测器阵列结合多通道A/D高速采集部分实现的功能和指标如下：
1)探测器响应率：约1.1A/W@1064nm；
2)探测器带宽：1MHz；
3)探测器间隔：2mm±0.1mm；
4)探测器像元尺寸：1mm；
5)放大器增益：指令对多通道整体可调；
6)采样率：100kSa/s指令对多通道整体可调；
7)量化位数：10bit；
8)采集时间：10s；
9)人机交互系统功能：
i.通过指令控制采样开始和结束；
ii.将采集数据以协议接收并存储至文件(同时可以传递给其他控制器)；
iii.通过指令调整采样率(28通道整体调整)；
iv.通过指令调整放大器增益(28通道分别整体调整)；
v.设置各通道光强数据单独保存成文件(.mat文件)；
vi.保存互相关系数(.mat文件)；
vii.实时显示模式系数(归一化百分占比)和模间相位差并保存(.mat文件)。
由于本发明中的核心器件空间光调制器的热损伤阈值有限，仅适合于低功率条件下的光纤激光模式探测，又考虑到近场相机，远场相机和光电探测器阵列的饱和阈值，本发明光路中的可调衰减片用于调节光强强度；若本发明需要用于高功率光纤激光器的模式探测，那么通常光纤输出端还需要熔接光纤激光光缆(QBH)，QBH16集成了高功率包层光剥除器和端帽熔接，用于高功率光纤激传输的光输出接口。此时，本发明需要将4f光学放大系统更改为，缩束准直系统，如图3所示，首先将QBH16插入准直器17中，准直光束再经由缩束系统射入本发明模式检测系统中，此时的光路图如下图3所示(虚线框中为更换的光学器件)。准直器17通常是由一个透镜组成，准直光束直径是由QBH16输出光束的发散角以及透镜的焦距决定的，缩束系统通常为两个透镜组成，两个透镜的间距为两个透镜的焦距之和，第三透镜18和第四透镜19的焦距比为我们期望的针对准直器17输出光束的缩束倍数。
实施例
以待测光源为1064nm单频光纤激光器为例，对于我们在使用纤芯直径为30μm，包层直径为250μm，数值孔径NA为0.065的大模场光纤，这一光纤在1064nm波段支持LP01、LP02、LP11,e、LP11,o、LP21,e、LP21,o、LP31,e、LP31,o、LP12,e、LP12,o共十个模式，如图5所示。首先计算十个模式的本征模ψk，k＝1...10，并求出十个模式本征模的共轭
Figure GDA0002947356780000151
设计用于模式成分测量和模间相位测量的透过率函数
Figure GDA0002947356780000152
进而设计及编码全息光栅滤波器。
完整的模式分析测量，针对每个模式需要一个透过率函数测量其成分，对每个高阶模需要两个透过率函数测量其相位，那么对于支持十个模式的光纤，需要28个透过率函数，才能实现对光场的完整模式检测分析，本发明中增加了一个测量远场的透过率函数AOri·TOri(ξ,η)，其中
Figure GDA0002947356780000153
AOri∈(0,1)，该传递函数将一部分待测光场衍射到+1级衍射图样中载频(KOri,x,KOri,y)对应的位置上，可以用于反映远场光强变化，AOri可以对远场光强进行调节。因此，本发明中编码的全息光栅滤波器共计需要29个透过率函数。对于用于测量远场光斑的光电探测器阵列，共需要29个单元。29单元光电探测器示意图如图4所示。
全息光栅滤波器衍射的光场是经过4f光学放大系统放大的大模场光纤端面出射光束的共轭光场，4f光学放大系统的放大倍率是125(第一透镜4焦距/显微物镜焦距)。通过改变载波频率，我们可以对各个模式入射光束加载更大的传输角度，使远场光斑的间距变大；通过改变透镜的焦距，我们可以对远场光斑尺寸进行调节。经过理论计算，远场光斑的尺寸可以设计为50μm-100μm,光斑质心间距可以设计为0.8mm-2.5mm，第二透镜4的焦距可以选取150mm-250mm。光电探测阵列各个单元的光敏面积为1mm，各单元探测器前需要添加尺寸为3μm小孔，实验中仅采集小孔对应的光轴处的能量进行解算。
模拟产生的十个模式远场衍射图样如图6所示，远场相机11实时采集的各个模式光斑如图7所示。某一时刻30/250光纤十种模式的模式权重和模式相对相位值如图8所示，其中，基模的含量为58％。实际近场/远场光强与重构近场/远场光强对比图以及重构近场相位，补偿后远场光强如图9所示。从试验结果可以看出近场互相关系数为0.91198，远场互相关系数为0.95841，通过对远场光斑进行相位校正，补偿后远场的光斑形态接近基模，具有较好的光束质量。
此外，通过设计透过率函数个数，调整远场光电探测器的单元数量和相对位置，远场相机的检测靶面大小等系统参数，可以调整系统可探测模式数量。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种高速实时的光纤激光模式检测方法，其特征在于，针对不同波长光纤激光器，不同少模光纤输出激光实现10kHz速度的高速模式分析检测，快速获取模式成分和模间相位信息，具体包括以下步骤：
步骤1：基于FPGA硬件平台搭建光纤激光模式检测装置，并设计全息光栅滤波器，且加载到空间光调制器上，转入步骤2；
步骤2：使用ASE非相干光源校准和标定光纤激光模式检测装置，进而调节光纤激光模式检测装置各个光学元件的相对位置，转入步骤3；
步骤3：将光源更换为待测光纤激光器与待测光纤连接，接入到光纤激光模式检测装置中，转入步骤4；
步骤4：待测光束经全息光栅滤波器衍射，由FPGA驱动探测器实时采集衍射后的各个模式光束，并高速解算模式含量和模式相位信息，转入步骤5；
步骤5：由计算机保存相关数据信息；
在上述步骤1中，所述全息光栅滤波器设计过程为：根据待测光纤激光器的波长，以及待测光纤的纤芯直径和数值孔径信息，计算归一化截止频率V值，从而判断待测光纤输出光束所支持传输的模式数量，根据模式数量在远场相机的靶面上设计各个模式光斑的对应检测位置；将远场相机靶面的光斑检测位置处各个模式光斑质心位置坐标转换为载波频率叠加在LP01模的本征模共轭相位因子上，并编码为计算全息图加载到空间光调制器上形成LP01全息光栅滤波器；然后依次取各个模式本征模复振幅的共轭叠加各自载波频率相位因子，形成LPmn全息光栅滤波器(m≥0,n≥1)；具体如下
(1)计算待测光纤中所支持模式的本征模ψk,k＝1...n；
(2)计算各个模式本征模的复共轭
Figure FDA0003961632840000011
(3)将透过率函数
Figure FDA0003961632840000012
与远场相机靶面的光斑检测位置处各个模式光斑质心位置所对应的载波频率Kn,x,Kn,y相乘，得到标定所需要使用的角分复用的总透过率函数
Figure FDA0003961632840000013
ξ,η表示近场坐标；
(4)将全息光栅滤波器编码后加载到空间光调制器上，得到LP01全息光栅滤波器；
(5)以LP01模的相位零点为参考相位，设计用于测量高阶模相位的透过率函数
Figure FDA0003961632840000021
和
Figure FDA0003961632840000022
(6)将上述各个模式光斑的透过率函数与远场各个模式光斑质心位置所对应的载波频率
Figure FDA0003961632840000023
相乘，得到角分复用的总透过率函数：
Figure FDA0003961632840000024
(7)将总透过率函数编码进计算全息图，加载到空间光调制器上，形成包含各个模式透过率函数的全息光栅光学滤波器，即LPmn全息光栅滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种高速实时的光纤激光模式检测方法，其特征在于，在上述步骤2中，校准和标定过程为：
首先，将ASE非相干光源与待测光纤(2)连接，接入到光纤激光模式检测系统中，开启光源(1)，输出光斑经过4f光学放大系统放大，再经由偏振分光系统将光分为两束，其中一束射入近场相机(7)中，通过近场相机(7)观测光斑大小、形态和位置，进而对光路进行校准，确保待测光纤(2)出光端口位于4f光学放大系统中显微物镜的焦点处；另外一束经过偏振分光系统射入空间光调制器(8)中，当待测光源照射LP01全息光栅滤波器时，只有LP01模光束可以被衍射，衍射后的各个LP01模光束经过第二透镜的傅里叶变换照射在处于第二透镜后焦面处的远场相机上，远场相机(11)靶面上各个光斑均呈现LP01模的形态；通过调整光路并观察远场相机(11)上光束的光强分布，使远场+1级各个LP01衍射光斑的形态均匀，清晰，且光强没有饱和；然后标定远场光斑的质心位置，获取各个质心位置在远场相机(11)中对应的像素点作为远场相机(11)光斑检测位置，保存远场相机标定数据；通过移动光电探测器阵列(13)前的小孔阵列，使衍射光束射入小孔阵列内，调整FPGA硬件平台中各A/D高速采集通道的放大增益，使各探测单元可以检测到光强信号并输出相同的功率值，完成光电探测器阵列(13)及FPGA硬件平台(14)的标定。
3.根据权利要求1所述的一种高速实时的光纤激光模式检测方法，其特征在于，在上述步骤4中，具体过程如下：
(1)待测光纤激光器输出光束经过全息光栅滤波器衍射，各个模式会在远场相机(11)靶面分开，照射在设计好的光斑检测位置处；
(2)测量远场光斑采集系统上模式含量检测位置处对应的光强信号{I1,I2,…,IN}，对各个光强信号进行归一化处理，即可得到各个模式的模式含量ρk：
Figure FDA0003961632840000031
(3)设计用于测量模间相位的透过率函数
Figure FDA0003961632840000032
和
Figure FDA0003961632840000033
使远场光斑采集系统上模式相位检测位置处的光斑呈现高阶模和基模干涉条纹的形式；
其中，
Figure FDA0003961632840000034
为LP01模的复共轭，模式相位检测位置处对应的远场光强信号可以表示为
Figure FDA0003961632840000035
(4)根据步骤(3)中所设计的模式相位检测位置处的光强信号可以求出模间相位差
Figure FDA0003961632840000036
Figure FDA0003961632840000037
根据测量得到的模式含量和模式相位信息，LPmn的光场就可以重构出来；实测光场和重构光场之间的一致性可以用一个互相关系数评价：
Figure FDA0003961632840000041
其中，
Figure FDA0003961632840000042
Figure FDA0003961632840000043
代表近场或者远场光强的平均值；j＝Rec,Mea分别代表重构和测量；当C的值接近于1，说明实测光场和重构光场具有良好的一致性，同时也可以评估模式分解系统测量的可行性与准确性。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种高速实时的光纤激光模式检测方法的检测装置，其特征在于，该检测装置为光纤激光模式检测装置，其包括光源(1)、待测光纤(2)、4f光学放大系统、可调衰减片(12)、偏振分光系统、近场相机(7)、空间光调制器(8)、第二透镜(9)、远场光斑采集系统、FPGA硬件平台(14)和计算机(15)；
所述光源(1)与待测光纤(2)连接，输出的光斑经过4f光学放大系统放大后，由可调衰减片(12)调节光强，然后经偏振分光系统分为两束，其中一束射入近场相机(7)中，通过近场相机观测光斑大小、形态和位置；另一束射入空间光调制器(8)中，待测光束经全息光栅滤波器滤波后，衍射至第二透镜(9)进行傅里叶变换，射入远场光斑采集系统，远场光斑采集系统用于测量衍射至远场的各个模式光斑检测位置处的功率值；所述计算机(15)与FPGA硬件平台(14)连接，负责下达开始工作的指令，以及收集装置运行过程中保存的数据，所述FPGA硬件平台(14)与近场相机(7)、空间光调制器(8)、远场光斑采集系统连接，负责光斑能量的高速采集以及模式信息的解算。
5.根据权利要求4所述的一种检测装置，其特征在于，所述4f光学放大系统包括沿光路依次设置的显微物镜(3)和第一透镜(4)，所述显微物镜(3)的输入端与待测光纤(2)连接，其输出端与第一透镜(4)输入端连接，所述第一透镜(4)的输出端连接至偏振分光系统。
6.根据权利要求4所述的一种检测装置，其特征在于，所述偏振分光系统包括沿光路依次设置的偏振分光棱镜(5)和第一分光棱镜(6)，所述偏振分光棱镜(5)的输入端与第一透镜(4)的输出端连接，所述第一分光棱镜(6)放置于偏振分光棱镜(5)、近场相机(7)、空间光调制器(8)与第二透镜(9)形成的方形框架的内部，其分别与偏振分光棱镜(5)的输出端、近场相机(7)的输入端、空间光调制器(8)的输入端与第二透镜(9)的输入端连接。
7.根据权利要求4所述的一种检测装置，其特征在于，所述远场光斑采集系统包括沿光路设置的第二分光棱镜(10)、远场相机(11)和光电探测器阵列(13)，所述光电探测器阵列(13)与远场相机(11)放置于第二分光棱镜(10)的两侧，且与第二分光棱镜(10)的距离相同，同属于第二透镜(9)的后焦面；所述第二分光棱镜(10)的输入端与第二透镜(9)的输出端连接，其输出端分别与远场相机(11)和光电探测器阵列(13)连接。
8.根据权利要求7所述的一种检测装置，其特征在于，所述光电探测器阵列与多通道A/D高速采集平台相连，所述多通道A/D高速采集平台集成于FPGA硬件平台上，其包括依次连接的多通道可变增益放大电路和多通道低通滤波电路，所述多通道可变增益放大电路输入端与光电探测器阵列连接；还包括多通道高速采集电路、人机交互系统和内部电源，所述多通道低通滤波电路通过数据接口与多通道高速采集电路连接，所述多通道高速采集电路通过以太网接口与人机交互系统连接；所述内部电源用于多通道A/D高速采集平台内部供电。
CN202011604190.XA 2020-12-29 2020-12-29 一种高速实时的光纤激光模式检测方法及其检测装置 Active CN112816181B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011604190.XA CN112816181B (zh) 2020-12-29 2020-12-29 一种高速实时的光纤激光模式检测方法及其检测装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011604190.XA CN112816181B (zh) 2020-12-29 2020-12-29 一种高速实时的光纤激光模式检测方法及其检测装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112816181A CN112816181A (zh) 2021-05-18
CN112816181B true CN112816181B (zh) 2023-03-14

Family

ID=75855310

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011604190.XA Active CN112816181B (zh) 2020-12-29 2020-12-29 一种高速实时的光纤激光模式检测方法及其检测装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112816181B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113639844B (zh) * 2021-07-14 2024-05-03 安徽复盛信息科技有限公司 基于光栅测温的污水处理厂曝气设备健康情况监测方法
CN115144978B (zh) * 2021-07-29 2024-05-17 武汉帝尔激光科技股份有限公司 激光整形装置及光纤耦合方法
CN113933023B (zh) * 2021-10-15 2023-06-27 合肥工业大学 一种mpo光纤的功率测量和通断检测设备及其方法
CN113960776A (zh) * 2021-11-03 2022-01-21 熵智科技(深圳)有限公司 基于空间光调制器的大视场激光干涉系统及方法
CN114448506B (zh) * 2021-12-20 2023-09-22 中国人民解放军国防科技大学 适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014064636A2 (en) * 2012-10-24 2014-05-01 Csir Modal decomposition of a laser beam
CN106969846A (zh) * 2016-01-13 2017-07-21 南京理工大学 使用空间光调制器分解激光模式测量光束m2因子的装置
CN111473953A (zh) * 2020-04-22 2020-07-31 南京理工大学 一种基于相位恢复的光纤激光模式分解方法及其实现装置
CN112003114A (zh) * 2020-08-04 2020-11-27 中国科学院上海光学精密机械研究所 多模光纤输出的光纤激光器的模式控制系统和控制方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014064636A2 (en) * 2012-10-24 2014-05-01 Csir Modal decomposition of a laser beam
CN106969846A (zh) * 2016-01-13 2017-07-21 南京理工大学 使用空间光调制器分解激光模式测量光束m2因子的装置
CN111473953A (zh) * 2020-04-22 2020-07-31 南京理工大学 一种基于相位恢复的光纤激光模式分解方法及其实现装置
CN112003114A (zh) * 2020-08-04 2020-11-27 中国科学院上海光学精密机械研究所 多模光纤输出的光纤激光器的模式控制系统和控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Real-time phase measurement and correction of dynamic multimode beam using a single spatial light modulator;Kun Xie et al.;<CHINESE OPTICS LETTERS>;20200131;第18卷(第1期);正文第1页至第4页 *
光子灯笼研究进展;杨欢 等;《激光与光电子学进展》;20180627;第55卷(第12期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112816181A (zh) 2021-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112816181B (zh) 一种高速实时的光纤激光模式检测方法及其检测装置
CN101393376B (zh) 基于条纹特性提取算法的相干合成相位测控装置
CN202522516U (zh) 一种光学透过率测试装置
CN107356407A (zh) 同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置
CN107063456A (zh) 原位时间分辨光栅衍射效率光谱测量装置和方法
CN115235618B (zh) 一种超快激光场三维时空分布的单帧测量系统及方法
CN108563034A (zh) 反射型空间滤波器调试装置和方法
CN111474188A (zh) 一种基于动态调制的单次曝光波前重建和相位成像装置和方法
CN105988261A (zh) 一种涡旋光场产生装置
CN101603858B (zh) 激光光束质量bq因子检测仪
CN101532908A (zh) 离散成像器件统计调制传递函数激光散斑测量方法和装置
CN113937609B (zh) 基于达曼涡旋光栅的光纤激光相干合成的主动锁相方法和光纤激光相干合成系统
CN110044475B (zh) 一种纹影法焦斑动态范围的标定装置及方法
CN114448506B (zh) 适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统
CN111458023B (zh) 一种基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法及系统
CN113984222A (zh) 光栅压缩器波前畸变在线测量装置及测量方法
CN210293456U (zh) 一种基于反射式随机衍射片的光谱测量装置
CN107421721B (zh) 基于散射板的散射光收光系统透过率标定装置
Golub et al. Experimental investigation of a multibeam holographic optical element matched to Gauss-Laguerre modes
CN114111625B (zh) 一种光学成像系统及方法
CN110044482B (zh) 一种基于反射式随机衍射片的光谱测试方法
CN109725446B (zh) 基于单波长和多模光纤延迟线模块的微波光子横向滤波器
CN114858291B (zh) 一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法及装置
CN102944193A (zh) 分束光栅子光束阵列的位相和光强测量装置和方法
JPS6244645A (ja) 噴霧粒子の粒径計測装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant