CN113218517B - 一种计算成像同轴全息光纤模式分解方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种计算成像同轴全息的光纤模式分解方法及装置，步骤如下：使用光纤点衍射同轴全息装置获取参考光强度分布和不同偏振方向下的光纤激光远场同步移相干涉图；解调上述移相干涉图获得测试光在远场的光强和相位分布，进而重构测试光远场复振幅分布；根据计算成像理论构建虚拟4f光路，将上述重构复振幅进行4f光路的虚拟传输，获取测试光纤端面虚拟共轭位置（测试光纤激光近场）的复振幅分布；对上述获取的测试光纤激光近场的复振幅分布进行模式分解，获取待测激光模场的组成。本发明解决了现有基于波前测量法的模式分解装置需要成像系统获取近场光强或者复振幅分布的问题，避免因实际光路引入带来的波前像差和装调误差等问题。
Description
技术领域
本发明涉及激光器测量领域，具体涉及一种计算成像同轴全息光纤模式分解方法及装置。
背景技术
随着激光技术飞速发展，模场的精确瞬态分析也变得尤为重要。分析激光模场组成(获取本征模功率比和模间相位差)的动态变化有利于探索激光模场的变化机理，从而更好的设计和制造激光装置；掌握上述参数的变化还有助于评估激光近场和远场特性的动态变化，对激光模场进行控制和利用从而改善激光特性。
至今，多种模式分解技术被提出，主要包括空间光谱法、相关分析法、数值分析法和波前测量法等。
其中，空间光谱法是一种基于光纤中传输不同模式发生的光谱干涉来区分出光纤中不同模式比例的方法。该方法将宽光谱光束耦合到测试光纤，然后测量光纤输出端不同位置处的光谱，能够获取激光本征模的功率占比，但由于需要移动光纤探头采集全场光谱信息，因此无法实现快速测量。
相关分析法是一种采用光学滤波器实现模式分解的方法。该方法通过设置光学滤波器上透过率函数为测试光纤中本征模式电场分布的共轭，从而得到不同模式的占比，再对透过率函数处理可以得到各个模式的相位分布。但该方法所使用光学滤波器的制作复杂，且仅适用于特定光纤在特定光学系统下的输出光斑，通用性不高。
数值分析法仅需要激光近场的光强分布就可以实现模式分解，其装置简单，运算速度快，且对光源的时间相干性不敏感。但是该方法中包含迭代优化过程，易发生不收敛或陷入局部最优的情况，不适合处理模式数量比较多的复杂激光模场。此外，该方法对光强噪声较为敏感，分解精度受信噪比影响较大。
波前测量法通过测量光场复振幅，将其与本征模复振幅做模式正交运算来获得各本征模系数。相比于数值分析法通过近场光强实现模式分解，波前测量法通过获取近场复振幅解决数值分析法需要迭代运算，对光强噪声敏感等问题。2012年，Mathieu Paurisse等人(M.Paurisse,L.Lévèque,M.Hanna,et al.Complete measurement of fiber modalcontent by wavefront analysis[J].Optics Express,2012,20(4):4074-4084.)通过利用四波横向剪切干涉仪重构光场复振幅，配合精确的光斑中心定位技术同时获取了多模光纤中各本征模功率系数和模间相位差信息。四波剪切法对光源的时间相干性不敏感，适合宽光谱光源的波前测量。但是剪切法是通过测量波前梯度来恢复波前，其复振幅重构精度偏低。2017年，Meng Lyu等人(M.Lyu,Z.Lin,G.Li,et al.Fast modal decomposition foroptical fibers using digital holography[J].Scientific Reports,2017,7:6556.)实现了基于离轴全息技术重构了激光束复振幅的光纤模式分解技术，但该系统中的离轴像差会对实验结果造成较大的影响。而且为了高分辨获取光纤端面的复振幅信息，这两种方法的测量光路中都引入了多个成像透镜获得近场复振幅分布，增加系统装调难度同时会引入波前像差，使得激光模式分解的精度受到限制。本发明将采用一种计算成像同轴全息光纤模式分解方法，解决现有技术中存在的问题，实现激光模式的快速高精度分解。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种计算成像同轴全息光纤模式分解方法及装置，解决了现有基于波前测量法的模式分解装置需要透镜构成的成像系统的问题，避免因透镜的引入带来的波前像差和装调误差等问题，提高了激光模式分解的精度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种计算成像同轴全息光纤模式分解方法，包括以下步骤：
步骤1、使用光纤点衍射同轴全息装置获取参考光强度分布以及不同偏振方向下的光纤激光远场同步移相干涉图。
步骤2、对上述移相干涉图进行解调获得测试光纤激光在靶面位置(远场)的光强和相位分布，进而重构测试光纤激光在靶面位置的远场复振幅分布。
步骤3、根据计算成像理论，构建虚拟4f光路，将上述测试光纤激光在靶面位置的远场复振幅进行4f光路的虚拟传输，获取测试光纤端面虚拟共轭位置的复振幅分布，即测试光纤激光的近场复振幅分布。
步骤4、对测试光纤激光的近场复振幅分布进行模式分解，获取待测激光模场的组成。
所述光纤点衍射同轴全息装置包括激光器、光纤耦合器、光纤分光器、测试光纤、参考光纤、偏振合束器件、偏振移相组件和两个相同的可调衰减器；其中光纤耦合器设置在激光器的输出端，光纤耦合器通过单模光纤与光纤分光器输入端连接，光纤分光器有两个输出端，每个输出端分别通过单模光纤与一个可调衰减器连接，一个可调衰减器的输出端接有测试光纤，测试光纤输出测试光，另一个可调衰减器的输出端接有参考光纤，参考光纤输出参考光，测试光和参考光均入射至偏振合束器件，分别经偏振合束器件后形成偏振态互相正交的两束光，偏振态互相正交的两束光经偏振移相组件后形成四幅移相的干涉光强分布。
本发明与现有模式分解技术相比，其显著优点在于：
(1)采用光纤点衍射同轴全息干涉技术，参考光和测试光严格共光路，因此无需考虑离轴全息引起的离轴像差问题。此外，选用大数值孔径单模光纤作为参考光纤，能够产生高质量球面波。
(2)采用偏振同步移相法获取四幅移相干涉图，干涉图各像素点的相位解调过程互不相关、算法复杂度低、能实现快速的高精度复振幅重构。
(3)结合计算成像理论，构建虚拟4f光路用于代替实际光路，避免了实际光路中透镜的引入带来的波前像差和装调误差等问题，提高了激光模式分解的精度。通过设置4f光路中两透镜焦距可实现任意放大倍率的成像，避免了现有波前测量法模式分解中因高放大倍率采用长光程光路易引起的光斑抖动问题。此外，采用虚拟4f光路有效减小了实际装置的体积，增强了装置的实用性。
附图说明
图1为本发明所提出的一种计算成像同轴全息光纤模式分解方法的步骤流程示意图。
图2为本发明光纤点衍射同轴全息装置结构图。
图3为本发明基于计算成像理论构建的4f虚拟光路示意图。
图4为本发明实例中光纤点衍射同轴全息装置得到的参考光强度分布图和不同偏振方向下的光纤激光远场同步移相干涉图。
图5为本发明实例中解调移相干涉图获得的光强和相位分布图。
图6(a)为本发明实例中根据计算成像获得的测试光纤端面虚拟共轭位置处光强和相位分布图，图6(b)为本发明实例中模式分解重构光斑的光强和相位分布图，图6(c)为本发明实例中计算成像光斑和模式分解重构光斑的光强和相位差异结果图。
图7为本发明实例中模式分解获得的各本征模功率比和模间相位差结果图。
具体实施方式
本申请所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请所提出的计算成像同轴全息模式分解方法，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明进行进一步的详细描述。
结合图1，本发明所述的一种计算成像同轴全息光纤模式分解方法，采用基于偏振同步移相点衍射干涉法的同轴全息技术，在不引入离轴像差的前提下快速、高精度、高分辨的直接获取待测复振幅信息。结合计算成像理论，通过虚拟4f光路获取光纤端面复振幅分布，在保证了快速模式分解的前提下，有效抑制了实际光路引入带来的波前像差和装调误差等问题，提高了激光模式分解的精度。具体包括以下步骤：
步骤1、使用光纤点衍射同轴全息装置获取参考光强度分布以及不同偏振方向下的光纤激光远场同步移相干涉图，具体如下：
结合图2，所述的光纤点衍射同轴全息装置包括激光器1、光纤耦合器2、光纤分光器3、两个相同的可调衰减器4、测试光纤5、参考光纤6、偏振合束器件7、偏振移相组件8。可选地，所述参考光纤6为大数值孔径的单模光纤；偏振移相组件8沿光路依次由1/4波片9、微偏振阵列10、相机11构成；微偏振阵列10像元的透光轴方位角分别为0°、45°、90°、135°。
结合图2，所述光纤点衍射同轴全息装置光路如下：激光器1发射激光，激光经光纤耦合器2接入光纤分光器3中，并由光纤分光器3分为两路。光纤分光器3的一路光接有可调衰减器4，并连接参考光纤6输出，形成参考光；另一路接入第二个可调衰减器4，并连接测试光纤5，形成测试光。参考光和测试光经偏振合束器件7后汇合，形成偏振态互相正交的两束光，之后经过1/4波片9形成不同旋向的圆偏光，再通过微偏振阵列10后形成移相的干涉光强分布，并由相机11记录。其中，通过对可调衰减器4的调节可控制参考光和测试光的光强，实现干涉条纹对比度可调，从而获取高对比度的干涉光强分布。将测试光一路的可调衰减器4衰减调至最大，可完成对参考光强度分布的采集。
步骤2、对上述移相干涉图进行解调获得测试光纤激光在靶面位置(远场)的光强和相位分布，进而重构测试光纤激光在靶面位置的远场复振幅分布，具体如下：
对于步骤1中获得的移相干涉图可表示为：
其中，Ir(x，y)、It(x，y)分别为参考光和测试光的强度分布，
为去球面后的待测相位信息。Ik(x，y)为不同偏振方向下干涉图的光强分布，偏振片透光轴的方位角序数k＝1，2，3，4，k分别对应代表0°、45°、90°、135°透光轴方位角。定义A(x，y)＝Ir(x，y)+It(x，y)为干涉图背景。
根据四步移相算法解调得到相机靶面处去球面相位后的测试光相位分布
为：
干涉图背景分布A(x，y)为：
从而可得靶面处测试光的强度分布：
因此，相机靶面处的复振幅分布可表示为
其中，i为虚数单位。
步骤3、根据计算成像理论，构建虚拟4f光路，将上述测试光纤激光在靶面位置的远场复振幅进行4f光路的虚拟传输，获取测试光纤端面虚拟共轭位置的复振幅分布，即测试光纤激光的近场复振幅分布，具体如下：
本申请所提出的计算成像同轴全息光纤模式分解方法是根据计算成像理论来构建虚拟4f光路，将测试光纤直接出射的测试光复振幅进行4f光路的虚拟传输，获取测试光纤端面虚拟共轭位置(近场)的复振幅分布。
结合图2和图3，f1为测试光纤5的输出端面到相机11靶面的等效光程，在相机11靶面处设置焦距为f1的第一虚拟透镜101，在距离相机11靶面位置L处设置焦距为f2的第二虚拟透镜102，其中L＝f1+f2。由计算成像理论可以求得测试光纤端面虚拟共轭位置103处的复振幅分布
其中，
表示傅里叶逆变换，
表示傅里叶变换，FX、FY均为空间频率，G(FX，FY)为系统传递函数，表示为：
其中H[FX，FY，z]为角谱传递函数，z表示传播距离，在式中z为f2或(f1+f2)，λ表示波长，i为虚数单位。
步骤4、对测试光纤激光的近场复振幅分布进行模式分解，获取待测激光模场的组成，具体如下：
在上述步骤3得到光纤端面共轭位置的复振幅分布
后，采用模式分解算法获取待测激光模场的组成。可选地，本实施例中采用相关投影算法实现模式分解：将得到的光纤端面共轭位置的复振幅分布和光纤中各本征模式的复振幅进行相关运算，得到模式复系数cj，计算公式如下：
其中，
为测试光纤端面的虚拟共轭位置处复振幅分布，ELPj为光纤中各本征模式的复振幅，(x，y)表示坐标，cj为模式复系数，可表示为
其中ρj即各本征模功率比，
即各对应模式相位，j代表不同的模式序数。综上即可实现对待测激光模场组成的获取。
实施例1
采用He-Ne激光器1(工作波长632.8nm)作为光源，该光源由光纤耦合器2接入1×2光纤分光器3，光纤分光器3的两支臂分别连接两个相同的可调光纤衰减器4，再分别熔接测试光纤5和参考光纤6形成测试光和参测光。本实施例采用的测试光纤5为康宁公司生产的SMF-28e光纤(直径为8.2μm，数值孔径NA＝0.14)，经计算该光纤在632.8nm处存在10个线偏振模式。参考光纤6为Nufern公司生产的630-HP光纤，该光纤为632.8nm处的单模光纤。经过偏振合束器件7、1/4波片9和微偏振阵列10后，在相机11上形成同步移相的干涉图。然后由计算机处理干涉图数据，解调获得在相机靶面位置的测试光远场复振幅分布。之后根据计算成像理论实现复振幅在4f光路中的虚拟传输，获得测试光纤端面虚拟共轭位置的复振幅分布。最后由相关投影算法实现模式分解，得到各本征模功率比和模间相位差等信息。
图4给出了采用上述光纤点衍射同轴全息装置采集的参考光强度分布图以及参考光和测试光在0°、45°、90°、135°偏振方向下形成的同步移相干涉图。可以看出，由单模光纤(630-HP)作为参考光纤输出的参考光在远场的强度分布接近标准球面波的远场强度分布。图5给出了采用四步移相算法解调干涉图后获得测试光的光强和压包相位分布。可以看出，图5中压包相位分布不具有发散光束的相位分布特性，这是由于直接对测试光与接近标准球面波的参考光产生的移相干涉图进行解调获得的相位分布，因此该相位分布可以看作是测试光去球面后的相位分布。之后根据解调获得的测试光光强和相位信息即可重构出在相机靶面位置的测试光远场复振幅分布。
通过测量测试光纤端面到相机靶面等效光程为20.6mm，令构建的虚拟4f光路的第一虚拟透镜焦距f1＝20.6mm，取第二虚拟透镜焦距f2＝4000mm。将测试光远场复振幅分布进行4f光路虚拟传输后获取测试光纤端面的虚拟共轭位置处的复振幅分布，即获得测试光的近场复振幅分布。图6(a)给出了测试光的近场光强分布和压包相位分布。可以看出，经过4f光路虚拟传输后，测试光的光强和相位信息仍能清楚地保留。图7给出了将获得测试光的近场复振幅分布进行模式分解获得的本征模功率比和模间相位差信息。图6(b)给出了由模式分解获得的本征模功率比和模间相位差信息重构出的光强分布和相位分布。可以看出，模式分解重构结果与4f光路虚拟传输获得的测试光近场光强和相位分布有较高的相似度，通过计算重构光斑和传输获得的计算成像光斑的相关系数为0.9926，证明实施例结果具有很好的准确性。图6(c)给出了重构光斑和计算成像光斑的光强和相位差异。可以看出，重构光斑和传输获得的计算成像光斑的光强差异主要集中在强光强与弱光强之间的跃变区域；重构光斑和传输获得的计算成像光斑的相位分布基本相似，主要差异集中在边缘区域和相位跃变区域。综上可以看出，本发明所提供的一种计算成像同轴全息光纤模式分解方法具有很高的准确性。
此外，采用本发明所提供的一种计算成像同轴全息光纤模式分解方法对本实例中的300*300像素移相干涉图进行处理的过程(从四步移相算法解调到4f光路虚拟传输再到模式分解)耗时在0.2秒以内，所使用计算机显卡配置为GTX850M，CPU为i5-4200H，证明了本发明方法可以实现激光模式的快速分解。
Claims (8)
1.一种计算成像同轴全息的光纤模式分解方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、使用光纤点衍射同轴全息装置获取参考光强度分布以及不同偏振方向下的光纤激光远场同步移相干涉图；
步骤2、对上述移相干涉图进行解调获得测试光纤激光在靶面位置的光强和相位分布，进而重构测试光纤激光在靶面位置的远场复振幅分布；
步骤3、根据计算成像理论，构建虚拟4f光路，将上述测试光纤激光在靶面位置的远场复振幅进行4f光路的虚拟传输，获取测试光纤端面虚拟共轭位置的复振幅分布，即测试光纤激光的近场复振幅分布；
步骤4、对测试光纤激光的近场复振幅分布进行模式分解，获取待测激光模场的组成；
步骤1中的光纤点衍射同轴全息装置包括激光器(1)、光纤耦合器(2)、光纤分光器(3)、测试光纤(5)、参考光纤(6)、偏振合束器件(7)、偏振移相组件(8)和两个相同的可调衰减器(4)；其中光纤耦合器(2)设置在激光器(1)的输出端，光纤耦合器(2)通过单模光纤与光纤分光器(3)输入端连接，光纤分光器(3)有两个输出端，每个输出端分别通过单模光纤与一个可调衰减器(4)连接，一个可调衰减器(4)的输出端接有测试光纤(5)，测试光纤(5)输出测试光，另一个可调衰减器(4)的输出端接有参考光纤(6)，参考光纤(6)输出参考光，测试光和参考光均入射至偏振合束器件(7)，分别经偏振合束器件(7)后形成偏振态互相正交的两束光，偏振态互相正交的两束光经偏振移相组件(8)后形成四幅移相的干涉光强分布；
偏振移相组件(8)包括沿光路依次设置的1/4波片(9)、微偏振阵列(10)、相机(11)；经偏振合束器件(7)后形成偏振态互相正交的两束光，经过1/4波片(9)形成不同旋向的圆偏光，再通过微偏振阵列(10)后形成四幅移相的干涉光强分布，并由相机(11)记录。
2.根据权利要求1所述的计算成像同轴全息的光纤模式分解方法，其特征在于：微偏振阵列(10)像元的透光轴方位角共有四种，分别为0°、45°、90°、135°。
3.根据权利要求1所述的计算成像同轴全息的光纤模式分解方法，其特征在于：步骤2中对移相干涉图进行解调获得测试光纤激光在靶面位置的光强和相位分布，进而重构测试光纤激光在靶面位置的远场复振幅分布，具体如下：
其中，It(x,y)为测试光的光强分布，Ir(x,y)为参考光的光强分布，
为去球面相位后的测试光相位分布，Ik(x,y)为不同偏振方向下干涉图的光强分布，偏振片透光轴的方位角序数k＝1,2,3,4，k分别对应代表0°、45°、90°、135°透光轴方位角。
4.根据权利要求1所述的计算成像同轴全息的光纤模式分解方法，其特征在于：步骤3所述的虚拟4f光路中第一虚拟透镜位置设置于相机(11)靶面位置，即第一虚拟透镜焦距f1设置为测试光纤(5)输出端面到相机(11)靶面的等效光程，第二虚拟透镜焦距f2根据所需放大倍率进行设置。
5.根据权利要求1所述的计算成像同轴全息的光纤模式分解方法，其特征在于，步骤3中虚拟传输的计算公式如下：
其中，
为测试光纤(5)端面虚拟共轭位置的复振幅分布，
表示傅里叶逆变换，
表示傅里叶变换，
为相机(11)靶面位置的复振幅分布，G(FX,FY)为虚拟4f光路的传递函数；H[FX,FY,z]为角谱传递函数，FX、FY均为空间频率，z表示传播距离，在式中z为f2或(f1+f2)，f1表示第一虚拟透镜焦距，f2表示第二虚拟透镜焦距，λ表示波长，i为虚数单位。
6.根据权利要求1所述的计算成像同轴全息的光纤模式分解方法，其特征在于，步骤4中模式分解采用相关投影算法进行分解，将获得的测试光纤端面虚拟共轭位置的复振幅分布和光纤中各本征模式的复振幅进行相关运算，公式如下：
其中，cj为模式复系数，
为测试光纤(5)端面的虚拟共轭位置处复振幅分布，ELPj为光纤中各本征模式的复振幅；j代表不同的模式序数；
最终经解算cj获取待测激光模场的组成，即各本征模功率比和模间相位差。
7.一种光纤点衍射同轴全息装置，其特征在于：包括激光器(1)、光纤耦合器(2)、光纤分光器(3)、测试光纤(5)、参考光纤(6)、偏振合束器件(7)、偏振移相组件(8)和两个相同的可调衰减器(4)；其中光纤耦合器(2)设置在激光器(1)的输出端，光纤耦合器(2)通过单模光纤与光纤分光器(3)输入端连接，光纤分光器(3)有两个输出端，每个输出端分别通过单模光纤与一个可调衰减器(4)连接，一个可调衰减器(4)的输出端接有测试光纤(5)，测试光纤(5)输出测试光，另一个可调衰减器(4)的输出端接有参考光纤(6)，参考光纤(6)输出参考光，测试光和参考光均入射至偏振合束器件(7)，分别经偏振合束器件(7)后形成偏振态互相正交的两束光，偏振态互相正交的两束光经偏振移相组件(8)后形成四幅移相的干涉光强分布。
8.根据权利要求7所述的光纤点衍射同轴全息装置，其特征在于：偏振移相组件(8)包括沿光路依次设置的1/4波片(9)、微偏振阵列(10)、相机(11)；经偏振合束器件(7)后形成偏振态互相正交的两束光，经过1/4波片(9)形成不同旋向的圆偏光，再通过微偏振阵列(10)后形成四幅移相的干涉光强分布，并由相机(11)记录。
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| CN202110470002.7A CN113218517B (zh) | 2021-04-28 | 2021-04-28 | 一种计算成像同轴全息光纤模式分解方法及装置 |
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