CN114448506B - 适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明具体公开了适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统，所述分析系统包括：光源、可调衰减盘、偏振分光组件、近场相机、空间光调制器、透镜、远场高速CCD/CMOS相机、计算机、实时处理模块；还公开适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的测量方法，包括高速CCD/CMOS相机采用开窗技术实时拍摄的光斑图像，进行实时的模式分析；及公开了一种相关计算全息图的生成方法，有利于提高模式分析速度、实现了模式成分的实时获取，可以帮助研究人员开展更精准的主动模式控制，进而实现模式不稳定效应的有效抑制的有益效果。

Description

适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统
技术领域
本发明涉及光纤激光器模式测量领域，特别涉及适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统。
背景技术
高功率光纤激光器在工业加工、基础科学、和国防领域有着广泛的应用，在高功率和强泵浦的条件下，热光效应会加剧横模之间的模式耦合，产生模式不稳定现象。模式不稳定现象使光纤激光的光束质量下降，释放的热量增加，输出功率滞涨，现有技术中优化光纤参数，采用不同线宽的种子光，优化泵浦方向和波长等方式，主要针对无源光学器件，无法改变引起模式不稳定效应的内在机制。为了对模式不稳定光束进行更为有效的控制，亟需一种可以高速测量光纤激光模式成分的方法，帮助分析模式不稳定现象发生时的模式耦合情况。目前，可以国内外研究人员针对光纤激光模式分析技术开展了大量的研究工作，现有的模式分析技术主要有空间光谱成像法、波前分析法、环形腔法、数值分析法等。
现有技术存在以下问题：
1)测试环境搭建复杂，效率不高；
2)不方便灵活切换不同的光纤激光器；
3)实时分析模式成分的能力不足。
发明内容
本发明针对上述存在的问题，提出了适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统。
本发明采用的技术方案是：
适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统，所述分析系统包括：
光源单元，用于插入待测光纤激光器或标准的基模高斯光束，输出光纤激光光束；
可调衰减盘，用于对光纤激光光束进行光强调整；
偏振分光组件，用于将光强调整后的光纤激光光束分成水平偏振光束和竖直偏振光束；
近场相机，用于观察经偏振分光组件分光后的水平偏振光束的近场光斑尺寸和形态；这里近场光斑是光纤激光光束实际光斑，远场光斑是光纤激光经空间光调制器调制后的衍射光束再经透镜傅里叶变换作用透镜后焦面上的光束。
空间光调制器，用于通过相关计算全息图对经偏振分光组件分光后的水平偏振光束进行调制；
透镜，用于对经过空间光调制器调制的衍射光束进行傅里叶变换；
远场高速CCD/CMOS相机，用于高速捕获透镜后焦面的+1级衍射光束的光斑图像；这里万帧级别的速度称为高速捕获，远场高速CCD/CMOS相机仅捕获透镜后焦面衍射光束中的+1级衍射光束；
计算机，用于下达开始工作的指令，以及收集和存储用户需求数据；
实时处理模块，用于实时接收和处理远场高速CCD/CMOS相机传递过来的光斑图像；
所述光纤激光光束经过所述可调衰减盘进行光强调整，调整后的光纤激光光束经过所述偏振分光组件后，分为水平偏振光束和竖直偏振光束，所述水平偏振光束分两路，一路射入所述近场相机，另一路射入所述空间光调制器调整为衍射光，所述衍射光束再次通过偏振分光组件后射入透镜，所述远场高速CCD/CMOS相机在所述透镜的后焦面捕获+1级衍射光束的光斑图像；
所述计算机与所述近场相机、空间光调制器、远场高速CCD/CMOS相机、实时处理模块相连；
所述实时处理模块与远场高速CCD/CMOS相机连接。
进一步地，所述偏振分光系统包括沿光路依次放置的偏振分光棱镜和非偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜接收经过可调衰减盘调整后的光纤激光光束，由偏振分光棱镜分光后的水平偏振光束射入非偏振分光棱镜，由非偏振分光棱镜分光后的光束一路射入近场相机，另一路射入空间光调制器，由空间光调制器调制的衍射光束通过非偏振分光棱镜射入透镜。
进一步地，适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据待测光纤激光器的工作波长和输出光纤的型号生成相关计算全息图，所述相关计算全息图加载到所述空间光调制器上，所述空间光调制器工作方向与所述偏振分光组件的水平偏振方向设置一致；
步骤S2：校准和标定适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统；
步骤S3：将待测光纤激光器插入到光源单元；
步骤S4：所述远场高速CCD/CMOS相机采用开窗技术实时拍摄的光斑图像；
步骤S5：将步骤S4获得的光斑图像通过所述实时处理模块进行实时的模式分析；
步骤S6：对步骤S5中模式分析的数据选择性保存或者将选定数据传递给其它光束控制器。
进一步地，所述步骤S1中的相关计算全息图的生成步骤包括：
步骤S11:选择匹配待测光纤激光器的工作波长和输出光纤型号，计算归一化截止频率V值，这里其中，a是光纤的纤芯半径，/>是光纤的数值孔径，这里，n1是纤芯折射率，n2是包层折射率，根据V值求出其对应的待测光纤激光光束包含的模式数量/>根据待测光纤激光产生的光场计算其支持传输的模式的本征模ψl,l＝1...N，本征模的复共轭为/>
步骤S12:设置需测量的模式数量N，根据需测量的模式数量在远场高速CCD/CMOS相机靶面上采用角分复用的方式，通过空间角谱设计设置模式含量以及相位的检测位置(x,y)l横向一维排布；
步骤S13:将设定好的检测位置处的靶面坐标转化为载波频率(Kx＝x/(λf),Ky＝y/(λf))l，其中，λ是待测光纤激光器的工作波长，f是透镜的焦距，然后将载波频率依次叠加在对应模式本征模的复共轭的相位因子上，生成模式含量检测透过率函数、模式相位检测透过率函数、一维分布总透过率函数；
步骤S14:将上述所有包含叠加了载波频率的各个模式本征模复共轭的一维分布总透过率函数编码在一张计算全息图上，生成相关计算全息图。
进一步地，所述步骤S13的具体计算公式为：将各个模式本征模的复共轭与其对应在远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量及相位检测位置(x,y)l转化的载波频率(Kx＝x/(λf),Ky＝y/(λf))l相乘，得到角分复用的一维分布总透过率函数：
或者
其中，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标，是用于测量模式含量的透过率函数，(Kl,x,Kl,y)是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量检测位置转化来的载波频率；/>和/>是用于测量模式相位的透过率函数，/>和/>是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式相位检测位置转化来的载波频率，Treal(ξ,η)＝1，Areal∈(0,1)，/>是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上远场实际光斑检测位置转化来的载波频率。将上述一维分布总透过率函数编码为相关计算全息图，加载到空间光调制器上。
进一步地，所述步骤S2中校准和标定适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的步骤包括：
步骤S21：在光源单元插入标准的基模高斯光束；
步骤S22：通过近场相机可以观察射入的水平偏振光束的近场光斑的尺寸和形态；
步骤S23：设置偏振分光系统后的光束水平偏振方向与空间光调制器的工作偏振方向一致；
步骤S24：调整光路使经空间光调制器调制的衍射光经偏振分光组件射入透镜后，透镜后焦面处的远场高速CCD/CMOS相机捕获+1级衍射光的光斑图像形态均匀清晰，亮度合适，开窗范围(p*q)由射入远场高速CCD/CMOS相机的光斑数量和大小决定，窗口需要囊括下所有+1级衍射光斑，其中p为水平方向最大像素值，q为竖直方向最大像素值。
进一步地，所述步骤S5的实时处理模块进行实时的模式分析的步骤包括：
步骤S51：实时接收远场高速CCD/CMOS相机拍摄的光斑图像；
步骤S52：实时处理模块中的FPGA针对传入的每一帧光斑图像进行单个光斑的自动质心提取运算，获取质心处的像素灰度值；
步骤S53：根据步骤S52各个光斑质心处的像素灰度值实时解算模式含量和相位。
进一步地，所述步骤S52中的质心提取运算过程如下：
对采集的单帧图像进行阈值分割，(i,j)l像素位置处的灰度值为g(i,j)l，则质
心像素位置(x,y)l-center为：
其中，i为水平方向像素位置，j为竖直方向像素位置，p为水平方向最大像素值，q为竖直方向最大像素值。
进一步地，所述步骤S53运算过程包括：
对模式含量检测光斑质心像素(x,y)l-center处的灰度值g(x,y)l-center进行归一化处理，得到各个光纤激光模式的模式含量ρl-center：
其中，N表示待测模式数量。
待测光纤激光光束经过上述步骤S13设计的模式相位检测透过率函数，其对应远场的模式相位检测光斑质心像素处的灰度值可以表示为：
当l＞1时，各个模式与参考点LP01模之间的相对相位为：
其中，g(x,y)l-center是基模模式含量检测光斑质心像素处灰度值，g(x,y)l-center是除了基模外其他模式的模式含量检测光斑质心像素处灰度值，和/>是模式相位检测光斑质心像素处灰度值。
进一步地，所述步骤S6包括：
步骤S61：设定需要的时间间隔，选择帧的图片以及相应的光纤激光模式分析结果上传至计算机；
步骤S62：计算得到的光纤激光模式分析结果在实时处理模块中的FPGA中进行光场重构计算，计算出测量光场与重构光场之间的一致性；
步骤S63：选择输出选择帧重构光场图像和一致性评价结果至计算机；
步骤S64：计算机通过硬件连接的方式传递给其他光束控制器件中，对光纤激光模式控制、相位校正、像差校正。
一种相关计算全息图的生成方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：选择匹配待测光纤激光器的工作波长和输出光纤型号，计算归一化截止频率V值，这里其中，a是光纤的纤芯半径，/>是光纤的数值孔径，这里，n1是纤芯折射率，n2是包层折射率，根据V值求出其对应的待测光纤激光光束包含的模式数量/>，根据待测光纤激光产生的光场计算其支持传输的模式的本征模ψl,l＝1...N，本征模的复共轭为/>
步骤二:设置需测量的模式数量N，根据需测量的模式数量在远场高速CCD/CMOS相机靶面上采用角分复用的方式，即通过空间角谱设计设置模式含量以及相位的检测位置(x,y)l横向一维排布；
步骤三:将设定好的模式检测位置处的靶面坐标转化为载波频率(Kx＝x/(λf),Ky＝y/(λf))l，其中，λ是待测光纤激光器的工作波长，f是透镜的焦距。然后将载频依次叠加在对应模式本征模的复共轭相位因子上，生成模式含量检测透过率函数、模式相位检测透过率函数，则，一维分布总透过率函数计算如下：
其中，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标，是用于测量模式含量的透过率函数，(Kl,x,Kl,y)是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量检测位置转化来的载波频率；/>和/>是用于测量模式相位的透过率函数，/>和/>是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式相位检测位置转化来的载波频率；
步骤四:将上述所有包含叠加了载波频率的各个模式本征模复共轭的一维分布总透过率函数编码在一张计算全息图上，生成相关计算全息图。
进一步，所述步骤三中的一维分布总透过率函数，还包括用于反映远场变化的透过率函数Areal·Treal(ξ,η)，这时，一维分布总透过率函数表示为：
其中Treal(ξ,η)＝1，Areal∈(0,1)用于对远场光强进行调整，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标，是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上远场实际光斑检测位置转化来的载波频率。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
(1)测量方法简单，只需要将待测光纤激光器插入光源单元就可以开始测试，光路一次调整标定后可以进行多次不同的测试；
(2)可以根据待测光纤激光器的工作波长、光纤参数自动设计生成相关计算全息图；采用角分复用的方式，通过空间空间角谱设计实现模式含量测量光斑和模式相位测量光斑的一维空间分布，极大地提高模式分析速度，为实时调整光纤参数提供方便；并且通过更换全息图，可以实现在线灵活切换测量多种高阶模式；
(3)使用远场高速CCD/CMOS相机，在保证所有检测光斑可以捕获到的情况下，通过开窗技术缩小数据采集范围，进一步提高图像拍摄帧频；
(4)实时处理模块的FPGA实现单帧图像内各个光斑质心的自动识别和提取质心处光强灰度值用于光纤激光模式分析，充分利用长流水线和并行计算的优势，在图像输入过程中一边接收，一边计算，输出延时极小，不仅可以提高系统的测量准确性，还可以减小由于系统中可能存在的光源或者光路不稳定导致的测量误差；
(5)本发明还适用于研究高功率光纤激光器在达到模式不稳定阈值时的横模间耦合变化，为进一步实现模式不稳定光束的主动模式控制提供可能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的光路图；
图2为本发明适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法工作流程图；
图3为本发明实例中使用基模高斯光束校准和标定完成的远场+1级衍射光斑图；
图4为本发明实例中用于模式分析的远场+1级衍射光斑图；
图5为本发明实例中模式分析结果，即模式含量和相位结果图；
图6为本发明实例中实际近场和重构近场对比图；
图7为本发明实例中实际远场和重构远场对比图。
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。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1～6所示
适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统，所述分析系统包括：
光源单元，用于插入待测光纤激光器或标准的基模高斯光束，输出光纤激光光束；
可调衰减盘，用于对光纤激光光束进行光强调整；
偏振分光组件，用于将光强调整后的光纤激光光束分成水平偏振光束和竖直偏振光束；
近场相机，用于观察经偏振分光组件分光后的水平偏振光束的近场光斑的尺寸和形态；
空间光调制器，用于通过相关计算全息图对经偏振分光组件分光后的水平偏振光束进行调制；
透镜，用于对经过空间光调制器调制的衍射光束进行傅里叶变换；
远场高速CCD/CMOS相机，用于高速捕获透镜后焦面的+1级衍射光束的光斑图像；
计算机，用于下达开始工作的指令，以及收集和存储用户需求数据；
实时处理模块，用于实时接收和处理远场高速CCD/CMOS相机传递过来的光斑图像；
所述光纤激光光束经过所述可调衰减盘进行光强调整，调整后的光纤激光光束经过所述偏振分光组件后，分为水平偏振光束和竖直偏振光束，所述水平偏振光束分两路，一路射入所述近场相机，另一路射入所述空间光调制器调整为衍射光束射出，所述衍射光束再次通过偏振分光组件的非偏振分光棱镜射入透镜，所述远场高速CCD/CMOS相机在所述透镜的后焦面捕获+1级衍射光束的光斑图像；
所述计算机与所述近场相机、空间光调制器、远场高速CCD/CMOS相机、实时处理模块相连；
所述实时处理模块与远场高速CCD/CMOS相机连接。
优选地，所述偏振分光系统包括沿光路依次放置的偏振分光棱镜和非偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜接收经过可调衰减盘调整后的光纤激光光束，由偏振分光棱镜分光后的水平偏振光束射入非偏振分光棱镜，由非偏振分光棱镜分光后的光束一路射入近场相机，另一路射入空间光调制器，由空间光调制器调制的衍射光束再次通过非偏振分光棱镜射入透镜。
优选地，适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据待测光纤激光器的工作波长和输出光纤的型号生成相关计算全息图，所述相关计算全息图加载到所述空间光调制器上，所述空间光调制器工作方向与所述偏振分光组件的水平偏振方向设置一致；
步骤S2：校准和标定适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统；
步骤S3：将待测光纤激光器插入到光源单元；
步骤S4：所述远场高速CCD/CMOS相机采用开窗技术实时拍摄的光斑图像；
步骤S5：将步骤S4获得的光斑图像通过所述实时处理模块进行实时的模式分析；
步骤S6：对步骤S5中模式分析的数据选择性保存或者将选定数据传递给其它光束控制器，实现模式不稳定光束的主动模式控制。
优选地，所述步骤S1中的相关计算全息图的生成步骤包括：
步骤S11:选择匹配待测光纤激光器的工作波长和输出光纤型号，计算归一化截止频率V值，这里其中，a是光纤的纤芯半径，/>是光纤的数值孔径，这里，n1是纤芯折射率，n2是包层折射率，根据V值求出其对应的待测光纤激光光束包含的模式数量/>，根据待测光纤激光产生的光场计算其支持传输的模式的本征模ψl,l＝1...N，本征模的复共轭为/>
步骤S12:设置需测量的模式数量N，根据需测量的模式数量在远场高速CCD/CMOS相机靶面上采用角分复用，通过空间角谱设计设置模式含量以及相位的检测位置(x,y)l横向一维排布；
步骤S13:将设定好的检测位置处的靶面坐标转化为载波频率(Kx＝x/(λf),Ky＝y/(λf))l，其中，λ是待测光纤激光器的工作波长，f是透镜的焦距，然后将载波频率依次叠加在对应模式本征模的复共轭的相位因子上，生成模式含量检测透过率函数、模式相位检测透过率函数、一维分布总透过率函数；
步骤S14:将上述所有包含叠加了载波频率的各个模式本征模的复共轭的一维分布总透过率函数编码在一张计算全息图上，生成相关计算全息图，并将相关计算全息图加载到空间光调制器上。具体过程如下：
(1)计算待测光纤激光器输出光束所支持的本征模ψl,l＝1...N；
(2)计算各个模式本征模的复共轭
(3)根据空间角谱设计，将各个模式本征模的复共轭与其对应在远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量及相位检测位置(x,y)l转化的载波频率(Kx＝x/(λf),Ky＝y/(λf))l相乘，得到角分复用的一维分布总透过率函数：
或者
其中，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标，是用于测量模式含量的透过率函数，(Kl,x,Kl,y)是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量检测位置转化来的载波频率；/>和/>是用于测量模式相位的透过率函数，/>和/>是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式相位检测位置转化来的载波频率，Treal(ξ,η)＝1，Areal∈(0,1)，/>是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上远场实际光斑检测位置转化来的载波频率；
(4)将上述总透过率函数编码为相关计算全息图，并加载到空间光调制器上。
采用空间角谱设计，使透过率函数一维排布，进而待测光纤激光照射到含有透过率函数的相关计算全息图空间光调制器上会被衍射，远场对应的模式含量检测光斑，模式相位检测光斑也会一维排布，远场高速CMOS/CCD相机拍摄光斑时仅需进行一次行采样，大大提高了相机的拍摄帧率。
优选地，所述步骤S2中校准和标定适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的步骤包括：
步骤S21：在光源单元插入标准的基模高斯光束；
步骤S22：通过近场相机可以观察射入的水平偏振光束的近场光斑的尺寸和形态；
步骤S23：设置偏振分光系统后的光束水平偏振方向与空间光调制器的工作偏振方向一致；
步骤S24：调整光路，也就是调整分析系统的单元模块使经空间光调制器调制的衍射光经透镜后焦面处的远场高速CCD/CMOS相机捕获衍射光斑图像形态均匀清晰，亮度合适，开窗范围(p*q)由射入远场高速CCD/CMOS相机的光斑数量和大小决定，窗口需要囊括下所有+1级衍射光斑，其中p为水平方向最大像素值，q为竖直方向最大像素值。
优选地，所述步骤S5的实时处理模块进行实时的模式分析的步骤包括：
步骤S51：实时接收拍摄光斑图像传入到实时处理模块；
步骤S52：实时处理模块中的FPGA针对传入的每一帧图像进行单个光斑的自动质心提取运算，获取质心处的像素灰度值；
质心提取的过程为：假设在对采集的单帧图像进行阈值分割后，(i,j)l像素位
置的像素灰度值为g(i,j)l，则质心像素位置(x,y)l-center为：
其中，i为水平方向像素位置，j为竖直方向像素位置，p为水平方向最大像素值，q为竖直方向最大像素值；
步骤S53：根据各个光斑质心处的灰度值实时解算模式含量和相位。具体过程如下：
(5)首先针对模式含量检测光斑质心像素(x,y)l-center处的灰度值g(x,y)l-center进行归一化处理，即可得到各个光纤激光模式的模式含量ρl-center：
待测光纤激光光束经过上述步骤S13中设计的模式相位检测透过率函数，其对应远场的模式相位检测光斑质心像素处的灰度值可以表示为：
(6)当l＞1时，各个模式与参考点LP01模之间的相对相位可以求出：
其中，g(x,y)1-center是基模模式含量检测光斑质心像素处灰度值，g(x,y)l-center是除了基模外其他模式的模式含量检测光斑质心像素处灰度值，和/>是模式相位检测光斑质心像素处灰度值。
优选地，所述步骤S6包括：
步骤S61：设定需要的时间间隔，将特定帧的图片以及相应的光纤激光模式分析结果上传至计算机；
步骤S62：计算得到的光纤激光模式分析结果在实时处理模块中的FPGA中进行光场重构计算，计算出测量光场与重构光场之间的一致性；
计算公式如下：
其中，gj(x,y)代表近场或者远场光强灰度值，代表近场或者远场光强灰度的平均值；j＝Rec,Mea分别代表重构和测量。
步骤S63：选择输出特定帧重构光场图像和一致性评价结果至计算机；
步骤S64：计算机通过硬件连接的方式传递给其他光束控制器件中，可用于光纤激光模式控制、相位校正、像差校正等控制。
一种相关计算全息图的生成方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：选择匹配待测光纤激光器的工作波长和输出光纤型号，计算归一化截止频率V值，这里其中，a是光纤的纤芯半径，/>是光纤的数值孔径，这里，n1是纤芯折射率，n2是包层折射率，根据V值求出其对应的待测光纤激光光束包含的模式数量/>，根据待测光纤激光产生的光场计算其支持传输的模式的本征模ψl,l＝1...N，本征模的复共轭为ψl *,l＝1...N；
步骤二:设置需测量的模式数量N，根据需测量的模式数量在远场高速CCD/CMOS相机靶面上采用角分复用的方式，通过空间角谱设计设置模式含量以及相位的检测位置(x,y)l横向一维排布；
步骤三:将设定好的模式检测位置处的靶面坐标转化为载波频率(Kx＝x/(λf),Ky＝y/(λf))l，其中，λ是待测光纤激光器的工作波长，f是透镜的焦距。然后将载频依次叠加在对应模式本征模的复共轭相位因子上，生成模式含量检测透过率函数、模式相位检测透过率函数；则，一维分布总透过率函数计算如下：
其中，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标，是用于测量模式含量的透过率函数，(Kl,x,Kl,y)是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量检测位置转化来的载波频率；/>和/>是用于测量模式相位的透过率函数，/>和/>是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式相位检测位置转化来的载波频率；
步骤四:将上述所有包含叠加了载波频率的各个模式本征模复共轭的一维分布总透过率函数编码在一张计算全息图上，生成相关计算全息图。
优选地，所述步骤三中的一维分布总透过率函数，还包括用于反映远场变化的透过率函数Areal·Treal(ξ,η)，这时，一维分布总透过率函数表示为：
其中Treal(ξ,η)＝1，Areal∈(0,1)，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标，是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上远场实际光斑检测位置转化来的载波频率。
实施例1：
以待测光源为1064nm波长的光纤激光器为例，当输出光纤的纤芯直径为25um,包层直径为250um，数值孔径为0.065时，该光纤激光光束在传输时包含6种简并模式，分别为LP01、LP02、LP11,e、LP11,o、LP21,e、LP21,o。在计算机软件上选择待测光源的工作波长和光纤型号信息，软件自动计算该6种光纤模式的本征模ψl，l＝1...6，并求出6种本征模的共轭
通过特定的空间角谱设计，自动生成一张用于该光纤激光器进行模式分析的相关计算全息图，用于加载到空间光调制器上。方式一，选择相关计算全息图包含16个角分复用的一维分布的透过率函数，其中有6个模式含量测量透过率函数和10个模式相位测量透过率函数，LP01的相位作为参考相位设为0，除了LP01模式外，其他模式各需要两个透过率函数用于测量模式相位。
此时，总透过率函数TTotal可以表示为:
方式二，选择可以选择在不增加相机的情况下，在方式一基础上通过在总透过率中增加了一个用于反映远场变化的透过率函数Areal·Treal(ξ,η)，其中Treal(ξ,η)＝1，Areal∈(0,1)可以对远场光强进行调节。该透过率函数的设置是为了观察远场光斑的实时形态，并便于后续和重构远场光斑进行对比。
此时，一维分布总透过率函数TTotal可以表示为:
光纤激光器输出光束的大小可以通过其与其输出光纤接口匹配的准直器的焦距来调节，本实施例中激光器输出接入焦距为30mm的准直器，射入高速光纤激光模式分析系统中的近场光斑大小约为5mm，经过空间光调制器(分辨率1920*1152，像素大小9.2μm)的衍射，焦距为200mm透镜后远场高速CMOS相机上+1级单个衍射光斑的尺寸约为160μm-200μm。
以下基于方式二获得的结果，包含17个用于模式分析的远场+1级衍射光斑图，其中使用基模高斯光束对高速光纤激光模式分析系统校准和标定完成后远场+1级衍射光斑如图3所示，各个检测光斑光斑图像形态均匀清晰，亮度合适；远场相机包含下所有测量光斑所需要的开窗范围是9mm*500μm，选取的远场高速CMOS相机的像素大小为10μm，开窗后分辨率大小为900*50，拍摄帧频可以实现40000fps，将图像传递给实时处理模块的FPGA后，由FPGA采用并行流水线的方式处理图像数据，模式成分分析的速度可以实现40000fps，光场重构和相关度的计算速度可以实现20000fps，可以根据需求选择输出特定帧或者特定时间间隔的光斑图像，模式分析结果，测量和重构的一致性分析指标，重构光斑图像等。
某一时刻该中心波长为1064nm的光纤激光器通过输出光纤(纤芯直径为25um,包层直径为250um，数值孔径为0.065)出射的光纤激光接入高速光激光模式分析系统后远场+1级衍射光斑如图4所示。根据衍射光斑图中各个检测光斑质心像素处光强灰度值进行相关计算，得到6种模式成分的分析结果如图5所示，其中各个模式的含量分别为：18.23％，14.92％，9.73％，17.45％，21.25％，18.42％；模式相位分别为0,0.93π,-0.58π,0.45π,-0.51π,0.69π。实际近场和重构近场对比图如图6所示，近场相关系数为99.34％；实际远场和重构远场对比图如图7所示，远场相关系数为99.51％。近/远场相关系数的数值说明本高速光纤激光分析系统具有准确性和可靠性，实现针对不同工作波长，不同输出光纤型号的光纤激光器实现高达40000fps的光斑图像快速获取，实时计算模式含量和相位信息，实现模式成分的高速分析检测。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统，其特征在于，所述分析系统包括：
光源单元，用于插入待测光纤激光器或标准的基模高斯光束，输出光纤激光光束；
可调衰减盘，用于对光纤激光光束进行光强调整；
偏振分光组件，用于将光强调整后的光纤激光光束分成水平偏振光束和竖直偏振光束；
近场相机，用于观察经偏振分光组件分光后的水平偏振光束的近场光斑尺寸和形态；
空间光调制器，用于通过相关计算全息图对经偏振分光组件分光后的水平偏振光束进行调制；
透镜，用于对经过空间光调制器调制的衍射光束进行傅里叶变换；
远场高速CCD/CMOS相机，用于高速捕获透镜后焦面的+1级衍射光束的光斑图像；
计算机，用于下达开始工作的指令，以及收集和存储用户需求数据；
实时处理模块，用于实时接收和处理远场高速CCD/CMOS相机传递过来的光斑图像；
所述光纤激光光束经过所述可调衰减盘进行光强调整，调整后的光纤激光光束经过所述偏振分光组件后，分为水平偏振光束和竖直偏振光束，所述水平偏振光束分两路，一路射入所述近场相机，另一路射入所述空间光调制器调整为衍射光束，所述衍射光束再次通过偏振分光组件后射入透镜，所述远场高速CCD/CMOS相机在所述透镜的后焦面处捕获+1级衍射光束的光斑图像；
所述计算机与所述近场相机、空间光调制器、远场高速CCD/CMOS相机、实时处理模块相连；
所述实时处理模块与远场高速CCD/CMOS相机连接。
2.根据权利要求1所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统，其特征在于，所述偏振分光组件包括沿光路依次放置的偏振分光棱镜和非偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜接收经过可调衰减盘调整后的光纤激光光束，由偏振分光棱镜分光后的水平偏振光束射入非偏振分光棱镜，由非偏振分光棱镜分光后的光束一路射入近场相机，另一路射入空间光调制器，由空间光调制器调制的衍射光束通过非偏振分光棱镜射入透镜。
3.根据权利要求1所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据待测光纤激光器的工作波长和输出光纤的型号生成相关计算全息图，所述相关计算全息图加载到所述空间光调制器上，所述空间光调制器工作方向与所述偏振分光组件的水平偏振方向设置一致；
步骤S2：校准和标定适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统；
步骤S3：将待测光纤激光器插入到光源单元；
步骤S4：所述远场高速CCD/CMOS相机采用开窗技术实时拍摄光斑图像；
步骤S5：将步骤S4获得的光斑图像通过所述实时处理模块进行实时的模式分析；
步骤S6：对步骤S5中模式分析的数据选择性保存或者将选定数据传递给其它光束控制器。
4.根据权利要求3所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S1中的相关计算全息图的生成步骤包括：
步骤S11:选择匹配待测光纤激光器的工作波长和输出光纤型号，计算归一化截止频率V值，这里其中，a是光纤的纤芯半径，/>是光纤的数值孔径，这里，n1是纤芯折射率，n2是包层折射率，根据V值求出其对应的待测光纤激光光束包含的模式数量/>根据待测光纤激光产生的光场计算其支持传输的模式的本征模ψl,l＝1...N，本征模的复共轭为/>
步骤S12:设置需测量的模式数量N，根据需测量的模式数量在远场高速CCD/CMOS相机靶面上采用角分复用的方式，通过空间角谱设计设置模式含量以及相位的检测位置(x,y)l横向一维排布；
步骤S13:将设定好的检测位置处的靶面坐标转化为载波频率(Kx＝x/(λf),Ky＝y/(λf))l，其中，λ是待测光纤激光器的工作波长，f是透镜的焦距，然后将载波频率依次叠加在对应模式本征模的复共轭的相位因子上，生成模式含量检测透过率函数、模式相位检测透过率函数、一维分布总透过率函数；
步骤S14:将上述所有包含叠加了载波频率的各个模式本征模的复共轭的一维分布总透过率函数编码在一张计算全息图上，生成相关计算全息图。
5.根据权利要求4所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S13的具体计算公式为：将各个模式本征模的复共轭与其对应在远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量及相位检测位置(x,y)l转化的载波频率(Kx＝x/(λf),Ky＝y/(λf))l相乘，得到角分复用的一维分布总透过率函数：
或者
其中，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标，是用于测量模式含量的透过率函数，(Kl,x,Kl,y)是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量检测位置转化来的载波频率；和/>是用于测量模式相位的透过率函数，/>和/>是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式相位检测位置转化来的载波频率，Treal(ξ,η)＝1，Areal∈(0,1)，/>是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上远场实际光斑检测位置转化来的载波频率。
6.根据权利要求3所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S2中校准和标定适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的步骤包括：
步骤S21：在光源单元插入标准的基模高斯光束；
步骤S22：通过近场相机可以观察射入的水平偏振光束的近场光斑的尺寸和形态；
步骤S23：设置偏振分光系统后的光束水平偏振方向与空间光调制器的工作偏振方向一致；
步骤S24：调整光路使经空间光调制器调制的衍射光经偏振分光组件射入透镜后，透镜后焦面处的远场高速CCD/CMOS相机捕获+1级衍射光的光斑图像形态均匀清晰，亮度合适，开窗范围(p*q)由射入远场高速CCD/CMOS相机的光斑数量和大小决定，窗口需要囊括下所有+1级衍射光斑，其中p为水平方向最大像素值，q为竖直方向最大像素值。
7.根据权利要求3所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S5的实时处理模块进行实时的模式分析的步骤包括：
步骤S51：实时接收远场高速CCD/CMOS相机拍摄的光斑图像；
步骤S52：实时处理模块中的FPGA针对传入的每一帧光斑图像进行单个光斑的自动质心提取运算，获取质心处的像素灰度值；
步骤S53：根据步骤S52各个光斑质心处的像素灰度值实时解算模式含量和相位。
8.根据权利要求3所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S6包括：
步骤S61：设定需要的时间间隔，选择帧的图片以及相应的光纤激光模式分析结果上传至计算机；
步骤S62：计算得到的光纤激光模式分析结果在实时处理模块中的FPGA中进行光场重构计算，计算出测量光场与重构光场之间的一致性；
步骤S63：选择输出选择帧重构光场图像和一致性评价结果至计算机；
步骤S64：计算机通过硬件连接的方式传递给其它光束控制器件中，对光纤激光模式控制、相位校正、像差校正。
9.一种相关计算全息图的生成方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：选择匹配待测光纤激光器的工作波长和输出光纤型号，计算归一化截止频率V值，这里其中，a是光纤的纤芯半径，/>是光纤的数值孔径，这里，n1是纤芯折射率，n2是包层折射率，根据V值求出其对应的待测光纤激光光束包含的模式数量根据待测光纤激光产生的光场计算其支持传输的模式的本征模ψl,l＝1...N，本征模的复共轭为/>
步骤二:设置需测量的模式数量N，根据需测量的模式数量在远场高速CCD/CMOS相机靶面上采用角分复用的方式，通过空间角谱设计设置模式含量以及相位的检测位置(x,y)l横向一维排布；
步骤三:将设定好的模式检测位置处的靶面坐标转化为载波频率(Kx＝x/(λf),Ky＝y/(λf))l，其中，λ是待测光纤激光器的工作波长，f是透镜的焦距；然后将载频依次叠加在对应模式本征模的复共轭相位因子上，生成模式含量检测透过率函数、模式相位检测透过率函数；则，一维分布总透过率函数计算如下：
其中，N是需测量的模式数量，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标，是用于测量模式含量的透过率函数，(Kl,x,Kl,y)是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量检测位置转化来的载波频率；/>和/>是用于测量模式相位的透过率函数，/>和/>是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式相位检测位置转化来的载波频率；
步骤四:将上述所有包含叠加了载波频率的各个模式本征模复共轭的一维分布总透过率函数编码在一张计算全息图上，生成相关计算全息图。
10.根据权利要求9所述的一种相关计算全息图的生成方法，其特征在于，所述步骤三中的一维分布总透过率函数，还包括用于反映远场变化的透过率函数Areal·Treal(ξ,η)，这时，一维分布总透过率函数表示为：
其中Treal(ξ,η)＝1，Areal∈(0,1)，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标，是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上远场实际光斑检测位置转化来的载波频率。
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