[发明专利]一种计算成像同轴全息光纤模式分解方法及装置

说明书

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。

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