本發(fā)明涉及時空鎖模脈沖光纖激光器和多模非線性光纖光學(xué)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于單色數(shù)值模式分解的時空光場動態(tài)重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

1、時空鎖模光纖激光器擁有更大的模場面積和額外的空間自由度，有望實(shí)現(xiàn)更高性能的超快激光輸出，但同時也面臨空間模式分布和輸出光束質(zhì)量不可控的難題。對于多模非線線性過程，測量系統(tǒng)相關(guān)的挑戰(zhàn)是如何有效獲得充分表征寬帶且高度多模光束的所有信息，有效的測量系統(tǒng)需要將測量時間、實(shí)驗(yàn)成本和復(fù)雜度最小化，同時必須有利于理論分析跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確比較，以便優(yōu)化和控制激光輸出性能。目前常用的單模光纖掃描或取樣法，可以方便地進(jìn)行定性分析，但無法直接跟理論進(jìn)行對比?；诠庾訜艋\或多通道光束控制的空間模式復(fù)用無源器件，只能實(shí)現(xiàn)少量模式的物理分解，不適用于多模式光場。利用全息波長掃描的全場測量方法可以針對波長進(jìn)行模式分解，雖然裝置較簡單，但是耗時很長，無法實(shí)現(xiàn)時空光場的動態(tài)重構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于單色數(shù)值模式分解的時空光場動態(tài)重構(gòu)方法，通過可編程數(shù)字微鏡器件、柱透鏡和透射式衍射光柵構(gòu)成準(zhǔn)4-f系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)光濾波器，依次打開光譜帶實(shí)現(xiàn)波長掃描并利用高速相機(jī)記錄對應(yīng)空間分布，可以獲得空間-光譜強(qiáng)度信息，對采集的光譜-空間分布數(shù)據(jù)用非迭代算法進(jìn)行模式分解，可實(shí)時恢復(fù)光場的振幅和相位，再對光譜-空間分布進(jìn)行頻域到時域的傅里葉變換，得到時空結(jié)構(gòu)信息，可將重構(gòu)時間可縮短為1?ms量級，能夠加深對三維時空鎖模脈沖的模式選擇及其時空特性調(diào)控機(jī)理的理解，并為自適應(yīng)控制時空鎖模光纖激光器的設(shè)計(jì)優(yōu)化和模式控制提供一種有效的方案。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于單色數(shù)值模式分解的時空光場動態(tài)重構(gòu)方法，包括以下步驟：

3、s1：建立分析平臺，包括依次連接的時空鎖模激光器，折疊鏡、光譜濾波器、處理裝置和采集裝置，處理裝置調(diào)整光譜濾波器工作狀態(tài)，所述采集設(shè)備指向所述折疊鏡；

4、s2：使用自發(fā)輻射熒光光源和光譜儀對分析平臺進(jìn)行校準(zhǔn)；

5、s3：時空鎖模激光器產(chǎn)生入射光束，經(jīng)過折疊鏡的透射面和光譜濾波器的處理得到光譜濾波并沿著原光路返回，光譜濾波最終從折疊鏡的折射面輸出，采集設(shè)備連續(xù)采集光譜濾波的光場，記錄每個光譜分量對應(yīng)的空間光強(qiáng)，獲得光譜-空間強(qiáng)度信息；

6、s4：對光譜-空間強(qiáng)度信息進(jìn)行非迭代數(shù)值計(jì)算恢復(fù)出光場的振幅和相位，再對其進(jìn)行傅里葉變換得到時空結(jié)構(gòu)信息。

7、優(yōu)選的，所述步驟s1中，在時空鎖模激光器的光路后方設(shè)置掃描振鏡，能提升光譜濾波器的刷新速率。

8、優(yōu)選的，所述步驟s1中，所述光譜濾波器包括沿著光路依次設(shè)置的透射式衍射光柵、柱狀鏡和數(shù)字微鏡器件，處理裝置與數(shù)字微鏡器件連接，調(diào)整數(shù)字微鏡器件不同位置的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)的波長掃描式光譜濾波。

9、優(yōu)選的，所述步驟s2中，校準(zhǔn)的過程的過程如下：使用自發(fā)輻射熒光光源輸出自發(fā)輻射熒光輸入折疊鏡，將自發(fā)輻射熒光入射到像素全開的數(shù)字微鏡器件上，使用光譜儀測得其熒光譜；再將數(shù)字微鏡器件上的部分像素單元關(guān)閉，自發(fā)輻射熒光入射到像素單元關(guān)閉的數(shù)字微鏡器件上，使用光譜儀測得其輸出光譜，通過對比兩個輸出光譜上被衰減的光譜分量間隔與數(shù)字微鏡器件上對應(yīng)關(guān)閉的像素單元的像素間隔，能定位中心波長及每單元像素所對應(yīng)的波長間隔，對分析平臺的功能參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。

10、優(yōu)選的，所述步驟s3中的具體過程如下：光譜濾波器的帶寬設(shè)置為70nm，光譜分辨率設(shè)置為0.04nm，刷新速率設(shè)置為32khz，光譜濾波器會選通特定的光譜帶構(gòu)成光譜濾波，處理裝置設(shè)置為電腦，采集裝置設(shè)置為高速相機(jī)或光電二極管陣列，用高速相機(jī)或光電二極管陣列記錄每個光譜分量對應(yīng)的空間光強(qiáng)分布圖，最終獲得光譜-空間強(qiáng)度信息。

11、優(yōu)選的，所述步驟s4中，將光譜-空間強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)化為時空結(jié)構(gòu)信息的過程如下：對采集的光譜-空間強(qiáng)度信息采用非迭代算法進(jìn)行模式分解，將非線性模式轉(zhuǎn)化為繁瑣的線性部分和簡單的非線性部分，利用偽逆矩陣和光纖本征模式光強(qiáng)分布進(jìn)行矩陣求解，進(jìn)而恢復(fù)光場的振幅和相位，再對光譜-空間分布進(jìn)行頻域到時域的傅里葉變換，得到時空結(jié)構(gòu)信息。

12、因此，本發(fā)明采用上述的一種基于單色數(shù)值模式分解的時空光場動態(tài)重構(gòu)方法，具有以下好處：

13、（1）本發(fā)明中，使用可編程數(shù)字微鏡器件和透射式衍射光柵構(gòu)成的光譜濾波器件，具有光譜范圍寬和可實(shí)時掃描等優(yōu)勢，與其他可調(diào)光濾波器的方案相比，可以獲得更高自由度，并兼具操作快捷、結(jié)構(gòu)簡單和可編程等優(yōu)點(diǎn)。

14、（2）本發(fā)明中，利用單色數(shù)值模式分解技術(shù)，模式分解時間小于1ms，總的重構(gòu)時間由數(shù)字微鏡器件的掃描光譜帶的時間決定，現(xiàn)有數(shù)字微鏡器件的刷新速率決定了重構(gòu)時間在幾十ms量級，能利用掃描振鏡將刷新速率提升至幾十mhz，將重構(gòu)總時間降到1ms以內(nèi)，此模式分辨的時空測量系統(tǒng)簡易高效，成本低，并可動態(tài)重構(gòu)時空模式信息。

15、下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種基于單色數(shù)值模式分解的時空光場動態(tài)重構(gòu)方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于單色數(shù)值模式分解的時空光場動態(tài)重構(gòu)方法，其特征在于：所述步驟s1中，在時空鎖模激光器的光路后方設(shè)置掃描振鏡，能提升光譜濾波器的刷新速率。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于單色數(shù)值模式分解的時空光場動態(tài)重構(gòu)方法，其特征在于：所述步驟s1中，所述光譜濾波器包括沿著光路依次設(shè)置的透射式衍射光柵、柱狀鏡和數(shù)字微鏡器件，處理裝置與數(shù)字微鏡器件連接，調(diào)整數(shù)字微鏡器件不同位置的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)的波長掃描式光譜濾波。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于單色數(shù)值模式分解的時空光場動態(tài)重構(gòu)方法，其特征在于：所述步驟s2中，校準(zhǔn)的過程的過程如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于單色數(shù)值模式分解的時空光場動態(tài)重構(gòu)方法，其特征在于：所述步驟s3中的具體過程如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于單色數(shù)值模式分解的時空光場動態(tài)重構(gòu)方法，其特征在于：所述步驟s4中，將光譜-空間強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)化為時空結(jié)構(gòu)信息的過程如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于單色數(shù)值模式分解的時空光場動態(tài)重構(gòu)方法，屬于時空鎖模脈沖光纖激光器和多模非線性光纖光學(xué)領(lǐng)域，包括以下步驟，S1：建立分析平臺，包括時空鎖模激光器，折疊鏡、光譜濾波器、處理裝置和采集裝置，處理裝置調(diào)整光譜濾波器狀態(tài)，采集設(shè)備指向折疊鏡；S2：對分析平臺進(jìn)行校準(zhǔn)；S3：時空鎖模激光器產(chǎn)生入射光束，經(jīng)光譜濾波后，由采集設(shè)備連續(xù)采集每個光譜分量對應(yīng)的空間光強(qiáng)，獲得光譜?空間強(qiáng)度信息；S4：將光譜?空間強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)化為時空結(jié)構(gòu)信息。本發(fā)明采用上述方法，實(shí)時監(jiān)測時空鎖模脈沖的輸出模式，反饋控制時空鎖模激光腔內(nèi)的模式選擇性激發(fā)，為輸出模式可控的高性能時空鎖模光纖激光器提供了一種解決方案。

技術(shù)研發(fā)人員：張春香,劉軍,陳藝偉,麻向坤,盧海洋,廖美華,潘文慧,陳海龍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：深圳技術(shù)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9