随着光纤技术的发展,光纤的传输功率显著提升,高功率的光纤系统在军事、通信、制造等领域广泛应用。不过传输能量过高会引发光纤内的非线性效应,通常选择增大纤芯直径降低能量密度,但是会增加导波模式数量;除此之外,光束在多模光纤中传输时,多个导波模式之间有模式竞争、模式耦合;激光器的泵浦源、谐振腔使用寿命减少,及配套电路器件老化等问题,均会使出射光束的光束质量下降,进而对光学系统的性能造成影响。光束质量因子M2和其他评价光束质量的参数,仅能选择性地反映激光束的传输情况或者聚焦程度,无法分析光束的模式特性。所以本文采取模式分解技术研究光纤激光的模式特性。论文首先分析光纤内的本征模式特性及光束衍射传输的基本原理,在此基础上,公式推导验证基于相关滤波原理的模式分解技术的理论正确性。在仿真实现模式分解过程中,结合双步ABCD算法,可调节远场频谱面的抽样单元尺寸,提高光斑分辨率。采用液晶位相调制器作为相关滤波器,对光纤出射光束进行位相调制,使光纤内传输的本征模式在空间上相互分离;提出远场光强数据处理算法,将CCD的探测光强导入计算机中,结合算法操作后获得光强分布,依据该光强数据可计算光纤内本征模式的权重系数和模间相对位相;并且仿真分析离焦、焦移误差因素对模式分解结果的影响;搭建实验平台,实现模式分解,通过实验分析空间载频分量和离焦误差对模式分解的影响。以上工作内容是为了解决模式分解技术在仿真分析和实际工程应用中的难题而开展,其中主要内容如下:1、将双步ABCD算法应用在模式分解的远场光斑分析中。由于傅里叶变换频谱面的采样率固定,在仿真时远场衍射光斑过于微小且集中以致无法分析;应用双步ABCD算法,可调节频谱面抽样单元尺寸,提高光斑分辨率,保证从光斑中选取光强数据的准确性,进而确保模式分解结果的准确性。2、选择液晶位相调制器完成位相调制,且提出远场光强数据处理算法共同实现模式分解。基于相关滤波原理可知,对光纤出射光束既有振幅调制和位相调制。液晶位相调制器调节位相,精准度高,其可编程的操作具有灵活性;提出远场光强数据算法,用算法处理光强数据模拟对光束振幅调制。仅位相调制可使光斑在频域相互分离,只有经过算法处理后的光强数据,才可被用于计算本征模式的相关参数。3、分析离焦、焦移影响因素对模式分解结果的影响。高阶高斯光束和高阶贝塞尔光束具有焦移的特性,仿真分析焦移误差因素的影响。在实际工程应用中,探测器的位置与几何焦点难免有离焦误差,通过仿真和实验得到,高阶模LP02模式受离焦的误差影响更大,而阶数更低阶的5个低阶模式,在相对离焦量-0.25%—0.25%范围内,模式分解结果误差率在10%以内。提出基于菲涅耳衍射的迭代寻焦算法,优化焦移误差。最后对整篇文章进行了总结,并对激光模式内容测量以及基于相关滤波原理的模式分解技术进行了展望,分析其未来的发展方向以及待解决的问题。
基本信息
| 题目 | 基于本征模叠加相关滤光原理的光纤激光模式分解技术 |
| 文献类型 | 博士论文 |
| 作者 | 张玉莹 |
| 作者单位 | 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) |
| 导师 | 王挺峰 |
| 文献来源 | 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) |
| 发表年份 | 2021 |
| 学科分类 | 基础科学,信息科技 |
| 专业分类 | 物理学,无线电电子学 |
| 分类号 | TN253 |
| 关键词 | 光纤激光,模式分解,模式测量,两步菲涅耳传输,相关滤波器 |
| 总页数： | 139 |
| 文件大小： | 5636K |
论文目录
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 相关领域的国内外研究现状 |
| 1.2.1 激光光束质量评价 |
| 1.2.2 激光模式分解技术 |
| 1.2.3 相关滤波器的发展 |
| 1.3 论文结构安排 |
| 第二章 光纤内激光模式分析 |
| 2.1 光纤内模式分析 |
| 2.1.1 无源光纤内模式分析 |
| 2.1.2 有源光纤内模式分析 |
| 2.2 光束衍射传输 |
| 2.2.1 衍射传输理论 |
| 2.2.2 柯林斯公式 |
| 2.3 像面抽样单元尺寸可变算法 |
| 2.3.1 两步菲涅耳传输 |
| 2.3.2 双步ABCD算法 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 基于相关滤波器的模式分解 |
| 3.1 基于相关滤波原理的模式分解技术 |
| 3.2 相关滤波器的实现方法 |
| 3.2.1 计算机全息片 |
| 3.2.2 液晶空间光调制器 |
| 3.3 误差分析及优化 |
| 3.3.1 离焦因素 |
| 3.3.2 焦移因素 |
| 3.3.3 焦移误差优化 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 模式分解的仿真分析 |
| 4.1 模式分解仿真结果 |
| 4.2 离焦仿真分析 |
| 4.2.1 数值积分 |
| 4.2.2 基于双步ABCD算法 |
| 4.3 焦移仿真分析 |
| 4.3.1 LP模焦移误差 |
| 4.3.2 HG模焦移误差 |
| 4.4 计算机全息图编码及波前重现 |
| 4.4.1 李威汉编码 |
| 4.4.2 罗曼III型编码 |
| 4.5 液晶位相调制器的仿真分析 |
| 4.5.1 相息图及波前重现 |
| 4.5.2 远场光强数据处理 |
| 4.6 本章小结 |
| 第五章 模式分解实验研究 |
| 5.1 实验关键器件介绍 |
| 5.1.1 激光器和光纤性能参数 |
| 5.1.2 液晶位相调制器 |
| 5.1.3 CCD相机的性能参数 |
| 5.2 搭建实验 |
| 5.2.1 少模光纤光场 |
| 5.2.2 模式分解光场 |
| 5.2.3 空间载频分量实验分析 |
| 5.2.4 离焦实验分析 |
| 5.3 本章小结 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 论文工作总结 |
| 6.2 研究展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
参考文献
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