一种实时光场重构结构和重构方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种实时光场重构结构重构方法，能实时准确地重构出光场的振幅、 相位以及偏振态，主要应用于光场参数测量、相干光通信、光传感、医学成像、高精度的光频 传递等领域。
【背景技术】
[0002] 振幅、相位和偏振是光场的三个基本特征参量。经典的标量衍射理论主要涉及光 场的振幅和相位参量。随着对光场矢量性研宄的不断深入，光场的偏振态在研宄光子的本 质属性以及光与物质的相互作用中起到了越来越重要的作用。因此，重构出具有振幅、相 位、偏振态三个基本特征的光场矢量具有广泛的应用前景。
[0003] 为了实现光场的重构，人们提出了若干技术方案。在先技术一：黄博，光相位调制 格式解调与相干探测研宄[D]，华中科技大学，2013。提出了一种偏振分集相位分集光相干 接收机，把信号光和本振光均分为两个正交的偏振态，让偏振态相同的光经过各自的相位 分集接收机接收，同时分离解调出信号光的相位信息和偏振信息。
[0004] 在先技术二：杨飞，蔡海文，陈迪俊，瞿荣辉，激光器噪声特性的测量装置，中国专 利2011103172609. 3 (2012. 02. 15公布），提出了一种基于3X3耦合器的迈克尔逊干涉仪的 差分相位解调技术，成功地解调出激光器的差分相位信息，并在此基础上测量出激光器的 相位噪声。
[0005] 在先技术一的缺点在于解调信号光的相位和偏振信息时需要一个额外的本振光， 增加了系统的复杂度，而且解调的相位和偏振信息内始终包含有本振光的信息。在先技术 二解调出了激光的差分相位信息，但并没有得到实时的相位信息。
【发明内容】
[0006] 为了克服在先技术一的缺点，同时为了得到光场矢量振幅、相位、偏振三方面的参 数，更完整地重构出激光光场，在先技术二的基础上提出了一种实时光场重构技术。该技术 利用在先技术二中提出的基于3 X 3耦合器的迈克尔逊干涉仪（其结构如图3所示）解调待 测激光光场的差分相位，然后通过一个固定关系得到光场的相位参数；同时通过光强直接 探测得到光场的振幅参数，通过偏振分束器得到偏振参数，能重构出待测激光的瞬时光场， 具有实时性、完整性的特点。
[0007] 本发明的技术解决方案如下：
[0008] -种实时光场重构结构，其特点在于，包括偏振分束器、第一親合器、第二親合器、 基于3X3耦合器的第一迈克尔逊干涉仪和第二迈克尔逊干涉仪、第一光电探测器、第二光 电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电 探测器、第八光电探测器、数据采集卡以及计算机，其连接关系如下：
[0009] 所述的偏振分束器的第一输出端口与所述的第一親合器的输入端口相连，该偏振 分束器的第二输出端口与所述的第二耦合器的输入端口相连，待测激光经所述的偏振分束 器分为偏振态正交的S光和p光，各自进入所述的第一親合器和第二親合器；
[0010] 所述的第一親合器的第一端口与第一光电探测器的输入端口相连，第一光电探测 器的输出端口成为振幅解调的第一输出端口，第一耦合器的第二端口与第一迈克尔逊干涉 仪的输入端口相连，该第一迈克尔逊干涉仪的第一输出端口与第二光电探测器相连、第二 输出端口与第三光电探测器相连、第三输出端口与第四光电探测器相连，第二光电探测器、 第三光电探测器和第四光电探测器的输出端口成为相位解调的第一输出端口、第二输出端 口和第三输出端口；
[0011] 第二親合器的第一端口与第五光电探测器的输入端口相连，第五光电探测器的输 出端口成为振幅解调的第二输出端口，第二耦合器的第二端口与第二迈克尔逊干涉仪的输 入端口相连，该第二迈克尔逊干涉仪的第一输出端口与第六光电探测器相连、第二输出端 口与第七光电探测器相连、第三输出端口与第八光电探测器相连，第六光电探测器、第七光 电探测器和第八光电探测器的输出端口成为相位解调的第四输出端口、第五输出端口和第 六输出端口；
[0012] 振幅解调的第一输出端口和第二输出端口以及相位解调的第一输出端口、第二输 出端口、第三输出端口、第四输出端口、第五输出端口和第六输出端口均与所述的数据采集 卡的输入端相连，该数据采集卡的输出端与计算机相连。
[0013] 所述的计算机通过对第一光电探测器和第五光电探测器的光电流数据进行运算 可以解调得到s光和p光的振幅；通过对第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测 器的光电流数据进行运算可以解调出s光的相位；通过对第六光电探测器、第七光电探测 器和第八光电探测器的光电流数据进行运算可以解调出P光的相位。再根据解调出的S光 和P光的振幅以及相位，可以重构出待测激光的光场矢量。
[0014] 特别强调的是，所述的迈克尔逊干涉仪的结构示意图参见图3。
[0015] -种实时光场重构方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
[0016] ①首先标定基于3X3耦合器的迈克尔逊干涉仪的仪器常数以及光电探测器响应 度yn(n= 1，2,…，8);
[0017] ②测量八个光电探测器输出的光电流，记为In(n= 1，2,…，8);
[0018]③计算光场矢量偏振态正交的s光和p光的光功率PjP Py，公式如下：
[0020] 式中：第一光电探测器的输出光电流L和响应度yi，第五光电探测器的输出光电 流15和响应度Y5;
[0021] ④计算光场矢量偏振态正交的s光和p光的瞬时振幅
[0022] ⑤计算光场矢量偏振态正交的s光和p光的瞬时相位代和，公式如下：
[0023]
[0024] 式中：为待测激光通过基于3X3耦合器的迈克尔逊干涉仪解调后的差分 相位，A朽的由第二到第四光电探测器输出的光电流I n(n = 2, 3, 4)解调获得， 由第六到第八光电探测器输出的光电流In(n = 6, 7, 8)解调获得，和分别 AA⑴和⑷的微分；
[0025] ⑥重构完整准确的光场矢量，表示为
[0026]
[0027]式中：i、夕分别表不光场矢量s和p两个正交偏振态的基矢。
[0028] 本发明的特点和优点是：
[0029] 1)本发明对基于3X3耦合器的迈克尔逊干涉仪没有严格的限制条件，仪器常数 只需要在最初使用前进行一次校准即可，具有简便性。
[0030] 2)本发明不需要本振光作参考，对待测激光没有任何限制，具有可靠性。
[0031] 3)本发明在线采集和处理探测到的信号，具有实时性。
[0032] 4)本发明可以同时解调出待测激光的振幅、相位以及偏振这三个基本特征参数， 具有完整性。
【附图说明】
[0033] 图1是本发明的实施例的结构示意图
[0034] 图2是本发明的方法流程图
[0035] 图3是在先技术二中迈克尔逊干涉仪的结构示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范 围。
[0037] 本发明的一种新的实时光场重构实施例的结构示意图如图1所示，其连接关系如 下：
[0038] 所述的待测激光0与所述的偏振分束器6相连，所述的偏振分束器6的第一输出 端口与所述的第一親合器61的输入端口相连，所述的偏振分束器6的第二输出端口与所述 的第二親合器62的输入端口相连。
[0039]第一親合器的第一端口 611与第一光电探测器411的输入端口相连，第一光电探 测器411的输出端口成为振幅解调的第一输出端口。第一親合器的第二端口 612与第一迈 克尔逊干涉仪31的输入端口相连，该第一迈克尔逊干涉仪的第一输出端口与第二光电探 测器412相连、第二输出端口与第三光电探测器413相连、第三输出端口与第四光电探测器 414相连，第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器的输出端口成为相位解调的 第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口。
[0040] 第二親合器的第一端口 62