一种平顶光斑调控方法

1.本发明涉及全光纤光场调控系统领域，尤其涉及一种平顶光斑调控方法。


背景技术：

2.许多常用激光所发出的光都近似为高斯光束，能量分布不均匀导致加工、通信方面障碍重重，近年来，解决这一问题成为研究者们的不断追求的目标。比如各种光束整形器的发明，光束整形器产生的平顶光斑常用于激光加工，可以防止特定区域过度曝光或曝光不足，光束整形器的典型应用包括：裁切，烧蚀，打孔，划线，退火，医学和美学，显微镜和科学，光片细胞计数等。均匀能量光束的形成使得激光的应用更加有利。或者用镜片组实现的光束整形，都有效的改变光束的轮廓。然后，上述利用空间光学的方法不适用于光纤系统。
3.近年来，局域网(lan)的比特率需求急剧增加，已经分别以100mb/s和622mb/s的比特率达成异步传输模式和以太网标准，并且目前正在考虑每秒千兆比特的以太网标准化。预计主要为办公室和校园骨干网需要这种高速链接。由于当前安装在建筑物中的主要光纤基础是多模光纤(mmf)，因此其模态带宽对可实现的传输速度和链路距离施加了上限。对于这种高速传输模式下，即使有着替代方法比如单模光纤(smf)技术和带状光纤链路，但是出于成本的原因，最好使用已安装的多模光纤(mmf)的基座来开发链路。因此，克服多模光纤的模式带宽问题是一项重要的技术。且在激光的运用中，能量均匀的大规模输出对于发射技术的要求也很苛刻。关键问题是当今广泛用于信号传输的激光器具有高斯形状的光束轮廓，并且光束两端的功率分布不均匀。这将导致诸多的不便，这时，需要光束整形技术来解决这样的问题。


技术实现要素：

4.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种平顶光斑调控方法，适用于全光纤光场调控系统，基于单模光纤(smf)对多模光纤(mmf)耦合时的角度调制，实现对mmf中的传导模式的调控，最终形成光斑能量均匀化和波束整形；本发明方法适用于激光能量均匀化的应用场景，如室内多用户光无线通信系统，可保证每个用户接收信噪比一致，可达传输容量最大化。
5.本发明采用的技术方案是：
6.一种平顶光斑调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.(1)激光光源输出光束后，经过单模光纤和准直透镜后光束进入散射体，所述散射体用于改变光束入射到多模光纤中的角度；
8.(2)散射体对接收到的光束进行调整：散射体将光束的偏斜光线和子午光线的传播比例进行修改，改变光束入射到多模光纤中的角度，进而改变多模光纤的内部光波导的相位常数，相位常数发生改变时，在亥姆霍兹方程中解得对应的激发电场强度，当它叠加到功率耦合系数上时，改变功率耦合系数的表现形式，从而获得不同的输出光斑；
9.(3)通过聚焦透镜将调整过的光束入射到多模光纤中，再通过物镜、聚焦透镜和
ccd相机收集光束观察；观察随着散射体转动，入射角度的改变，出射光斑的变化，完成平顶光斑的调控。
10.进一步地，所述的一种平顶光斑调控方法，其特征在于，所述多模光纤为阶跃型折射率多模光纤或渐变折射率多模光纤。
11.进一步地，所述的一种平顶光斑调控方法，其特征在于，所述阶跃型折射率多模光纤中主因表现为前端散射体转动产生一定比例的偏斜光线，当这一定比例的偏斜光线的模态耦合进入阶跃型折射率多模光纤时，表现为此模态的归一化截止频率的不同，使得相位常数改变，相位常数的改变带来了激发电场的改变，由此影响最终功率耦合系数，基于阶跃型折射率多模光纤的模场调控方法包括：
12.(1)阶跃折射率多模光纤的场解
13.阶跃型折射率多模光纤纤芯与包层折射率n1和n2为常数，纵向电场ez和纵向磁场hz满足同一方程，由麦克斯韦方程组得到圆柱坐标系下的二维波动方程：
[0014][0015]
采用分离变量法解方程(1)，并对半径r和角度函数分离，得到径向方程和角度场方程，从而推导出光纤纤芯和包层中的纵向场解：
[0016][0017][0018]
引入两个新的特征参量u和w，代替kca和αca，根据定义，特征参量u
[0019]
和w与k0、n、β有如下关系：
[0020][0021]
(2)径向偏移高斯光束的电场
[0022]
在推导功率耦合系数的解析表达式时，需要一个入射径向偏移高斯光束振幅的表达式；一个光斑直径是ρs，偏置发射偏移量x＝a时，高斯光束的振幅可以表示为
[0023][0024]
c是个常数，在柱坐标下该式为
[0025][0026]
(3)归一化截止频率
[0027]
方程组(4)的两个方程相减后，定义光纤的归一化频率:
[0028][0029]
当用到的阶跃折射率光纤包层的归一化参数w＝0时，这时纤芯内的归一化径向相
位常数u记为uc，此时的归一化频率则记为vc；
[0030]
在不同阶数下的模式组的归一化截止频率不一样，当激发阶数较高的模式组时，对应的m阶贝塞尔函数的根逐渐增大，此时对应的归一化频率vc变大，归一化径向相位常数uc也变大，对应的高阶模式组处的纵向传播特性常数β也会随之改变；由亥姆霍兹方程解得普通阶跃折射率光纤的相位常数β，如下：
[0031][0032]
纵向特性传播常数β在变化的同时同样作为(8)公式中可以得出对应的激发电场强度公式ei，根据(5)式和(6)式中的径向总电场可以得到功率耦合系数的变化：
[0033][0034]
进一步地，所述的一种平顶光斑调控方法，其特征在于，所述渐变型折射率多模光纤中主因表现为前端散射体转动产生的一定比例的偏斜光线，此偏斜光线的模态耦合进入渐变折射率多模光纤时，此模态对应的横向模态电场在弱导近似下会有产生一个微扰解，此微扰解表现为极化的模态电场，在此极化电场的激发下，最终功率耦合系数会发生改变，基于渐变型折射率多模光纤的模场调控方法包括：
[0035]
(1)先研究折射率的分布，梯度折射率分布表示为
[0036][0037]
式中α＝2为无限抛物线折射率分布，n
co
是纤芯的最大折射率，n
cl
是包层的折射率；多模光纤的折射率是由无限抛物线剖面来建模的，归一化半径r由r＝r/ρ所给出，ρ为纤芯直径；
[0038]
n(r)＝n
co
(1-δr^2)
ꢀꢀꢀ
(11)
[0039]
轮廓剖面参数δ由
[0040][0041]
给出，其中n
cl
是归一化半径r＝1时的包层折射率；当n
cl
≈n
co
，此时δ≡(n
co-n
cl
)n
co
；
[0042]
(2)无限抛物折射率指数多模光纤的模态电场
[0043]
当实际光纤与理想光纤均满足弱导条件，其场解均满足波动方程，即
[0044][0045]
在弱引导近似下，通过求解标量波动方程，得到具有无限抛物型折射率分布的mmf的横向模态电场，横向电场的空间依赖性由标量波动方程控制；
[0046][0047]
是拉普拉斯算符；由此，可得弱导形式下的微扰解，从而导出e
lm
的表达式为
[0048][0049]
是标量相位传播常数，由下面公式给出
[0050][0051]
(3)功率耦合系数的重叠积分
[0052]
将进入纤芯的束缚光线的总功率或总的有效光功率pe与上述光源的有效部分的总辐射功率p
t
之比定义为光源与光纤间的耦合效率，有
[0053][0054]
具有高斯分布的光束被发射到与光纤中心径向偏移的位置，功率耦合到光纤模式中的相对功率由功率耦合系数给出，根据(5)式和(6)式中的总电场同样可以得到功率耦合系数的变化
[0055][0056]
其中e
t
是光纤模式的横向场，e
inc
是入射光束的电场，a
core
是光纤芯的横截面积；再让极化电场e
lm
(由(15)式给出)代替横向电场e
t
，功率耦合系数变为
[0057][0058]
本发明的优点是：
[0059]
本发明以smf到mmf耦合时的角度调制为基础，实现一种易操作的光斑调控方法；光束的模式分布随着偏置发射的角度或者发射方式的不同而实现调控，从而达到所需的最佳输出光场；同时该方法易于操作和实现，且成本极低，本发明在激光技术和光通信领域都存在着可行性的应用价值。
附图说明
[0060]
图1为发明中平顶光斑调控装置的结构示意图。
[0061]
图2(a)为调控散射体当子午光线和偏斜光线夹角为7
°
时，得到的光场分布图。
[0062]
图2(b)为调控散射体当子午光线和偏斜光线夹角为12
°
时，得到的光场分布图。
具体实施方式
[0063]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0064]
实施例1。
[0065]
一种平顶光斑调控方法实施例中采用的平顶光斑整形装置的结构包括：前端调控装置和后端接收装置。前端调控装置包括激光源(台式激光二极管源或其他激光源)、单模光纤、准直透镜、散射体、聚焦透镜以及多模光纤。后端接收装置包括物镜、聚焦透镜以及ccd相机。如图1所示，将激光二极管光源通过单模光纤与准直透镜相连，准直透镜和聚焦透镜中间加入散射体以调整入射多模光纤的角度，来实现模式展宽和能量均匀化。绕多个圆周的多模光纤用于去掉多余的模式以便于后续的观察，物镜、聚焦透镜和ccd相机设备用于接收信号。
[0066]
一种平顶光斑调控方法，包括以下步骤：
[0067]
(1)激光光源输出光束后，经过单模光纤和准直透镜后光束进入散射体，散射体用于改变光束入射到多模光纤中的角度；
[0068]
(2)散射体对接收到的光束进行调整：散射体将光束的偏斜光线和子午光线的传播比例进行修改，改变光束入射到多模光纤中的角度，进而改变多模光纤的内部光波导的相位常数，相位常数发生改变时，在亥姆霍兹方程中解得对应的激发电场强度，当它叠加到功率耦合系数上时，改变功率耦合系数的表现形式，从而获得不同的输出光斑；
[0069]
当使用的是阶跃型折射率多模光纤时，表现为改变多模光纤的内部偏斜光线模态的归一化截止频率，从而改变传播特性常数，即相位常数β，相位常数发生改变时，在亥姆霍兹方程中解得对应的激发电场强度，当它叠加到功率耦合系数上时，改变了功率耦合系数，使不同模式的光在光纤中耦合形式发生改变；当使用的是渐变型折射率多模光纤时，表现为偏斜光线的模态产生了弱导近似下电场标量波动方程下的微扰解，从而在此微扰解：极化电场的作用下，影响到最终功率耦合系数，从而获得不同的输出光斑；
[0070]
(3)通过聚焦透镜将调整过的光束入射到多模光纤中，再通过物镜、聚焦透镜和ccd相机收集光束观察；观察随着散射体转动，入射角度的改变，出射光斑的变化，完成平顶光斑的调控。
[0071]
进一步地，多模光纤为阶跃型折射率多模光纤或渐变折射率多模光纤。
[0072]
进一步地，阶跃型折射率多模光纤中主因表现为前端散射体转动产生一定比例的偏斜光线，当这一定比例的偏斜光线的模态耦合进入阶跃型折射率多模光纤时，表现为此模态的归一化截止频率的不同，使得相位常数改变，相位常数的改变带来了激发电场的改变，由此影响最终功率耦合系数，基于阶跃型折射率多模光纤的模场调控方法包括：
[0073]
(1)阶跃折射率多模光纤的场解
[0074]
阶跃型折射率多模光纤纤芯与包层折射率n1和n2为常数，纵向电场ez和纵向磁场hz满足同一方程，由麦克斯韦方程组得到圆柱坐标系下的二维波动方程：
[0075][0076]
采用分离变量法解方程(1)，并对半径r和角度函数分离，得到径向方程和角度场方程，从而推导出光纤纤芯和包层中的纵向场解：
[0077][0078][0079]
引入两个新的特征参量u和w，代替kca和αca，根据定义，特征参量u和w与k0、n、β有如下关系：
[0080]
[0081]
(2)径向偏移高斯光束的电场
[0082]
在推导功率耦合系数的解析表达式时，需要一个入射径向偏移高斯光束振幅的表达式；一个光斑直径是ρs，偏置发射偏移量x＝a时，高斯光束的振幅可以表示为
[0083][0084]
c是个常数，在柱坐标下该式为
[0085][0086]
(3)归一化截止频率
[0087]
方程组(4)的两个方程相减后，定义光纤的归一化频率:
[0088][0089]
当用到的阶跃折射率光纤包层的归一化参数w＝0时，这时纤芯内的归一化径向相位常数u记为uc，此时的归一化频率则记为vc；
[0090]
在不同阶数下的模式组的归一化截止频率不一样，当激发阶数较高的模式组时，对应的m阶贝塞尔函数的根逐渐增大，此时对应的归一化频率vc变大，归一化径向相位常数uc也变大，对应的高阶模式组处的纵向传播特性常数β也会随之改变；由亥姆霍兹方程解得普通阶跃折射率光纤的相位常数β，如下：
[0091][0092]
纵向特性传播常数β在变化的同时同样作为(8)公式中可以得出对应的激发电场强度公式ei，根据(5)式和(6)式中的径向总电场可以得到功率耦合系数的变化：
[0093][0094]
进一步地，渐变型折射率多模光纤中主因表现为前端散射体转动产生的一定比例的偏斜光线，此偏斜光线的模态耦合进入渐变折射率多模光纤时，此模态对应的横向模态电场在弱导近似下会有产生一个微扰解，此微扰解表现为极化的模态电场，在此极化电场的激发下，最终功率耦合系数会发生改变，基于渐变型折射率多模光纤的模场调控方法包括：
[0095]
(1)先研究折射率的分布，梯度折射率分布表示为
[0096][0097]
式中α＝2为无限抛物线折射率分布，n
co
是纤芯的最大折射率，n
cl
是包层的折射率；多模光纤的折射率是由无限抛物线剖面来建模的，归一化半径r由r＝r/ρ所给出，ρ为纤芯直径；
[0098]
n(r)＝n
co
(1-ar^2)
ꢀꢀꢀ
(11)轮廓剖面参数δ由
[0099][0100]
给出，其中n
cl
是归一化半径r＝1时的包层折射率；当n
cl
≈n
co
，此时δ≡(n
co-n
cl
)nco
；
[0101]
(2)无限抛物折射率指数多模光纤的模态电场
[0102]
当实际光纤与理想光纤均满足弱导条件，其场解均满足波动方程，即
[0103][0104]
在弱引导近似下，通过求解标量波动方程，得到具有无限抛物型折射率分布的mmf的横向模态电场，横向电场的空间依赖性由标量波动方程控制；
[0105][0106]
是拉普拉斯算符；由此，可得弱导形式下的微扰解，从而导出e
lm
的表达式为
[0107][0108]
是标量相位传播常数，由下面公式给出
[0109][0110]
(3)功率耦合系数的重叠积分
[0111]
将进入纤芯的束缚光线的总功率或总的有效光功率pe与上述光源的有效部分的总辐射功率p
t
之比定义为光源与光纤间的耦合效率，有
[0112][0113]
具有高斯分布的光束被发射到与光纤中心径向偏移的位置，功率耦合到光纤模式中的相对功率由功率耦合系数给出，根据(5)式和(6)式中的总电场同样可以得到功率耦合系数的变化
[0114][0115]
其中e
t
是光纤模式的横向场，e
inc
是入射光束的电场，a
core
是光纤芯的横截面积；再让极化电场e
lm
(由(15)式给出)代替横向电场e
t
，功率耦合系数变为
[0116][0117]
本发明的工作原理如下：
[0118]
第一部分：光源输出光后，经过单模光纤和准直透镜后光进入散射体。其中散射体的作用在于改变入射到多模光纤中的角度，通过修改偏斜光线和子午光线传播光线的比例，从而将高斯分布(所有子午光线)和输出修改为平顶光斑(子午光线和偏斜射线的混合)到一个甜甜圈(所有偏斜射线)。
[0119]
第二部分：通过调节散射体调整入射到多模光纤中子午光线和偏斜光线的比例，以达到需要的角度。入射角度的改变带来从而影响光纤的内部光波导的相位常数。相位传播常数在光波导中是个重要影响出射光斑的参数，当此参数发生改变时，在亥姆霍兹方程中可以解得对应的激发电场强度，当它叠加到功率耦合系数上时，改变了功率耦合系数的表现形式，从而达到不同的输出光斑。
[0120]
第三部分：通过聚焦透镜将调整过的光束入射到多模光纤中，再通过物镜、聚焦透镜和ccd相机收集光束观察。观察随着散射体转动，入射角度的改变，出射光斑的变化，达到需要的目的。
[0121]
如图2(a)所示，调控散射体当子午光线和偏斜光线夹角为7
°
时，得到的光场分布图，在一定半径内光强能维持稳定且均匀，光斑为平顶光斑，其强度分布近似满足高阶高斯分布，满足一下公式：
[0122][0123]
其中各参数数值近似满足a＝1,x0＝519,ω＝385,β＝8。
[0124]
如图2(b)所示，当进一步增大偏心入射角度至12
°
，得到空心圆状强度分布的光场，其强度分布近似满足抛物线函数关系，如式(21)所示。
[0125]
y＝a(x-x0)2+β
ꢀꢀꢀ
(21)
[0126]
其中各参数数值近似满足a＝1.2
×
10-5
,x0＝500,β＝0.4。
[0127]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。