适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统

1.适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统，其特征在于，所述分析系统包括：光源单元，用于插入待测光纤激光器或标准的基模高斯光束，输出光纤激光光束；可调衰减盘，用于对光纤激光光束进行光强调整；偏振分光组件，用于将光强调整后的光纤激光光束分成水平偏振光束和竖直偏振光束；近场相机，用于观察经偏振分光组件分光后的水平偏振光束的近场光斑尺寸和形态；空间光调制器，用于通过相关计算全息图对经偏振分光组件分光后的水平偏振光束进行调制；透镜，用于对经过空间光调制器调制的衍射光束进行傅里叶变换；远场高速CCD/CMOS相机，用于高速捕获透镜后焦面的+1级衍射光束的光斑图像；计算机，用于下达开始工作的指令，以及收集和存储用户需求数据；实时处理模块，用于实时接收和处理远场高速CCD/CMOS相机传递过来的光斑图像；所述光纤激光光束经过所述可调衰减盘进行光强调整，调整后的光纤激光光束经过所述偏振分光组件后，分为水平偏振光束和竖直偏振光束，所述水平偏振光束分两路，一路射入所述近场相机，另一路射入所述空间光调制器调整为衍射光束，所述衍射光束再次通过偏振分光组件后射入透镜，所述远场高速CCD/CMOS相机在所述透镜的后焦面处捕获+1级衍射光束的光斑图像；所述计算机与所述近场相机、空间光调制器、远场高速CCD/CMOS相机、实时处理模块相连；所述实时处理模块与远场高速CCD/CMOS相机连接。 2.根据权利要求1所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统，其特征在于，所述偏振分光组件包括沿光路依次放置的偏振分光棱镜和非偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜接收经过可调衰减盘调整后的光纤激光光束，由偏振分光棱镜分光后的水平偏振光束射入非偏振分光棱镜，由非偏振分光棱镜分光后的光束一路射入近场相机，另一路射入空间光调制器，由空间光调制器调制的衍射光束通过非偏振分光棱镜射入透镜。 3.根据权利要求1所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：根据待测光纤激光器的工作波长和输出光纤的型号生成相关计算全息图，所述相关计算全息图加载到所述空间光调制器上，所述空间光调制器工作方向与所述偏振分光组件的水平偏振方向设置一致；步骤S2：校准和标定适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统；步骤S3：将待测光纤激光器插入到光源单元；步骤S4：所述远场高速CCD/CMOS相机采用开窗技术实时拍摄光斑图像；步骤S5：将步骤S4获得的光斑图像通过所述实时处理模块进行实时的模式分析；步骤S6：对步骤S5中模式分析的数据选择性保存或者将选定数据传递给其它光束控制器。 4.根据权利要求3所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S1中的相关计算全息图的生成步骤包括：步骤S11:选择匹配待测光纤激光器的工作波长和输出光纤型号，计算归一化截止频率V值，这里 其中，a是光纤的纤芯半径， 是光纤的数值孔径，这里，n 1 是纤芯折射率，n 2 是包层折射率，根据V值求出其对应的待测光纤激光光束包含的模式数量 根据待测光纤激光产生的光场计算其支持传输的模式的本征模ψ l ,l＝1...N，本征模的复共轭为 步骤S12:设置需测量的模式数量N，根据需测量的模式数量在远场高速CCD/CMOS相机靶面上采用角分复用的方式，通过空间角谱设计设置模式含量以及相位的检测位置(x,y) l 横向一维排布；步骤S13:将设定好的检测位置处的靶面坐标转化为载波频率(K x ＝x/(λf),K y ＝y/(λf)) l ，其中，λ是待测光纤激光器的工作波长，f是透镜的焦距，然后将载波频率依次叠加在对应模式本征模的复共轭的相位因子上，生成模式含量检测透过率函数、模式相位检测透过率函数、一维分布总透过率函数；步骤S14:将上述所有包含叠加了载波频率的各个模式本征模的复共轭的一维分布总透过率函数编码在一张计算全息图上，生成相关计算全息图。 5.根据权利要求4所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S13的具体计算公式为：将各个模式本征模的复共轭与其对应在远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量及相位检测位置(x,y) l 转化的载波频率(K x ＝x/(λf),K y ＝y/(λf)) l 相乘，得到角分复用的一维分布总透过率函数：或者其中，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标， 是用于测量模式含量的透过率函数，(K l,x ,K l,y )是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量检测位置转化来的载波频率； 和 是用于测量模式相位的透过率函数， 和 是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式相位检测位置转化来的载波频率，T real (ξ,η)＝1，A real ∈(0,1)， 是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上远场实际光斑检测位置转化来的载波频率。 6.根据权利要求3所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S2中校准和标定适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的步骤包括：步骤S21：在光源单元插入标准的基模高斯光束；步骤S22：通过近场相机可以观察射入的水平偏振光束的近场光斑的尺寸和形态；步骤S23：设置偏振分光系统后的光束水平偏振方向与空间光调制器的工作偏振方向一致；步骤S24：调整光路使经空间光调制器调制的衍射光经偏振分光组件射入透镜后，透镜后焦面处的远场高速CCD/CMOS相机捕获+1级衍射光的光斑图像形态均匀清晰，亮度合适，开窗范围(p*q)由射入远场高速CCD/CMOS相机的光斑数量和大小决定，窗口需要囊括下所有+1级衍射光斑，其中p为水平方向最大像素值，q为竖直方向最大像素值。 7.根据权利要求3所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S5的实时处理模块进行实时的模式分析的步骤包括：步骤S51：实时接收远场高速CCD/CMOS相机拍摄的光斑图像；步骤S52：实时处理模块中的FPGA针对传入的每一帧光斑图像进行单个光斑的自动质心提取运算，获取质心处的像素灰度值；步骤S53：根据步骤S52各个光斑质心处的像素灰度值实时解算模式含量和相位。 8.根据权利要求3所述的适用于多种高阶模式测量的高速光纤激光模式分析系统的检测方法，其特征在于，所述步骤S6包括：步骤S61：设定需要的时间间隔，选择帧的图片以及相应的光纤激光模式分析结果上传至计算机；步骤S62：计算得到的光纤激光模式分析结果在实时处理模块中的FPGA中进行光场重构计算，计算出测量光场与重构光场之间的一致性；步骤S63：选择输出选择帧重构光场图像和一致性评价结果至计算机；步骤S64：计算机通过硬件连接的方式传递给其它光束控制器件中，对光纤激光模式控制、相位校正、像差校正。 9.一种相关计算全息图的生成方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一：选择匹配待测光纤激光器的工作波长和输出光纤型号，计算归一化截止频率V值，这里 其中，a是光纤的纤芯半径， 是光纤的数值孔径，这里，n 1 是纤芯折射率，n 2 是包层折射率，根据V值求出其对应的待测光纤激光光束包含的模式数量 根据待测光纤激光产生的光场计算其支持传输的模式的本征模ψ l ,l＝1...N，本征模的复共轭为 步骤二:设置需测量的模式数量N，根据需测量的模式数量在远场高速CCD/CMOS相机靶面上采用角分复用的方式，通过空间角谱设计设置模式含量以及相位的检测位置(x,y) l 横向一维排布；步骤三:将设定好的模式检测位置处的靶面坐标转化为载波频率(K x ＝x/(λf),K y ＝y/(λf)) l ，其中，λ是待测光纤激光器的工作波长，f是透镜的焦距；然后将载频依次叠加在对应模式本征模的复共轭相位因子上，生成模式含量检测透过率函数、模式相位检测透过率函数；则，一维分布总透过率函数计算如下：其中，N是需测量的模式数量，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标， 是用于测量模式含量的透过率函数，(K l,x ,K l,y )是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式含量检测位置转化来的载波频率； 和 是用于测量模式相位的透过率函数， 和 是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上模式相位检测位置转化来的载波频率；步骤四:将上述所有包含叠加了载波频率的各个模式本征模复共轭的一维分布总透过率函数编码在一张计算全息图上，生成相关计算全息图。 10.根据权利要求9所述的一种相关计算全息图的生成方法，其特征在于，所述步骤三中的一维分布总透过率函数，还包括用于反映远场变化的透过率函数A real ·T real (ξ,η)，这时，一维分布总透过率函数表示为：其中T real (ξ,η)＝1，A real ∈(0,1)，(ξ,η)表示近场相机靶面坐标， 是由远场高速CCD/CMOS相机靶面上远场实际光斑检测位置转化来的载波频率。