基於數字全息的光纖三維折射率分布測量研究

《基於數字全息的光纖三維折射率分布測量研究》是依託上海大學，由黃素娟擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於數字全息的光纖三維折射率分布測量研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：黃素娟
• 依託單位：上海大學

中文摘要

本項目基於數字全息，提出一種準確定位光纖三維折射率分布的測試原理和方法，以滿足快速增長的新型光纖設計、製備和套用方面的光纖結構信息測量的需求。研究內容主要包括：光纖結構信息對數字全息圖的影響機理；基於光纖旋轉的多角度數字全息三維測量技術；數字全息圖的還原和折射率分布的最佳化逼近算法；基於數字全息的光纖三維折射率分布測量系統的實現。該研究是採用光纖旋轉獲取多幅數字全息圖集合，通過全息圖還原和折射率最佳化逼近算法得到光纖三維折射率分布，並進行光纖結構信息及其性能的分析，它是一種基於光纖干涉的數字全息三維測量技術，易於實現全息光路和全息圖。因此，本項目的研究成果將成為一種準確定位光纖三維折射率分布測試的新方法，適用於光纖、光波導和光學材料等的三維折射率分布測量。

結題摘要

隨著光纖技術發展，光纖在通信、感測、檢測、精密測量和高能光纖雷射器等領域得到了大量的套用。光纖的折射率分布是影響光纖的損耗、頻寬、感測特性、通信性能的主要因素，不僅可以反映色散、損耗、摻雜濃度、光傳輸等特性，還可以為研究這些特性的內在成因提供有力的數據支撐。因此，準確測量光纖三維折射率分布對研製高性能的光纖具有重要意義。本課題基於數字全息顯微干涉技術構建了光纖三維折射率分布的測試系統，包括改進的光路系統和開發的軟體系統。在數字全息顯微層析技術的基礎上，通過改進馬赫曾德干涉系統構建了穩定、簡單且易操作的新型光路系統。結合新型光路系統，開發了一款用於實時光路分析和光纖相位提取的軟體系統。以物光波的相位分布信息為參考，對光路系統進行反饋調節，由CCD記錄下最優的數字全息圖。用基於角譜理論的再現算法對全息圖進行數值再現，提取光纖相位差分布，並通過模擬分析相位提取算法的精度。為了快速重建圓對稱各種光纖的三維折射率分布，本課題對光纖多層模型進行了理論研究，並通過模擬對多層快速重建算法進行誤差分析，並採用基於邊緣檢測的算法對重建折射率進行誤差校正。以單模、多模、雙包層對稱光纖為實驗樣品，由測試系統獲取光纖相位差分布，由多層算法重建其折射率分布，測量結果與S14折射率測量儀的測量結果吻合。為了對非對稱特種光纖的三維折射率進行測量研究，本課題對濾波反投影算法進行了理論分析，並通過模擬對濾波反投影算法的三維重建精度進行驗證。以熊貓，橢圓特種光纖為實驗樣品，通過旋轉光纖獲得180個角度的相位差分布，由濾波反投影算法對其折射率進行重建，測量結果與S14的測量結果吻合。本課題分別從光路設計、相位提取與分析、折射率重建、誤差分析與校正和實時測量軟體的設計與開發等方面構建了一套完整的光纖三維折射率測試系統。以單模、多模、雙包層、熊貓、橢圓等光纖為實驗樣品進行測量，結果與S14的測量結果吻合，精度可達10-4。實驗對比結果表明本課題實驗系統可簡單、無損、快速且準確的測量一段光纖三維折射率分布。