一種實時光場重構結構和重構方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種實時光場重構結構重構方法，能實時準確地重構出光場的振幅、 相位以及偏振態，主要應用于光場參數測量、相干光通信、光傳感、醫學成像、高精度的光頻 傳遞等領域。
【背景技術】
[0002] 振幅、相位和偏振是光場的三個基本特征參量。經典的標量衍射理論主要涉及光 場的振幅和相位參量。隨著對光場矢量性研宄的不斷深入，光場的偏振態在研宄光子的本 質屬性以及光與物質的相互作用中起到了越來越重要的作用。因此，重構出具有振幅、相 位、偏振態三個基本特征的光場矢量具有廣泛的應用前景。
[0003] 為了實現光場的重構，人們提出了若干技術方案。在先技術一：黃博，光相位調制 格式解調與相干探測研宄[D]，華中科技大學，2013。提出了一種偏振分集相位分集光相干 接收機，把信號光和本振光均分為兩個正交的偏振態，讓偏振態相同的光經過各自的相位 分集接收機接收，同時分離解調出信號光的相位信息和偏振信息。
[0004] 在先技術二：楊飛，蔡海文，陳迪俊，瞿榮輝，激光器噪聲特性的測量裝置，中國專 利2011103172609. 3 (2012. 02. 15公布），提出了一種基于3X3耦合器的邁克爾遜干涉儀的 差分相位解調技術，成功地解調出激光器的差分相位信息，并在此基礎上測量出激光器的 相位噪聲。
[0005] 在先技術一的缺點在于解調信號光的相位和偏振信息時需要一個額外的本振光， 增加了系統的復雜度，而且解調的相位和偏振信息內始終包含有本振光的信息。在先技術 二解調出了激光的差分相位信息，但并沒有得到實時的相位信息。
【發明內容】
[0006] 為了克服在先技術一的缺點，同時為了得到光場矢量振幅、相位、偏振三方面的參 數，更完整地重構出激光光場，在先技術二的基礎上提出了一種實時光場重構技術。該技術 利用在先技術二中提出的基于3 X 3耦合器的邁克爾遜干涉儀（其結構如圖3所示）解調待 測激光光場的差分相位，然后通過一個固定關系得到光場的相位參數；同時通過光強直接 探測得到光場的振幅參數，通過偏振分束器得到偏振參數，能重構出待測激光的瞬時光場， 具有實時性、完整性的特點。
[0007] 本發明的技術解決方案如下：
[0008] -種實時光場重構結構，其特點在于，包括偏振分束器、第一親合器、第二親合器、 基于3X3耦合器的第一邁克爾遜干涉儀和第二邁克爾遜干涉儀、第一光電探測器、第二光 電探測器、第三光電探測器、第四光電探測器、第五光電探測器、第六光電探測器、第七光電 探測器、第八光電探測器、數據采集卡以及計算機，其連接關系如下：
[0009] 所述的偏振分束器的第一輸出端口與所述的第一親合器的輸入端口相連，該偏振 分束器的第二輸出端口與所述的第二耦合器的輸入端口相連，待測激光經所述的偏振分束 器分為偏振態正交的S光和p光，各自進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與第一光電探測器的輸入端口相連，第一光電探測 器的輸出端口成為振幅解調的第一輸出端口，第一耦合器的第二端口與第一邁克爾遜干涉 儀的輸入端口相連，該第一邁克爾遜干涉儀的第一輸出端口與第二光電探測器相連、第二 輸出端口與第三光電探測器相連、第三輸出端口與第四光電探測器相連，第二光電探測器、 第三光電探測器和第四光電探測器的輸出端口成為相位解調的第一輸出端口、第二輸出端 口和第三輸出端口；
[0011] 第二親合器的第一端口與第五光電探測器的輸入端口相連，第五光電探測器的輸 出端口成為振幅解調的第二輸出端口，第二耦合器的第二端口與第二邁克爾遜干涉儀的輸 入端口相連，該第二邁克爾遜干涉儀的第一輸出端口與第六光電探測器相連、第二輸出端 口與第七光電探測器相連、第三輸出端口與第八光電探測器相連，第六光電探測器、第七光 電探測器和第八光電探測器的輸出端口成為相位解調的第四輸出端口、第五輸出端口和第 六輸出端口；
[0012] 振幅解調的第一輸出端口和第二輸出端口以及相位解調的第一輸出端口、第二輸 出端口、第三輸出端口、第四輸出端口、第五輸出端口和第六輸出端口均與所述的數據采集 卡的輸入端相連，該數據采集卡的輸出端與計算機相連。
[0013] 所述的計算機通過對第一光電探測器和第五光電探測器的光電流數據進行運算 可以解調得到s光和p光的振幅；通過對第二光電探測器、第三光電探測器和第四光電探測 器的光電流數據進行運算可以解調出s光的相位；通過對第六光電探測器、第七光電探測 器和第八光電探測器的光電流數據進行運算可以解調出P光的相位。再根據解調出的S光 和P光的振幅以及相位，可以重構出待測激光的光場矢量。
[0014] 特別強調的是，所述的邁克爾遜干涉儀的結構示意圖參見圖3。
[0015] -種實時光場重構方法，其特點在于，該方法包括如下步驟：
[0016] ①首先標定基于3X3耦合器的邁克爾遜干涉儀的儀器常數以及光電探測器響應 度yn(n= 1，2,…，8);
[0017] ②測量八個光電探測器輸出的光電流，記為In(n= 1，2,…，8);
[0018]③計算光場矢量偏振態正交的s光和p光的光功率PjP Py，公式如下：
[0020] 式中：第一光電探測器的輸出光電流L和響應度yi，第五光電探測器的輸出光電 流15和響應度Y5;
[0021] ④計算光場矢量偏振態正交的s光和p光的瞬時振幅
[0022] ⑤計算光場矢量偏振態正交的s光和p光的瞬時相位代和，公式如下：
[0023]
[0024] 式中：為待測激光通過基于3X3耦合器的邁克爾遜干涉儀解調后的差分 相位，A朽的由第二到第四光電探測器輸出的光電流I n(n = 2, 3, 4)解調獲得， 由第六到第八光電探測器輸出的光電流In(n = 6, 7, 8)解調獲得，和分別 AA⑴和⑷的微分；
[0025] ⑥重構完整準確的光場矢量，表示為
[0026]
[0027]式中：i、夕分別表不光場矢量s和p兩個正交偏振態的基矢。
[0028] 本發明的特點和優點是：
[0029] 1)本發明對基于3X3耦合器的邁克爾遜干涉儀沒有嚴格的限制條件，儀器常數 只需要在最初使用前進行一次校準即可，具有簡便性。
[0030] 2)本發明不需要本振光作參考，對待測激光沒有任何限制，具有可靠性。
[0031] 3)本發明在線采集和處理探測到的信號，具有實時性。
[0032] 4)本發明可以同時解調出待測激光的振幅、相位以及偏振這三個基本特征參數， 具有完整性。
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發明的實施例的結構示意圖
[0034] 圖2是本發明的方法流程圖
[0035] 圖3是在先技術二中邁克爾遜干涉儀的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范 圍。
[0037] 本發明的一種新的實時光場重構實施例的結構示意圖如圖1所示，其連接關系如 下：
[0038] 所述的待測激光0與所述的偏振分束器6相連，所述的偏振分束器6的第一輸出 端口與所述的第一親合器61的輸入端口相連，所述的偏振分束器6的第二輸出端口與所述 的第二親合器62的輸入端口相連。
[0039]第一親合器的第一端口 611與第一光電探測器411的輸入端口相連，第一光電探 測器411的輸出端口成為振幅解調的第一輸出端口。第一親合器的第二端口 612與第一邁 克爾遜干涉儀31的輸入端口相連，該第一邁克爾遜干涉儀的第一輸出端口與第二光電探 測器412相連、第二輸出端口與第三光電探測器413相連、第三輸出端口與第四光電探測器 414相連，第二光電探測器、第三光電探測器和第四光電探測器的輸出端口成為相位解調的 第一輸出端口、第二輸出端口和第三輸出端口。
[0040] 第二親合器的第一端口 62