应用于光束质量测量的阵列光纤串扰校正
光束质量研究在激光器设计、激光传能、激光通信、激光探测等多领域都具有重要意义,其典型测量方法为取样光束,传输剖面光斑至探测元件,对响应值分布进行复原和校正得到强度分布,进一步计算相关参数完成质量评价[
近年来,阵列光纤由于突出的综合特性在光束质量测量系统中得到多方面应用。作为取样元件,光纤芯径小,分辨率高,且对于数值孔径(Numerical Aperture,NA)对应角度内入射的光可以全反射低损通过,实现多角度下的高一致性取样 [
本文针对应用于光束质量测量的阵列光纤,结合硬件设计和算法处理提出一类串扰校正方法:在光纤输出端增设透射朗伯体,使用CCD相机拍摄朗伯体发光面,降低光纤输出发散角差异的影响;再配套相应反卷积算法,复原弥散光斑,最终测量出阵列光纤的真实输出,进而实现后续的光束质量测量。本文介绍了阵列光纤的串扰原理与影响,并基于朗伯散射原理和反卷积理论进行了串扰校正的仿真分析与实验研究:首先实验验证了所选材料的朗伯特性和作用;并以朗伯散射所成高斯光斑作为卷积核,建立相应反卷积算法,实现串扰的校正;再使用光线追迹的仿真方法选取最佳算法参数;最后对比分析了未经光纤传输的真实光斑、光纤输出未校正串扰的光斑及已校正串扰的复原光斑,实验验证了校正方法可以有效降低串扰引起的测量误差。
2 测量原理
2.1 阵列光纤串扰影响
为避免阵列光纤对截面光斑取样占空比及耦合效率过低,此应用一般使用芯径和可接收孔径角更大的多模光纤,其光传输示意图如
图1 光纤光传输示意图
Fig.1 Schematic diagram of light transmission of fiber
2.2 朗伯散射特性
针对2.1节介绍的应用阵列光纤时产生的串扰,提出在光纤输出端面增设密接透射朗伯体的方法,使阵列光纤输出的不同发散角光束都转化为遵循
(1) |
其中,为入射光透过朗伯体后在法线方向的输出光强,则为和法线成角方向的光强,由
图2 不同入射角度下材料发光面光斑的相对总ADU
Fig.2 Relative total ADU of the spots on the light-emitting surface of the material under different incident angles
图3 不同入射角度下材料发光面光斑剖线
Fig.3 Profiles of the spots on the light-emitting surface of the material under different incident angles
2.3 测量原理验证
为验证并量化阵列光纤的输出串扰及增设密接朗伯体后的效果,使用CCD相机拍摄单纤的输出端面,实验系统如
图4 单纤端面拍摄实验系统
Fig.4 Experimental system to photograph single-fiber end-face
图5 实验所摄光斑
Fig.5 Light spots in the experiment
3 校正算法
3.1 反卷积校正原理
从
(1)求解高斯型卷积核,代表卷积核尺寸,由于后续将使用中心对齐的same模式,一般将设置为奇数,考虑到实际拍摄画面的幅度,一般不超过()和():
(2) |
其中,由于卷积核只表征单元强度,因此其积分为1,只求解尺度参数,求解方式为获取实验光斑进行二维高斯拟合。
(2)获取输出矩阵,对实验所摄光斑需要进行池化处理,将分辨率由像素数转为光纤数;池化网格的定位需根据光纤位置预先测量。
(3)获取卷积关系,使用对进行遍历,当的尺寸不足以访问中的每个元素时,对进行补零即可:构建行列的零矩阵,将以中心位置对齐的same模式填入其中,得到矩阵。、和存在以下卷积关系:
(3) |
(4)反卷积求解输入矩阵。为使用矩阵求逆的方法方便快捷地实现反卷积,构建矩阵表达
(4) |
其中,和分别为和按行变形后得到的一维矩阵,据
(5) |
求解,变形则可得行列的输入。
3.2 参数设计
本算法的主要参数设计围绕卷积核展开,主要参数为高斯分布的尺度参数和卷积核尺寸,二者共同决定了校正的精准度。
3.2.1 高斯分布尺度参数
在朗伯体的材料确定之后,一般由材料厚度决定,进行单光纤与材料的组合实验及相应仿真,得到不同厚度材料的的实验值与仿真值如
Thickness /mm | Experimental value | Simulation value | Relative error |
---|---|---|---|
0.12 | 12.22 | 11.43 | 6.46% |
0.25 | 23.81 | 22.07 | 7.31% |
0.38 | 34.15 | 32.88 | 3.72% |
0.50 | 46.95 | 45.51 | 3.07% |
图6 (a)、(d)、(g)、(j):同一20×20阵列光源池化光斑;(b)、(e)、(h)、(k):不同厚度材料发光面未经过反卷积处理的池化光斑;(c)、(f)、(i)、(l):不同厚度材料经过反卷积处理的池化光斑
Fig.6 (a), (d), (g), (j): the same 20×20 array light source pooled spots; (b), (e), (h), (k): the pooled spots without deconvolution from light-emitting surface of different thickness materials; (c), (f), (i), (l): pooled spots with deconvolution of different thickness materials
Source file format | File size/kB | Boundary condition |
---|---|---|
seq, txt | 35,157 | ,=20 |
3.2.2 卷积核尺寸
在确定了尺度参数即材料厚度之后,对卷积核尺寸进行讨论,一般取值为中的奇数,光纤行(列)数在此节中取20,只取奇数是利于反卷积处理时的same模式的中心对齐。对0.12 mm材料发光面的光斑进行不同大小卷积核的反卷积处理,为便于展示校正后光斑与真实光斑的对比,使用两类光斑的相对RMSE来表征其差异,相对RMSE越接近于零则差异越小,校正效果越优。分别统计了光斑强度分布的相对RMSE及光斑桶中功率(Power in the Bucket, PIB)曲线的相对RMSE,前者可以展示光斑实时显示的准确度,后者以相应半径所在圆内功率的差异显示计算光束质量参数的准确度,两者共同表征了校正效果的优劣;为了讨论卷积核尺寸的选取规律,还增加了卷积核的PIB作为参照,用以显示相应大小的卷积核内所占功率,如
图7 卷积核的PIB,不同卷积核尺寸校正后光斑与真实光斑的强度分布的相对RMSE,校正后光斑与真实光斑的PIB曲线的相对RMSE
Fig.7 PIB of convolution kernel , relative RMSE of spot intensity distribution between real spot and corrected spot processed by different convolution kernel size and relative RMSE of spot PIB curve of them
由
4 实验验证
4.1 实验平台
为了测试应用于光束质量测量的阵列光纤串扰校正的效果,使用了自主研发的光束质量测量系统,如
图8 基于阵列光纤的光束质量测量系统示意图
Fig.8 Schematic diagram of beam quality measurement system based on array fibers
4.2 实验结果
在本实验中,为了验证校正方法的效果,使用
图9 未校正串扰:(a)真实入射光斑,(b)直接拍摄画面,(c)池化结果,(d)插值结果;已校正串扰:(e)直接拍摄画面,(f)池化结果,(g)反卷积结果,(h)插值结果
Fig. 9 Without crosstalk-correction: (a) actual incident spot, (b) picture shoot directly, (c) pooling result, (d) interpolation result; with crosstalk-correction: (e) picture shoot directly, (f) pooling result, (g) deconvolution result, (h) interpolation result
图10 未校正和已校正的光斑与真实光斑的PIB曲线
Fig.10 PIB curves of the uncorrected and corrected spots with the real spot
从
5 结 论
本文基于光束质量测量系统,研究了阵列光纤的输出串扰,并提出了一类串扰校正方法。结果表明:阵列光纤的输出串扰造成了光束质量测量的误差,主要表现在单元光纤输出值与测量值响应度不一致,及其造成的光斑分布和PIB曲线偏差;针对这一问题设计了增设朗伯体并结合反卷积处理的串扰校正方法,并展开了相关参数设计的研究:一般使用相对较薄的朗伯体,可以有效降低反卷积处理后的背景噪声;同时考虑卷积核尺寸时,一般选取卷积核PIB为99%所对应的尺寸,最后实验验证了校正方法的有效性。在光斑分布的测量中,校正处理使光斑分布测量的相对RMSE得到了21.67%的降低;在PIB的测量中则得到了3.41%的降低;另外在PIB=86.5%处,串扰影响使得相应束宽的测量产生了10.83%的相对误差,校正处理使得误差降低了7.37%,而校正运算时间一般不超过总运算时间的5%;综上认为校正方法快速、有效降低了阵列光纤串扰对光束质量测量造成的误差,为此类测量提供了可用的优化方向。
- 我用了一个很复杂的图,帮你们解释下“23版最新北大核心目录有效期问题”。
- 重磅!CSSCI来源期刊(2023-2024版)最新期刊目录看点分析!全网首发!
- CSSCI官方早就公布了最新南核目录,有心的人已经拿到并且投入使用!附南核目录新增期刊!
- 北大核心期刊目录换届,我们应该熟知的10个知识点。
- 注意,最新期刊论文格式标准已发布,论文写作规则发生重大变化!文字版GB/T 7713.2—2022 学术论文编写规则
- 盘点那些评职称超管用的资源,1,3和5已经“绝种”了
- 职称话题| 为什么党校更认可省市级党报?是否有什么说据?还有哪些机构认可党报?
- 《农业经济》论文投稿解析,难度指数四颗星,附好发选题!
- 期刊知识:学位论文完成后是否可以拆分成期刊论文发表?
- 号外!出书的人注意啦:近期专著书号有空缺!!