本发明专利技术是基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，实现基于波动光学中衍射中入射光模式与衍射光强度间存在的线性关系和传播不变性模式间的正交性；该系统通过使用数字微镜装置加载理论计算获得的衍射光栅对入射相干叠加态模式进行一一识别实现光模式模式谱解算；本发明专利技术是针对传播不变性模式的相干叠加态进行纯衍射光学处理获得模式谱的方法，相较于其它方法最大的优势就是计算量小，易于实现，时间成本低；由本方法实现的模式谱分析具有一定的普适性和潜在的推广可能性。
【技术实现步骤摘要】
：本设计方法涉及一种激光束横模质量分析实现方法，属于激光束空间结构的调制与解调领域。
技术介绍
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技术介绍
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1、空间传统结构激光束的研究近年来逐渐成为空间光通信、光传感、光镊以及量子信息处理等领域的热点研究对象；空间结构激光束本身的研究主要在于其带有的横模信息，横模信息指的是激光束沿光轴作切面获得横向光场分布，既包含光场强度分布，也包含光场在平面每一点的相位分布以及偏振性质，是空间结构激光束本质的特征。
2、空间结构激光束横模的调制可以依据调制位置和方法大体分为两种：腔内调制与腔外调制。本方法属于空间结构激光束的腔外调制，即带有信息的激光光束在自由空间中传播时对其进行调制与解调；目前的调制技术多基于空间光调制器件进行光场信息的调制，基于空间光调制器的空间结构光束调制对拉盖尔高斯模式(lg)、厄米高斯模式(hg)等具有传播不变性的空间结构光束的变换也已有了许多研究；拉盖尔高斯模式(lgp,l)可以通过各种相位调制或振幅调制的“叉形光栅”直接转换为目标的拉盖尔高斯模式(lgp’,l’)。
3、由于拉盖尔高斯模式具有比较直接的轨道角动量，具有旋转对称性等比较良好的拓扑性质，对于拉盖尔高斯的模式变换一直十分常见；对于厄米高斯模式以及其他类似的传播不变模式的研究仅从一般的全息图研究的角度入手，只关注了该模式从高斯光斑通过全息图方法加载厄米高斯模信息获得目标模式；对任意已知横模信息的光场转换为高斯光束或任意其他模式的光场模式的技术本身，在分析光场结构、强度、相位、能流情况等具有重要意义。
/>技术实现思路
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技术实现思路
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1、本方法通过在数字微镜装置上加载特定的二元振幅光栅将目标模式在+1衍射级次转换为高斯光斑；由于光束的+1阶衍射光场与入射光场的强度存在线性相关关系，因此可以通过对衍射的高斯光斑的强度进行探测来获得入射光场中目标模式的成分含量。
2、首先设计数字微镜器件上加载的二元振幅阵列排布来实现光场模式变换的功能；在沿光栅周期的方向上，提取出一系列方波信号，当入射光场与光栅相互作用时，在数学意义上是进行了光场与方波信号的乘法；最终对光场的+1阶衍射光场的分析，可以通过分析其傅里叶级数来实现，
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4、该公式为标准的二维光栅信号的傅里叶级数；其中m为衍射级次，t为光栅周期，φg(x,y)为光栅调制函数中对相位的调制部分，本设计主要分析当m＝+1时的情况，即光栅对+1衍射级次光束的强度与相位调制函数：
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6、要实现将入射模式转换为高斯模式，需要对应入射模式设计光栅调制函数；例如hgm,n转换为基模高斯模式，需要将强度函数设计为eg(x,y)＝1/|hgm,n|，将相位函数设计为φg(x,y)＝arg(hgm,n)；即可实现对于任意模式的厄米高斯模式转换为高斯基模的变换；而其它类型的模式需类比本方法设计对应的转换光栅。
7、有益效果
8、1、本方法实现了由包括拉盖尔高斯模式外其它高阶模式向高斯光斑及其它同类正交模式的转换；
9、2、相比于传统的激光光束质量分析仪只能用于探测激光光束的最大模半径及远场发散角，本设计方法获得的光场模式谱信息更加全面；
10、3、本方法的激光模式谱可以在传统仪器的功能基础上通过上述方法将入射光场的模式谱在更短时间内高精度的进行探测和分析。
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【技术保护点】
1.一种基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，其组成包括：激光器(1)、透镜组(2)、反射镜组(3)、缩束镜组(4)、数字微镜装置(5)、小孔光阑(6)、光能量衰减器(7)、成像CCD(8)；其特征在于：实现对相干或非相干叠加态激光横模模式在拉盖尔高斯模式、厄米高斯模式维度获得对应模式谱；通过将叠加模式态入射在数字微镜装置(5)上加载设计好的光栅，在无穷远场的+1衍射级次获得高斯光斑强度，获得模式谱；加载在数字微镜装置(5)上的光栅函数的傅里叶级数展开为：
2.根据权利要求1所述一种基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，其特征在于：将待测激光束入射该分析仪，通过电脑在数字微镜装置(5)上多次加载不同二维衍射光栅，然后通过软件测量成像CCD(8)上获得光强分布改变情况，实现对入射激光横模模式的扫描分析，并最终获得激光横模模式谱组成即强度和相对相位分布。
3.根据权利要求1所述一种基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，其特征还在于：从相干或非相干叠加态模式中获得目标光束的含量，利用模式间的相互正交性，通过光栅衍射方式，将其一一分离开进行读取；该激光横模模式谱分析仪对应模式谱分析种类包含厄米-高斯光束，拉盖尔-高斯光束以及其它横模模式及其非相干叠加状态均可以通过该分析仪测量获得相应横模模式谱。
4.根据权利要求1所述一种基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，其特征还在于：在经过理论计算后产生的光栅是一种近似于相位光栅的振幅-相位混合光栅，当增加光栅函数的分布范围时，即光栅变为相位光栅，除衍射光能量增加外，光束变换的结果仍然具有鲁棒性。
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【技术特征摘要】
1.一种基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，其组成包括：激光器(1)、透镜组(2)、反射镜组(3)、缩束镜组(4)、数字微镜装置(5)、小孔光阑(6)、光能量衰减器(7)、成像ccd(8)；其特征在于：实现对相干或非相干叠加态激光横模模式在拉盖尔高斯模式、厄米高斯模式维度获得对应模式谱；通过将叠加模式态入射在数字微镜装置(5)上加载设计好的光栅，在无穷远场的+1衍射级次获得高斯光斑强度，获得模式谱；加载在数字微镜装置(5)上的光栅函数的傅里叶级数展开为：
2.根据权利要求1所述一种基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，其特征在于：将待测激光束入射该分析仪，通过电脑在数字微镜装置(5)上多次加载不同二维衍射光栅，然后通过软件测量成像ccd(8)上获得光强分布改变情况，实现对...
【专利技术属性】
技术研发人员：张子龙，马云飞，和炜，王昱琪，赵长明，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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