一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法技术

本发明专利技术涉及光场调控技术领域，更具体地，涉及一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法。本发明专利技术首先对红、绿、蓝三种单色光通过多模光纤形成的散斑利用反馈式的波前整形技术实现散斑的聚焦。基于不同波长的单色光在多模光纤中的去相关性，对聚焦光斑的电场进行不同比例的叠加，可实现任意彩色光的合成。该电场叠加方法在输出彩色光的效率上优于现有的对相位掩膜进行空间分割的方法。本发明专利技术能够解决激光通过多模光纤后形成杂乱的散斑而造成成像分辨率低的问题，并在实现彩色光定点传输上提出了效率更高的光场合成算法，对生物组织彩色成像的探索具有重要意义。

A method of optical field synthesis for fixed-point transmission of color light in multimode fiber

【技术实现步骤摘要】
一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法
本专利技术涉及光场调控
，更具体地，涉及一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法。
技术介绍
多模光纤能够远距离甚至绕过障碍物传输丰富的信息，因此在光通信和生物光子学中起着至关重要的作用。然而，不同光模之间的通道间串扰总是存在的，导致在光纤的末端出现随机的散斑图案。由于这一现象，在实际应用中只使用透射光的总功率，如光通信中的开/关信号，内镜中的荧光灯。遗憾的是，由于模型置乱，在各种光学模式中嵌入的丰富信息很少被提取和利用。虽然人们已经做了大量的工作来利用数字信号处理来解调这些光模态，但是这些算法只适用于少数模态光纤。基于不同单色光的波长在散射介质中的去相关性，多种色光照明的实时数字全息图能够有效记录复杂物理量的变化信息，多光谱成像的研究对于综合多种色光照明下的数字全息检测具有重要意义。现有技术利用空间光调制器对相位掩膜进行空间分割来合成彩色光的方法在输出的彩色光效率上较低。且进一步的研究探索了利用对应的纯相位全息图的复杂叠加实现多模光纤的多目标生成，但利用对应的纯相位全息图的场叠加实现多模光纤的多色光生成的研究较少。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，能够解决激光通过多模光纤后形成杂乱的散斑而造成成像分辨率低的问题，并在实现彩色光定点传输上提出了效率更高的光场合成算法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，包括以下步骤：S1.基于反馈式的波前整形技术，采用哈达码编码算法HEA，首先构建一组从低频到高频的哈达玛基，随后将哈达玛基加载到空间光调制器上，分别加载0，π/2，π，3π/2四个相位，计算公式如下：式中，Hn(k)为由+1和-1元素构成的哈达玛(Hadamard)矩阵(n＝1,2,…,1024)，ψn-1(k)是当前n-1阶最优相位掩膜，mπ/2是移相操作符；S2.根据S1步骤的计算，(Hn(k)+1)/2将(Hn(k)中的“+1”和“-1”元素变换成“+1”和“0”，通过该转换，只有当“+1”时是空间光调制器发生调制，当“0”时被固定到零相位作为参考，因此Hn(k)每次通过调节一半的矩阵来改变空间光调制器上的相位值，此时光强度值为：式中，En-1,opt(j)为未被调制光包含n-1阶的最优化电场，En,mod(j)为调制光需要的n阶优化电场，t(j,k)代表光束经多模光纤后的传输矩阵；S3.通过相移来求解滞后角：φn＝Arg[(In,1(j)-In,3(j))+i(In,2(j)-In,4(j))]；S4.通过滞后角φn更新最优相位：ψn(k)＝ψn-1(k)+φn(n(k)+1)/2；S5.定点彩色光合成：通过对红光，绿光，蓝光分别进行波前整形后，得到红、绿、蓝聚焦光斑的最优电场，即Ein_red(j)，Ein_green(j)，Ein_blue(j)，再通过光场合成方式，即调整红光、绿光、蓝光聚焦电场的权值，得到混合的电场Emix(j)：Emix(j)＝exp(i*angle(αrEin_red(j)+αgEin_green(j)+αbEin_blue(j)))，αr+αg+αr＝1S6.将混合的电场值Emix(j)加载回空间光调制器上，经彩色相机反馈成像后即可得到不同的彩色亮斑。本专利技术首先确定波前整形的技术方案。基于串扰的确定性，波前整形技术通过预补偿对多模光纤输出端的光模态进行物理控制。该波前整形技术可归纳为三大类：光相位共轭、反馈系统或直接测量和计算系统中的传输矩阵。在这三种技术中，只有光相位共轭决定了在一个单一的最佳相位图测量。然而，它需要相当复杂的光学系统和在相机和空间光调制器之间精确的对准。控制散射光通过测量散射介质的传输矩阵的方法会造成聚焦困难，因为目标位置的强度停留在测量时的背景电平，会产生相对较低的信噪比，在获取波前信息时可能引起测量误差。不同于传输方法，在基于反馈的波前整形中，在目标位置的强度随着每次迭代的增加，在整个优化过程中提供了一个相对较高的信噪比。因此本专利技术采用基于反馈式的波前整形技术。彩色相机监测目标点的光强度，生成反馈信息并将其发送到计算机。计算机实现一个优化算法来计算所需的相位图，并将其发送到空间光调制器。然后，空间光调制器上有1920*1080个像素点，基于1920*1080矩阵，进行相位调制来调制入射光的，在目标点处的强度值逐渐增强。这个过程是重复的，经过许多轮的迭代后，一个清晰的焦点形成。基于反馈式的波前整形技术，有许多优化的算法，其中最典型的是逐步序列算法和连续序列算法。这两个算法一次只优化一个矩阵块，因此每次迭代时光斑的对比度较低，使得算法对噪声敏感。为了提高信噪比，一种分块算法被提出，分块算法在迭代时随机选择矩阵块。但是，优化过程会产生大量的冗余使信息最终收敛很慢。受生物进化过程的启发，遗传算法已被证明在低信噪比环境的情况下具有特别的优势，但代价是它的收敛速度缓慢。在本专利技术中，使用基于反馈的波前整形与哈达玛编码算法(HEA)表明，通过控制在多模光纤中的目标光传输来达到使散斑聚集的目的。哈达玛矩阵被广泛应用于许多领域应用，包括现代电信、数字信号处理和压缩传感。在HEA中，哈达玛矩阵的每一列都用作一列输入基，它从低空间频率的模式开始。不像逐步序列算法和连续序列算法，HEA同时调节一半的矩阵，因此可达到较高的信噪比。对比分块算法中随机选取矩阵块的方式，哈达玛矩阵的列是相互作用正交的。所以，HEA的收敛速度更快，在相同的迭代次数下，可得到比使用分块算法更亮的聚焦点。进一步的，波前整形技术的公式为：式中，t(j,k)代表光束经多模光纤后的传输矩阵；Ein(k)代表了入射波前，经波前整形后，Ein(k)为所求的聚焦电场。与现有技术相比，有益效果是：本专利技术提供的一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，能够解决激光通过多模光纤后形成杂乱的散斑而造成成像分辨率低的问题，并在实现彩色光定点传输上提出了效率更高的光场合成算法，对生物组织彩色成像的探索具有重要意义。附图说明图1是本专利技术中实验平台的光路图。图2是本专利技术哈德码基的形式图。图3是本专利技术光场合成算法流程。图4是本专利技术对红，绿两色光聚焦光斑的相位掩膜进行空间分割后的结果图。图5是本专利技术对红、绿两色光聚焦光斑的相位掩膜进行电场叠加后的结果图。图6是本专利技术在合成彩色光的效率上电场叠加和空间分割两种方法的对比图。图7是本专利技术基于电场叠加的光场合成方法，聚焦的红光光斑与绿光光斑的电场权值为1：1时，叠加的效果图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利技术的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1.基于反馈式的波前整形技术，采用哈达码编码算法HEA，首先构建一组从低频到高频的哈达玛基，随后将哈达玛基加载到空间光调制器上，计算公式如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种在多模光纤中实现彩色光定点传输的光场合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.基于反馈式的波前整形技术，采用哈达码编码算法HEA，首先构建一组从低频到高频的哈达玛基，随后将哈达玛基加载到空间光调制器上，计算公式如下：



式中，Hn(k)为由+1和-1元素构成的哈达玛矩阵(n＝1，2，...，1024)，ψn-1(k)是当前n-1阶最优相位掩膜，mπ/2是移相操作符；
S2.根据S1步骤的计算，(Hn(k)+1)/2将(Hn(k)中的“+1”和“-1”元素变换成“+1”和“0”，通过该转换，只有当“+1”时是空间光调制器发生调制，当“0”时被固定到零相位作为参考，因此Hn(k)每次通过调节一半的矩阵来改变空间光调制器上的相位值，此时光强度值为：



式中，En-1，opt(j)为未被调制光包含n-1阶的最优化电场，En，mod(j)为调制光需要的n阶优化电场，t(j，k)代表光束经多模光纤后的传输矩阵；
S3.通过相移来求解滞后角：φn＝Arg[(In，1(j)-In，3(j))+i(In，2(j)-In，4(j))]；
S4.通过滞后角φn更新最优相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：李朝晖，覃良霞，沈乐成，伍代轩，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44