实验观测：多模光纤光束轮廓

• 顾名思义，由于纤芯直径相对于输入波长较大，多模光纤支持沿光纤长度方向传播多种模式。

• 作为第一个近似值，我们假设保留在光纤纤芯内的光是由沿光纤长度在纤芯/包层界面处完全内反射的光线产生的。

• 沿光纤传播的光线有两种一般类型 ：

1) 子午线在每次反射后通过光纤的中心轴。

2) 倾斜光线从不穿过光纤的中心轴，并沿光纤以螺旋路径传播，该路径与半径为r 的路径的内焦散线相切。

• 通过改变射入多模光纤的光的输入角度，我们能够修改作为斜向光线与子午光线传播的光线的比例，因此，将高斯分布（所有子午光线）的输出修改为 一个大平顶（子午线和斜线的混合）到一个圆环（所有斜线）。

• 来自台式 675 nm 激光二极管源的光被耦合到单模跳线中，用 11 mm 焦距透镜准直，然后用相同的透镜聚焦到 1 米长的阶梯折射率多模光纤中 具有Ø200 µm芯。

• 多模跳线绕Ø1 接线柱缠绕5 次，以消除包层模。

• 使用 4X 物镜和 150 mm 焦距消色差（管透镜）将输出光束轮廓成像到位于光纤输出端 5 mm 处的 CCD 相机上。

• 输入光设置为以 0°、11° 和 15° 入射到多模光纤的输入面，以分别创建初始、平顶和圆环轮廓。

• 每次改变角度时，都会优化输入光纤的对齐方式，同时使用功率计监测输出功率，以确保实现最大耦合。

• 在手动旋转放置在准直透镜和聚焦透镜之间的 1500 粒度漫射器以降低空间相干性并创建干净的输出光束轮廓时，通过 9 秒的曝光获取图像。

• 下面显示了输入角度为 0°、11° 和 15° 的输出曲线。相机在距离光纤输出 5 mm 处对输出光束轮廓进行成像。所有图像均使用旋转扩散器获取，以减少空间相干性并展示每种配置的基本轮廓。

1) 初始轮廓：来自 0° 输入角度的基线轮廓。

2）平顶轮廓：当我们旋转输入角度时，核心周边的光输出相对于中心的光输出的比例增加。我们假设这种变化对应于相对于子午射线增加的偏斜射线量。输入角为 11° 时的输出功率为初始曲线的 91%。

3) 环形轮廓：进一步增加输入角度会增加倾斜光线的比例，直到在光束轮廓的中心内观察到最少的光。输入角为 15° 时的输出功率为初始曲线的 64%。

• 下一张幻灯片提供了通过每个剖面中心的图表以支持我们的假设。

• 在这里，我们绘制了沿通过每个轮廓中心的 10 像素高线（红色）的每个点的平均强度，并如下所述拟合数据（蓝色）。

• 具有超高斯的初始轮廓拟合：

where A = 1, x₀ = 519, w = 375, and β = 4 [1].与纯高斯输出的偏离表明子午射线和倾斜射线的初始组合。

• 被测多模光纤在Ø1 柱上缠绕五圈，以减少包层模式的数量，即光从初始发射或从纤芯泄漏后在包层中传播。

• 还采集了光纤表面的图像，以确认前面幻灯片中呈现的结果不是由包层模式引起的。

• 在下图中画了圆圈来表示纤芯和包层的位置。我们可以看到所有的光都是从纤芯输出的，这表明我们的轮廓是光通过纤芯而不是包层传播的结果。

• 请注意，光纤表面的光束轮廓与距离光纤输出端 5 mm 处的光束轮廓不同。

• 仅显示了单个多模纤芯尺寸、填充因子（输入光斑尺寸与多模纤芯的比率）以及输入数值孔径和波长，以证明可以修改多模光纤的输出分布。这些结果仅用于演示目的，远远不够详尽。

• 输入角度的选择是为了提供最佳的输出曲线，并且所选组件的功率损耗最小。

• 需要强调的是，旋转扩散器用于降低空间相干性以展示整体轮廓。在没有扩散器的情况下，或者当扩散器保持静止时，由于模式之间的推断（见下文），在整个轮廓内观察到散斑图案。

• 在这里，我们展示了使用标准多模光纤跳线作为一种相对便宜的方法来将输入高斯分布修改为平顶和环形分布的能力，并且损失最小。

• 输出轮廓在距离光纤末端5毫米处成像。

• 当输入角为0°时，光束轮廓为低阶超高斯轮廓，表明子午射线与偏斜射线的比例很高。

• 随着输入角度增加到11°，倾斜光线的数量增加，直到输出光束转变为高阶超高斯轮廓，通常称为平顶。

• 随着输入角增加到15°，子午射线与倾斜射线的比例增加，直到获得环形轮廓。