南京大学：基于贝塞尔光束的七芯光纤内部纤芯分布侧视测量法
发布时间：2024-01-30 08:00:06 阅读数： 269
光纤作为现代高速、大容量通信的基本载体，是实现世界互联的关键。随着近几十年通信行业的飞速发展，普通单模光纤已不能满足各种行业应用的特殊需求，因此一系列内部结构复杂的光纤，如保偏光纤、多芯光纤和光子晶体光纤等特种光纤应运而生，在民用和军用领域都不可或缺。
这些特种光纤种类繁多，内部结构复杂，在一定程度上限制了其生产监控、光纤熔接和微纳加工。现有的端视检测、数字全息、光学断层扫描、透镜效应跟踪偏振观测和高斯散射成像等方法都存在一些特殊问题，无法满足当前的需求。
在《Light: Advanced Manufacturing》上发表的一篇新论文中，由南京大学现代工程与应用科学学院和人工微结构科学与技术协同创新中心徐飞教授带领的研究团队及其同事开发了一种使用贝塞尔光束(结构光)作为照明光源，从七芯光纤侧面传输进行成像的方法(如图1所示)。
图 1 ：实验装置。a. 使用锥形透镜和 4f 系统聚焦激光，将高斯光束转换为贝塞尔光束。高精度光纤旋转器件和图像捕捉器件用于控制光纤旋转和图像采集。b. 使用锥形透镜生成并由 CMOS-1 捕捉的贝塞尔光束图案。c. 通过七芯光纤传输的贝塞尔光束的实验和模拟图案。d. 七芯光纤的纤芯分布；此处，一个发光二极管点光源在光纤端面 A 传播白光，在光纤端面 B 捕捉纤芯分布图像。资料来源：詹鎏伟等人，《Bessel-beam-based side-view measurement of seven-core fibre internal core distribution》，《Light: Advanced Manufacturing》（2024）。
通过数字相关方法验证了贝塞尔光束照明相对于传统方法的优势，同时结合深度学习方法，实现了对七芯光纤内部结构的高精度测量。模拟研究表明，作为一种非衍射结构光，贝塞尔光束的自愈特性可在散射介质中提供较长的聚焦深度，从而在基于贝塞尔光束的照明成像中减少散射，使光纤纤芯图案更清晰，图像对比度更高。此外，贝塞尔光束在传输具有不同折射率的内部透明介质的离轴物体时（如图2的b所示），会产生两条具有不同弯曲曲率的折射路径，从而产生独特的效果。
图 2 ：使用 Ansys Zemax OpticStudio 软件模拟的贝塞尔光束和高斯光束在光纤中的传输模式。a-c 分别模拟了无芯光纤、单芯光纤和七芯光纤在不同旋转角度下的贝塞尔光束和高斯光束的传输模式。每张图片右侧附有一张部分放大的图片。资料来源：詹鎏伟等人，《Bessel-beam-based side-view measurement of seven-core fibre internal core distribution》，《Light: Advanced Manufacturing》（2024）。
基于以上两个特点，与高斯光束照明相比，贝塞尔光束照明的图像在对不同旋转角度的特种光纤进行成像时可以看到更多的纤芯（如图2的c所示）。
经数字相关方法验证，基于贝塞尔光束的图像变化比高斯光束快得多，测量精度也更高。本文利用深度学习进一步提高了测量精度。深度学习模型处理捕捉到的图像，并直接输出预测的光纤旋转角度。此外，研究人员还采集了与建立训练数据库时所用光纤不同的光纤图像，并将其输入到训练好的深度学习模型中，其预测结果也取得了良好的精度和准确度，表明深度学习方法在实际应用中具有较强的泛化能力和良好的鲁棒性。
图 3：贝塞尔光束和高斯光束中实验捕获图案的相关系数比较。a. 实验得出的贝塞尔光束和高斯光束的传输模式；紫色和青色矩形分别对应用于计算相关系数的数据提取位置。b. 七芯光纤的贝塞尔和高斯光束传输模式对应的相关系数曲线。此处使用纤芯分布旋转角度为 0°、20° 和 40°的图案作为测量图案。资料来源：詹鎏伟等人，《Bessel-beam-based side-view measurement of seven-core fibre internal core distribution》，《Light: Advanced Manufacturing》（2024）。
研究结果表明，基于贝塞尔光束的方法在开发多芯光纤和光子晶体光纤纤芯分布的精确无损测量应用方面具有巨大潜力。
图 4：深度学习辅助纤芯分布测量。a. 自动处理七芯光纤端面图像以获取纤芯分布角度的流程图。裁剪原始图像以保留其中心，并进行灰度和二值化处理，以获得纤芯边缘。然后，通过圆拟合获得纤芯中心坐标，计算纤芯分布角。b. 模型在训练过程中的学习率曲线。c. 验证数据集对训练模型的预测结果。d. 测试数据集对训练模型的预测结果。资料来源：詹鎏伟等人，《Bessel-beam-based side-view measurement of seven-core fibre internal core distribution》，《Light: Advanced Manufacturing》（2024）。
参考文献：詹鎏伟等人，《Bessel-beam-based side-view measurement of seven-core fibre internal core distribution》，《Light: Advanced Manufacturing》（2024）。
