Bessel-Beam-basierte Seitenansichtsmessung der internen Kernverteilung von Sieben-Kern-Fasern

Glasfaser als Grundträger der modernen Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungskommunikation ist der Schlüssel zur Vernetzung der Welt. Mit der rasanten Entwicklung der Kommunikationsindustrie in den letzten Jahrzehnten können gewöhnliche Singlemode-Lichtwellenleiter den besonderen Anforderungen verschiedener industrieller Anwendungen nicht mehr gerecht werden, sodass eine Reihe von Lichtwellenleitern mit komplexen inneren Strukturen, wie z. B. polarisationserhaltende Fasern, Multimodefasern, entwickelt wurden. Kernfasern und photonische Kristallfasern sowie andere spezielle optische Fasern sind im zivilen und militärischen Bereich unverzichtbar geworden.

Die Vielfalt dieser Spezialfasern und ihre komplexen inneren Strukturen haben ihre Herstellungsüberwachung, Faserspleißung und Mikro-Nano-Verarbeitung in gewissem Maße eingeschränkt. Bestehende Methoden wie Endansichtsinspektion, digitale Holographie, optische Tomographie, Polarisationsbeobachtung durch Linseneffektverfolgung und Gaußsche Streubildgebung weisen spezifische Probleme auf, die den aktuellen Anforderungen nicht gerecht werden.

In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Fortschrittliche Fertigungein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Fei Beleuchtungslichtquelle und sendet von der Seite einer siebenadrigen Faser, um eine Bildgebung durchzuführen (siehe Abbildung 1).

Die Vorteile der Bessel-Beam-Beleuchtung gegenüber herkömmlichen Methoden werden durch die digitale Korrelationsmethode verifiziert und gleichzeitig in Kombination mit der Deep-Learning-Methode eine hochpräzise Messung der inneren Struktur der siebenadrigen optischen Faser realisiert.

Simulationsstudien zeigen, dass die Selbstheilungseigenschaft des Bessel-Strahls als strukturiertes Licht ohne Beugung für eine lange Fokustiefe im Streumedium sorgt, was zu weniger Streuung, schärferen Faserkernmustern und einem höheren Bildkontrast im Bessel-Strahl führt -basierte Beleuchtungsbildgebung. Darüber hinaus bieten Bessel-Strahlen einen einzigartigen Effekt bei der Übertragung eines außeraxialen Objekts mit einem internen transparenten Medium mit variierendem Brechungsindex (wie in Abbildung 2 dargestellt), wodurch zwei Brechungspfade mit unterschiedlichen Biegekrümmungen entstehen.

Basierend auf den beiden oben genannten Merkmalen könnten Bilder mit Bessel-Strahlbeleuchtung im Vergleich zur Gaußschen Strahlbeleuchtung mehr Faserkerne erkennen, wenn Spezialfasern mit unterschiedlichen Rotationswinkeln abgebildet werden (dargestellt in Abbildung 3). Wie durch die digitale Korrelationsmethode bestätigt, ist die Bildänderung auf Basis des Bessel-Strahls viel schneller als die des Gauß-Strahls und die Messgenauigkeit ist höher.

In dieser Arbeit wurde die Präzision der Messungen durch den Einsatz von Deep Learning weiter verbessert. Das Deep-Learning-Modell verarbeitet das aufgenommene Bild und gibt den vorhergesagten Faserrotationswinkel direkt aus. Darüber hinaus sammelten die Forscher auch Bilder von Fasern, die sich von denen der Faser unterschieden, die beim Aufbau der Trainingsdatenbank verwendet wurden, und gaben sie in das trainierte Deep-Learning-Modell ein, dessen Vorhersageergebnisse ebenfalls eine gute Präzision und Genauigkeit erreichten, was darauf hindeutet, dass die Deep-Learning-Methode verwendet wird verfügt über eine starke Generalisierungsfähigkeit und eine gute Robustheit in praktischen Anwendungen.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Bessel-Strahl-basierte Ansatz großes Potenzial für die Entwicklung von Anwendungen für präzise und zerstörungsfreie Messungen von Kernverteilungen in Mehrkernfasern und photonischen Kristallfasern hat.