本发明属于光学，特别是涉及一种调控多模光纤输出场温度响应的方法及多模线性传播系统。
背景技术：
1、多模光纤是一种复杂而重要的系统，在光通信、成像、传感、高功率激光器和光放大器等各种应用中都发挥着关键作用。在这些应用领域中，多模光纤携带大量光学模式的能力既是一个关键特征，也是一个重大挑战。与只能支持单个光学模式的单模光纤相比，多模光纤表现出显著增强的信息承载能力。此外，多模光纤的结构特性使基于光纤的激光器和放大器能够在高功率水平下工作。然而，模式色散、具有不同传播常数的传播模式之间的随机耦合、光纤的固有缺陷以及由外部扰动引起的无序都会导致通过多模光纤传输的光信号发生显著的失真。将相干光注入多模光纤后，可以在输出处观察到一种看似随机的、带有亮点和暗点的图案，称为散斑图案。散斑图案是由多模光纤中激发的本征模式之间的干涉形成的，模式传播过程中的任何变化都会导致散斑图案的变化。当光纤周围环境温度发生变化时会引起传播模式之间的相位差发生变化，导致散斑图案随之发生变化。理解和操纵多模光纤中的这种失真是电信、内窥镜成像和显微操作等领域中的一个重要挑战。
2、传统的光纤输出场温度响应调控方法往往需要复杂的制备工艺，例如拉锥、刻蚀、错位熔接、扭转、涂覆或者填充热敏材料等等。这些制备工艺往往会破坏光纤结构的鲁棒性，增加时间和实验成本。波前整形技术仅通过调制入射光场，即可对多模光纤的输出光场进行操纵，规避了传统方法的缺点。其中，传输矩阵是一种表征和控制多模光纤中光传播特性的一种有力工具，它是通过测量入射光场和输出光场之间的线性关系获得的。利用传输矩阵的共轭特性和时间反转特性能够方便地操纵多模光纤的输出光场。然而，利用传输矩阵只能描述多模光纤在静态下的传输特性，不能完全描述动态状态下多模光纤的传输特性。近年来，wigner和smith在量子力学中引入的时延算子引起了研究人员的极大兴趣。同时，随着波前整形技术和波前整形设备的发展，在光学中检测单个wigner-smith本征态已经成为可能。利用wigner-smith本征态，也被称为多模光纤中的主模式，可以有效缓解模色散引入的失真。通过这种方法，超短光脉冲可以在时间维度上以前所未有的保真度通过多模光纤进行传输。j.carpenter等人在《nature photonics》vol.9,2015,751–757中首次实验验证了多模光纤中主模式的存在，证明了主模式在不同类型的多模光纤中优于拉盖尔-高斯模式。由于主模式概念具有普适性，研究人员已经意识到，通过使用广义wigner-smith算子可以将主模式的概念扩展到入射光频率之外的其他参数，如m.matthes等人在《physical review x》vol.11,2021,021060中报道利用广义wigner-smith算子可以构建对外部形变不敏感的多模光纤形变主模式。然而，目前尚无利用主模式来调控多模光纤输出场温度响应的研究。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明提供一种调控多模光纤输出场温度响应的方法及多模线性传播系统，通过广义wigner-smith算子和波前整形技术生成的温度主模式和温度反主模式对多模光纤输出场温度带宽进行调控。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、一种利用特殊光学模式调控多模光纤输出场温度响应的方法，在该方法中：
4、需要增大输出场温度带宽时，通过获取温度主模式来增强多模光纤输出场对温度诱导失真的弹性，以增大输出场温度带宽；
5、需要降低输出场温度带宽时，利用梯度算法根据温度主模式来求解温度反主模式进而增强多模光纤输出场对温度诱导失真的敏感性，以降低输出场温度带宽。
6、作为优选方案，所述多模光纤输出场温度响应调控方法通过波前整形技术实现。
7、作为进一步优选方案，所述温度主模式为多模光纤广义wigner-smith算子的本征态。
8、作为进一步优选方案，所述多模光纤广义wigner-smith算子为多温度传输矩阵构造的温度算子。
9、作为进一步优选方案，所述多模光纤多温度传输矩阵为模式基传输矩阵。
10、作为进一步优选方案，通过纯相位型液晶空间光调制器生成温度主模式和温度反主模式。
11、作为进一步优选方案，所述温度带宽为多模光纤输出场相关性函数值低于0.5时对应的温度，并通过下述公式计算相关性函数：
12、
13、其中c为相关性函数；ψ(t)为在温度t下归一化的输出光场。
14、作为进一步优选方案，所述温度反主模式为使损失函数最小化的光学模式，并通过下述公式计算损失函数：
15、
16、其中γ为损失函数；c为相关性函数；ψ(t)为在温度t下归一化的输出光场，ψ(t0)为在初始温度t0下归一化的输出光场，为ψ(t)的共轭转置。
17、作为进一步优选方案，所述温度主模式在进行测量时，令入射光束依次通过偏振片、空间光调制器、物镜和多模光纤；所述偏振片与所述入射光束的中心轴重合；所述空间光调制器与空气的界面与所述入射光束互相垂直，所述空间光调制器液晶显示屏面积大于入射光束面积，所述空间光调制器调制深度为2πrad，所述空间光调制器灰阶范围为0到255；所述物镜的中心轴与所述入射光束的中心轴重合；所述多模光纤与空气的界面与所述调制后的入射光束互相垂直，所述多模光纤与空气的界面与所述物镜的焦平面重合。
18、作为进一步优选方案，所述多模光纤输出场温度响应调控方法具有普适性，适用于各种多模波导或者线性传播系统。
19、本发明还提供一种多模线性传播系统，其包括多模光纤，采用上述的方法调控多模光纤输出场温度响应。
20、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
21、本发明生成的温度主模式可以显著增强多模光纤输出场对温度诱导失真的弹性，相比于未调制的波前，温度带宽可以提高40％以上；生成的温度反主模式可以显著提高多模光纤输出场对温度诱导失真的敏感性，相比于未调制的波前，温度带宽可以缩短30％以上；生成的温度主模式和温度反主模式通过波前整形技术来产生，不需要破坏光纤结构鲁棒性，与传统的多模光纤输出场温度带宽调制技术相兼容；生成的温度主模式和温度反主模式不局限于特定类型的多模光纤，有利于本发明所述方法的实际应用；另外，本发明具有原理可靠和便于实现等优点，可以推广到其他多模波导或者线性传播系统，具有突出的实质性特点和明显的进步性，可广泛应用于光学领域。
1.一种调控多模光纤输出场温度响应的方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种调控多模光纤输出场温度响应的方法，其特征在于：所述多模光纤输出场温度响应调控方法通过波前整形技术实现。
3.根据权利要求1所述的一种调控多模光纤输出场温度响应的方法，其特征在于：所述温度主模式为多模光纤广义wigner-smith算子的本征态。
4.根据权利要求3所述的一种调控多模光纤输出场温度响应的方法，其特征在于：所述多模光纤广义wigner-smith算子为多温度传输矩阵构造的温度算子。
5.根据权利要求4所述的一种调控多模光纤输出场温度响应的方法，其特征在于：所述多模光纤多温度传输矩阵为模式基传输矩阵。
6.根据权利要求1所述的一种调控多模光纤输出场温度响应的方法，其特征在于：通过纯相位型液晶空间光调制器生成温度主模式和温度反主模式。
7.根据权利要求1所述的一种调控多模光纤输出场温度响应的方法，其特征在于：所述温度反主模式为使损失函数最小化的光学模式，并通过下述公式计算损失函数：
8.根据权利要求1所述的一种调控多模光纤输出场温度响应的方法，其特征在于：所述温度主模式在进行测量时，令入射光束依次通过偏振片、空间光调制器、物镜和多模光纤；所述偏振片与所述入射光束的中心轴重合；所述空间光调制器与空气的界面与所述入射光束互相垂直，所述空间光调制器液晶显示屏面积大于入射光束面积，所述空间光调制器调制深度为2πrad，所述空间光调制器灰阶范围为0到255；所述物镜的中心轴与所述入射光束的中心轴重合；所述多模光纤与空气的界面与所述调制后的入射光束互相垂直，所述多模光纤与空气的界面与所述物镜的焦平面重合。
9.一种多模线性传播系统，其包括多模光纤，采用权利要求1至8中任一所述的方法调控多模光纤输出场温度响应。
