中文摘要：

本项目基于数字全息，提出一种准确定位光纤三维折射率分布的测试原理和方法，以满足快速增长的新型光纤设计、制备和应用方面的光纤结构信息测量的需求。研究内容主要包括光纤结构信息对数字全息图的影响机理；基于光纤旋转的多角度数字全息三维测量技术；数字全息图的还原和折射率分布的优化逼近算法；基于数字全息的光纤三维折射率分布测量系统的实现。该研究是采用光纤旋转获取多幅数字全息图集合，通过全息图还原和折射率优化逼近算法得到光纤三维折射率分布，并进行光纤结构信息及其性能的分析，它是一种基于光纤干涉的数字全息三维测量技术，易于实现全息光路和全息图。因此，本项目的研究成果将成为一种准确定位光纤三维折射率分布测试的新方法，适用于光纤、光波导和光学材料等的三维折射率分布测量。

结论摘要：

随着光纤技术发展，光纤在通信、传感、检测、精密测量和高能光纤激光器等领域得到了大量的应用。光纤的折射率分布是影响光纤的损耗、带宽、传感特性、通信性能的主要因素，不仅可以反映色散、损耗、掺杂浓度、光传输等特性，还可以为研究这些特性的内在成因提供有力的数据支撑。因此，准确测量光纤三维折射率分布对研制高性能的光纤具有重要意义。 本课题基于数字全息显微干涉技术构建了光纤三维折射率分布的测试系统，包括改进的光路系统和开发的软件系统。在数字全息显微层析技术的基础上，通过改进马赫曾德干涉系统构建了稳定、简单且易操作的新型光路系统。结合新型光路系统，开发了一款用于实时光路分析和光纤相位提取的软件系统。以物光波的相位分布信息为参考，对光路系统进行反馈调节，由CCD记录下最优的数字全息图。用基于角谱理论的再现算法对全息图进行数值再现，提取光纤相位差分布，并通过模拟分析相位提取算法的精度。 为了快速重建圆对称各种光纤的三维折射率分布，本课题对光纤多层模型进行了理论研究，并通过模拟对多层快速重建算法进行误差分析，并采用基于边缘检测的算法对重建折射率进行误差校正。以单模、多模、双包层对称光纤为实验样品，由测试系统获取光纤相位差分布，由多层算法重建其折射率分布，测量结果与S14折射率测量仪的测量结果吻合。 为了对非对称特种光纤的三维折射率进行测量研究，本课题对滤波反投影算法进行了理论分析，并通过模拟对滤波反投影算法的三维重建精度进行验证。以熊猫，椭圆特种光纤为实验样品，通过旋转光纤获得180个角度的相位差分布，由滤波反投影算法对其折射率进行重建，测量结果与S14的测量结果吻合。 本课题分别从光路设计、相位提取与分析、折射率重建、误差分析与校正和实时测量软件的设计与开发等方面构建了一套完整的光纤三维折射率测试系统。以单模、多模、双包层、熊猫、椭圆等光纤为实验样品进行测量，结果与S14的测量结果吻合，精度可达10-4。实验对比结果表明本课题实验系统可简单、无损、快速且准确的测量一段光纤三维折射率分布。