專利名稱：一種用于測(cè)量光學(xué)雙折射媒介中偏振串?dāng)_的方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)偏振特性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及通過(guò)對(duì)由于雙折射色散引起串?dāng)_點(diǎn)包絡(luò)寬度線性展寬進(jìn)行補(bǔ)償修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙折射光學(xué)材料及儀器中偏振串?dāng)_點(diǎn)的測(cè)量。
背景技術(shù)：
對(duì)于各種不同的光學(xué)裝置、系統(tǒng)及應(yīng)用中，光偏振特性是光信號(hào)一個(gè)相當(dāng)重要的物理參量。由于在不同折射率的媒介中光信號(hào)以不同的偏振態(tài)進(jìn)行傳輸，因此不同雙折射的光學(xué)媒介又會(huì)改變或者影響光信號(hào)的偏振態(tài)。例如，光纖本身具有雙折射效應(yīng)，因此在其中傳播的光偏振態(tài)會(huì)發(fā)生改變。光纖中的雙折射通常會(huì)隨時(shí)間而變化，也會(huì)隨著其工作環(huán) 境一如壓力或者溫度的變化而隨機(jī)變化。保偏光纖就是一種具有光學(xué)雙折射材料的例子，它具有很高的雙折射特性，從而保證其內(nèi)部?jī)蓚€(gè)獨(dú)立的偏振模傳輸態(tài)一HEslow11和HEfast11,即光僅沿著保偏光纖偏振態(tài)相互垂直的快軸和慢軸傳播。在保偏光纖中，沿慢軸HEslw11的偏振光折射率要比沿快軸HEfast11模態(tài)偏振光折射率高。當(dāng)線偏振光偏振方向與慢軸方向一致被I禹合進(jìn)入保偏光纖，此時(shí)，只有HEslm11模態(tài)的偏振光被激發(fā)，傳輸光的偏振態(tài)將保持慢軸偏振光特性；相反，當(dāng)線偏振光偏振方向與快軸方向一致被I禹合進(jìn)入保偏光纖，則只有HEfast11模態(tài)的偏振光被激發(fā)，傳輸光的偏振態(tài)將保持快軸偏振光特性。保偏光纖這種保持光偏振態(tài)的特性可以有多種用途，例如光纖陀螺、集成光學(xué)設(shè)備、高性能干涉儀和偏振傳感儀、量子保密密鑰分配、光纖激光器等。發(fā)生在保偏光纖上的擾動(dòng)-例如施加在保偏光纖上的應(yīng)力，將會(huì)引起保偏光纖相互垂直的兩偏振模之間產(chǎn)生光的串?dāng)_(或叫光耦合)，即一個(gè)偏振模的光能量將會(huì)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)偏振模上。在保偏光纖中，由于保偏光纖本身存在的內(nèi)部缺陷或者作用在光纖上的外部應(yīng)力影響，即使入射光與保偏光纖的快軸或慢軸完全對(duì)準(zhǔn)入射，在保偏光纖兩偏振模之間也會(huì)發(fā)生光能量的耦合。通常采用偏振串?dāng)_來(lái)表征保偏光纖中快軸和慢軸之間模式的耦合情況。在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)保偏光纖中串?dāng)_點(diǎn)的位置進(jìn)行定位和對(duì)其串?dāng)_點(diǎn)的大小進(jìn)行測(cè)量。例如，在光纖陀螺應(yīng)用中，通常采用偏振串?dāng)_測(cè)量來(lái)檢測(cè)保偏環(huán)繞制前原料光纖的質(zhì)量，以及對(duì)繞纖過(guò)程中串?dāng)_點(diǎn)對(duì)保偏光纖環(huán)的惡化進(jìn)行控制和在光纖環(huán)繞制結(jié)束后的質(zhì)量進(jìn)行診斷。保偏光纖本身也可作為光學(xué)傳感介質(zhì)，可利用偏振串?dāng)_作為傳感信息。例如，通過(guò)偏振串?dāng)_測(cè)量來(lái)獲得沿保偏光纖長(zhǎng)度上的應(yīng)力分布，可對(duì)橋梁、隧道、堤壩、管道沿線或輸油管輸氣管、建筑物等的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在保偏光纖上出現(xiàn)機(jī)械擾動(dòng)，將直接引起其偏振串?dāng)_，因此對(duì)偏振串?dāng)_進(jìn)行測(cè)量還可以發(fā)現(xiàn)保偏光纖鏈路中的侵入活動(dòng)。偏振串?dāng)_測(cè)量還能用于檢測(cè)保偏光纖的質(zhì)量，通過(guò)對(duì)保偏光纖中串?dāng)_點(diǎn)缺陷部位進(jìn)行定位，此舉能幫助光纖生產(chǎn)商消除或者使用者避開(kāi)光纖中的缺陷部位，或者通過(guò)預(yù)先的測(cè)量做到減少缺陷點(diǎn)的影響。偏振串?dāng)_測(cè)量還可用于測(cè)量偏振波導(dǎo)的高消偏比、獲得光源的自相關(guān)函數(shù)、測(cè)量保偏光纖的雙折射、保偏光纖和單模光纖的長(zhǎng)度和對(duì)干涉儀的光程進(jìn)行匹配。
沿保偏光纖上快慢軸之間傳播的光波所發(fā)生的干涉信號(hào)，是體現(xiàn)在保偏光纖中串?dāng)_點(diǎn)位置上，而在多個(gè)串?dāng)_點(diǎn)之間的光波多次耦合干涉則被稱為為鬼影干涉信號(hào)。當(dāng)在保偏光纖上存在多個(gè)強(qiáng)的耦合點(diǎn)時(shí)鬼影干涉信號(hào)會(huì)變得很強(qiáng)，這樣就容易造成對(duì)串?dāng)_點(diǎn)位置和串?dāng)_強(qiáng)度的誤判。圖I所示是一個(gè)使用光學(xué)干涉儀器對(duì)沿保偏光纖上偏振串?dāng)_的空間分布的進(jìn)行測(cè)量的典型裝置，其中圖IA為測(cè)量裝置的元件構(gòu)成圖；圖IB給出了相對(duì)于保偏光纖主軸而言，起偏器的偏振方向；圖IC給出了沿著保偏光纖多個(gè)位置由保偏光纖應(yīng)力引起兩個(gè)正交偏振態(tài)之間的偏振串?dāng)_分布情況。在圖I中，由寬帶光源產(chǎn)生的寬帶光101經(jīng)由位置A處進(jìn)入保偏光纖110中。該光101偏振方向與保偏光纖慢軸相一致。在B點(diǎn)處的壓力引起沿保偏光纖快軸和慢軸兩個(gè)正交的偏振方向之間產(chǎn)生偏振I禹合，并直接產(chǎn)生一個(gè)與快軸方向相一致的偏振分量。由于保偏光纖中兩個(gè)偏振成分以不同速度進(jìn)行傳播，因此在光纖的輸出端111 (位置C)兩偏振成分之間將會(huì)產(chǎn)生不同的相位延遲，兩者的相位延遲差ΛΖ如公式(I)所示
Δ z = nsz_nfz =Δ nz (I)其中ns和nf分別是快軸和慢軸的折射率，兩個(gè)折射率差是Λ n，Z是耦合點(diǎn)B到輸出點(diǎn)C之間的距離。如果在光纖輸出端111后放置一個(gè)起偏器120,并使得其偏振方向與保偏光纖的慢軸呈45度(

圖1B)，此時(shí)對(duì)于兩偏振成分而言，均有一半的光能量通過(guò)起偏器120,并以與起偏器偏振軸方向一致相同的偏振方向出射。因此，當(dāng)直接將干涉儀用于接收從起偏器120輸出的光時(shí)，由于起偏器120的作用使得保偏光纖中兩正交偏振模成分發(fā)生干涉。因此這個(gè)光干涉儀可以用于偏振串?dāng)_的測(cè)量。圖I中所舉例的干涉儀為典型的邁克爾遜干涉儀，其結(jié)構(gòu)工作原理為一個(gè)光分束器130用來(lái)接收來(lái)自起偏器120的輸出光，并將所接收到的光分成兩束，其中一束光沿著第一光路142傳播經(jīng)由固定反射鏡140進(jìn)行反射，而另一束光沿著第二光路143傳播經(jīng)由可移動(dòng)反射鏡141進(jìn)行反射。通過(guò)一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)改變可移動(dòng)反射鏡141的位置，進(jìn)而對(duì)移動(dòng)臂中的光程進(jìn)行調(diào)整。由反射鏡140和141反射后兩束光將沿著第一光路和第二光路逆向回到分束器130。由反射鏡140和141反射后的光回到分束器上時(shí)，由于空間交疊而發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉輸出信號(hào)132，此干涉信號(hào)隨著可移動(dòng)反射鏡的移動(dòng)而呈周期重現(xiàn)。在干涉信號(hào)中相鄰兩干涉峰之間的光程差對(duì)應(yīng)于反射鏡141移動(dòng)的距離Λ η · ζ，相應(yīng)的根據(jù)公式(I)可以獲得保偏光纖中的耦合點(diǎn)的位置為ζ =Λ ζ/ Λ η。耦合點(diǎn)的位置也可以從干涉圖表中得出。耦合率也可以通過(guò)干涉峰的強(qiáng)度計(jì)算出。圖IC所示是保偏光纖中存在多點(diǎn)耦合的情況。在這種情況下，測(cè)量過(guò)程變得更復(fù)雜。如果保偏光纖中有(η+1)個(gè)耦合點(diǎn)UciX1X2 · ·χη)，則沿著慢軸方向傳輸?shù)木€偏振輸入光波112將在輸出末端處113分成2η個(gè)沿著慢軸的小波包和2η個(gè)沿著快軸的小波包。這樣，在第i個(gè)耦合點(diǎn)之后，沿快軸方向和慢軸方向的兩個(gè)波包&和G分別包括2i波包，其光路光程可以描述為公式(2)f P \{ P \
* I1 f I
>1,1J I -
pP
Si,2Psi 二 · Pf= /(2)
f、,/jJW
·P .p .
J \ Js^ J其中及，j (j=lto 20和& . j (j=l to 20是分別表示5,和Λ中的第j個(gè)波包列的光程。第(i+1)個(gè)耦合點(diǎn)之后的波包串的光程可以用公式(3)計(jì)算出
f (ΧΜ^ x^S+pSlI、
(XM -也 +PSi2
(xM — Xf)ns + PPs =P = i .丄；…、基于公式(3)，保偏
(Λ,,」-.V, +,(3)
(Xf+| - Χ,.)Λ/ +/)/;2
、(x,+,+P為
光纖輸出處的波包光程可以由公式(4)獲得
r (-W,,—.>.ι+/ν" (f Λ,7°Γρ IW
sx U ,+d (u;為 .η、'I (x -x0)nf )對(duì)應(yīng)的波包串強(qiáng)度1\和14可以通過(guò)下面公式計(jì)算
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權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量光學(xué)雙折射媒介中偏振串?dāng)_的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 1)將寬帶光源輸出的線性偏振光稱合入一具有保持傳輸光兩正交偏振模的功能的光學(xué)雙折射媒介中，并在該光學(xué)雙折射媒介中產(chǎn)生一光信號(hào)； 2)將該光信號(hào)接入一干涉儀，獲取兩正交偏振模間光干涉信號(hào)； 3)對(duì)所獲取的光干涉信號(hào)進(jìn)行處理，獲得光學(xué)雙折射媒介中含有雙折射色散影響的兩正交偏振模間偏振串?dāng)_點(diǎn)的包絡(luò)譜函數(shù)； 4)基于對(duì)步驟3)獲得的含有雙折射色散影響的包絡(luò)譜函數(shù)測(cè)量，得出光學(xué)媒介中的雙折射色散參數(shù)，基于該雙折射色散參數(shù)求得包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)，利用該包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)對(duì)該含有雙折射色散影響的包絡(luò)譜函數(shù)的展寬進(jìn)行修正，得到消除了雙折射色散影響的包絡(luò)譜函數(shù)，通過(guò)該修正后的包絡(luò)譜函數(shù)獲得光學(xué)雙折射媒介中偏振串?dāng)_。
2.如權(quán)利要求I中所述的方法，其特征在于，所述步驟4)中所述基于雙折射色散參數(shù)求得包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)具體包括 對(duì)光學(xué)雙折射媒介中沿光路上兩個(gè)或多個(gè)不同位置處包絡(luò)譜函數(shù)包絡(luò)寬度進(jìn)行測(cè)量，提取光學(xué)雙折射媒介的雙折射色散參數(shù)；并用所獲取的雙折射色散參數(shù)，生成包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)。
3.如權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于，所述步驟4)得到修正后的包絡(luò)譜函數(shù)具體方法為 通過(guò)將含有雙折射色散影響的包絡(luò)譜函數(shù)與包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)進(jìn)行相乘得到修正后的包絡(luò)譜函數(shù)。
4.如權(quán)利要求I中所述的方法，其特征在于，所述干涉儀是使用一基于光纖結(jié)構(gòu)的干涉設(shè)備，或使用一全光纖結(jié)構(gòu)的干涉儀。
5.如權(quán)利要求I中所述的方法，其特征在于，所述干涉儀為一邁克爾遜干涉儀。
6.如權(quán)利要求I中所述的方法，其特征在于，所述光雙折射媒介為保偏光纖。
7.一種用于測(cè)量雙折射光學(xué)媒介中偏振串?dāng)_的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括 一個(gè)耦合裝置，用于將寬帶光源發(fā)射的線偏振光耦合到可保持兩個(gè)正交偏振模的光學(xué)雙折射媒介中，并從光學(xué)雙折射媒介產(chǎn)生輸出光信號(hào)； 一個(gè)光學(xué)干涉儀，用于接收由雙折射媒介的輸出光信號(hào)，并處理該信號(hào)獲得雙折射媒介中兩正交偏振模的光干涉信號(hào)； 一個(gè)處理設(shè)備，用于對(duì)所獲得的光干涉信號(hào)進(jìn)行處理，獲得光學(xué)雙折射媒介中兩正交偏振模之間偏振串?dāng)_點(diǎn)的包絡(luò)譜函數(shù)，并基于對(duì)光學(xué)雙折射包絡(luò)譜的測(cè)量，獲得光學(xué)雙折射媒介中的雙折射色散參數(shù)，利用求取的雙折射色散參數(shù)得到包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)，應(yīng)用包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)與包絡(luò)譜函數(shù)進(jìn)行相乘，減小光學(xué)雙折射媒介中雙折射色散導(dǎo)致的包絡(luò)譜函數(shù)中包絡(luò)展寬現(xiàn)象。
8.如權(quán)利要求7中所述的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括一數(shù)據(jù)處理模塊，用于運(yùn)算出光學(xué)雙折射媒介中沿光路上兩點(diǎn)或多點(diǎn)不同位置處包絡(luò)譜函數(shù)的包絡(luò)寬度，并根據(jù)包絡(luò)譜函數(shù)的包絡(luò)寬度獲得光學(xué)雙折射媒介中的雙折射色散參數(shù)。
9.如權(quán)利要求8中所述的設(shè)備，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊還包括將包絡(luò)譜函數(shù)與包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)相乘，產(chǎn)生一校正后的包絡(luò)譜函數(shù)，該校正后的包絡(luò)譜函數(shù)的譜寬消除了由雙折射色散而導(dǎo)致的包絡(luò)譜展寬現(xiàn)象。
10.如權(quán)利要求7中所述的設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)干涉儀為一全光纖結(jié)構(gòu)的干涉儀。
11.如權(quán)利要求7中所述的設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)干涉儀為一邁克爾遜干涉儀。
12.如權(quán)利要求7中所述的設(shè)備，其特征在于，還包括一個(gè)起偏器，置于光學(xué)干涉儀之前，用于對(duì)通過(guò)的光進(jìn)行某一方向起偏，以保證由光學(xué)雙折射媒介輸出的光信號(hào)中兩正交的偏振態(tài)產(chǎn)生混合，使得由起偏器輸出的光信號(hào)直接入射至干涉儀中。
13.如權(quán)利要求7中所述的設(shè)備，其特征在于，所述干涉儀包括一光纖耦合器，用于接收由起偏器輸出的光信號(hào)，并將該光信號(hào)分成第一和第二光束；耦合器中的第一路光纖用于接收第一光束；在第一路光纖末端連接第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，用于將第一路光纖中輸出的光信號(hào)反射按原路返回；耦合器的第二路光纖用于接收第二光束；在第二路光纖末端連接第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，用于將第二路光纖中輸出的光信號(hào)反射，并按原路返回；所述光纖耦合器接收由第一路光纖和第二路光纖回來(lái)的反射光，使其發(fā)生干涉； 在第二路光纖中耦合一個(gè)可變的光延遲裝置，用于將該光路中的光進(jìn)行可調(diào)節(jié)延遲；一光電探測(cè)器用于檢測(cè)由光纖耦合器輸出的攜帶有光干涉信息的光信號(hào)，并且將光干涉信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸送到處理設(shè)備進(jìn)行處理。
14.一種用于測(cè)量雙折射光學(xué)媒介中偏振串?dāng)_的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括 一寬帶光源模塊，用于產(chǎn)生一寬譜線偏振光，該偏振光輸入至一光學(xué)雙折射媒介，該光學(xué)雙折射媒介由于其自身所具有的光學(xué)雙折射特性使得其具有使通過(guò)的光保持正交偏振模的能力，并由光學(xué)雙折射媒介產(chǎn)生一光信號(hào)； 一光學(xué)干涉儀，用于接收由光學(xué)雙折射媒介中輸出的光信號(hào)，并生成兩正交偏振模之間光的干涉信號(hào)； 一光學(xué)探測(cè)器，用于接收由光學(xué)干涉儀輸出的攜帶有干涉信息的光信號(hào)，并產(chǎn)生一探測(cè)器輸出電信號(hào)； 一處理器，用于處理由探測(cè)器輸出的電信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算處理輸出一控制信號(hào)，直接反饋至光學(xué)干涉儀控制干涉儀兩臂中的相對(duì)延遲，獲取光學(xué)雙折射媒介中兩正交偏振模之間偏振耦合點(diǎn)的包絡(luò)譜函數(shù)，并對(duì)包絡(luò)譜函數(shù)運(yùn)用包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)，減小光學(xué)雙折射媒介中由于光學(xué)雙折射色散而導(dǎo)致的包絡(luò)譜函數(shù)的包絡(luò)展寬。
15.如權(quán)利要求14中所述的設(shè)備，其特征在于，所述處理器進(jìn)一步包括通過(guò)運(yùn)用包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)對(duì)包絡(luò)譜函數(shù)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)將包絡(luò)譜函數(shù)乘以包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)，從而產(chǎn)生一修正后、包絡(luò)寬度已消除了由雙折射色散導(dǎo)致的包絡(luò)展寬的包絡(luò)譜函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量光學(xué)雙折射媒介中偏振串?dāng)_的方法和裝置，該方法包括將線性偏振光耦合入光學(xué)雙折射媒介中，并在其中產(chǎn)生一光信號(hào)；將該光信號(hào)接入一干涉儀，獲取兩正交偏振模間光干涉信號(hào)；對(duì)所獲取的光干涉信號(hào)進(jìn)行處理，獲得含有雙折射色散影響的光學(xué)雙折射媒介中兩正交偏振模間偏振串?dāng)_點(diǎn)的包絡(luò)譜函數(shù)；對(duì)包絡(luò)譜函數(shù)測(cè)量，得出光學(xué)媒介中的雙折射色散參數(shù)，再用求得的包絡(luò)寬度展寬補(bǔ)償函數(shù)對(duì)包絡(luò)譜函數(shù)的展寬進(jìn)行修正，得到修正后的包絡(luò)譜函數(shù)，通過(guò)該修正后的包絡(luò)譜函數(shù)獲得光學(xué)雙折射媒介中偏振串?dāng)_。本發(fā)明可消除因?yàn)殡p折射色散引起的包絡(luò)譜展寬帶來(lái)的對(duì)測(cè)量精度的不良影響。
文檔編號(hào)G01N21/23GK102914421SQ20121040133
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者姚曉天, 李志宏 申請(qǐng)人:蘇州光環(huán)科技有限公司, 通用光訊光電技術(shù)(北京)有限公司