CN101819086B - 光纤色散测量系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测试设备及其使用方法领域，具体公开了一种光纤色散测量系统，其包括光源系统和干涉测量系统，光源系统包括沿光路依次布设的脉冲激光器、光隔离器、窄带滤波片、反射镜组和光源用光子晶体光纤；干涉测量系统包括分束器、接收分束器反射、透射光束的测量臂和参考臂，测量臂中布设有待测光纤组件；光源用光子晶体光纤的两端连接有三维光纤耦合平台；分束器另设有一输出端，该输出端后的光路上依次布设有偏振器、窄带滤波器、无截止单模光子晶体光纤组件和数据收集处理系统。通过选用一特定空气孔结构的高非线性光子晶体光纤作为光源用光子晶体光纤可以使该系统产生超连续谱白光，以进行色散系数的高精度、高效率、低成本测量。

Description

光纤色散测量系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种光学测试设备及其使用方法，尤其涉及一种对光学中的色散性质进行测量的设备及其使用方法。

背景技术

自1992年Russell等人提出光子晶体光纤的概念以来，光子晶体光纤便以其奇异的特性得到了各国科研人员的极大关注，相关的理论和实验研究论文每年以70％的速度递增。光子晶体光纤表现出来的无截止单模、大模场面积、极强的非线性效应、高双折射效应、色散可控且在可见光和近红外波段具有反常色散等优异特性，使得它在色散补偿性、超连续谱的产生、光纤传感、大功率激光传输、大功率光纤激光器等方面拥有巨大的应用前景。

色散是光子晶体光纤最为重要的特性参数之一，如超连续谱的产生等许多应用都必须预先知道它的色散特性。虽然，光子晶体光纤色散特性的数值计算方法已经很多，但相关的实验研究还很少。理论计算结果正确与否最终还需通过实验来验证，而且由于拉制的光纤结构不可能完全对称，对光纤的色散特性也有较大的影响。因此，为了更好地获取光子晶体光纤的色散特性，必须进行色散测量。目前，还没有专门针对光子晶体光纤设计的商用色散测量系统。由于光子晶体光纤与普通光纤具有相同的色散概念，因此一般都是直接利用普通光纤的色散测量方法进行测量。

商用的光纤色散测量系统一般采用相移法，其测量原理是使不同波长的脉冲光分别通过已知长度的被测光纤，分别测量它们对应的相对群延时，再由群延时差计算出被测光纤的色散系数。使用该系统的测量方法非常昂贵，且工作波长范围一般为通信区(1530～1625nm)，测量精度一般在20ps左右，需要较长的测量光纤(＞10m)，不适合光子晶体光纤。为寻找一种在实验室就可实现的经济测量方法，国内外光子晶体光纤研究者采用较多的是飞秒时延技术和白光干涉技术。飞秒延时测量方法需要一台可调的飞秒激光器，其测量精度一般为50～100ps，因此需要很长(几十米)的光纤，不适合目前光子晶体光纤制造成本较高的现状。白光干涉测量方法由于采用了高精度的干涉测量技术，测量精度可达1ps，远远高于其它方法的测量精度，利用较短的光纤(＜1m)就可实现色散测量，非常适合光子晶体光纤。然而，传统的白光干涉法需要一台高精度、高稳定性的光谱分析仪，同时其测量带宽受传统白光光源光谱的限制，无法实现宽光谱的色散测量。光子晶体光纤的许多应用，如超连续谱产生、色散补偿等，需要知道在很宽光谱范围内的色散特性。因此，传统白光干涉色散测量方法还是无法满足光子晶体光纤实际应用的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、成本小、精度高、适用范围广的光纤色散测量系统，还提供一种操作简单方便、测量效率高的该光纤色散测量系统的使用方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种光纤色散测量系统，所述光纤色散测量系统包括光源系统和干涉测量系统，所述光源系统包括沿光路依次布设的脉冲激光器、光隔离器、窄带滤波片、反射镜组和光源用光子晶体光纤，所述干涉测量系统包括分束器、接收分束器反射光束的测量臂和接收分束器透射光束的参考臂，所述测量臂中布设有待测光纤组件；所述光源用光子晶体光纤的输入端连接有一接收反射镜组反射光束的三维光纤耦合平台，所述光源用光子晶体光纤的输出端连接有一准直入射至所述分束器的三维光纤耦合平台；所述分束器另设有一输出来自所述测量臂和参考臂的合并反射光束的输出端，该输出端后的光路上依次布设有偏振器、窄带滤波器、无截止单模光子晶体光纤组件和数据收集处理系统。

上述的光纤色散测量系统克服了传统白光干涉测量技术的缺陷，其一大创新在于利用了光子晶体光纤的高非线性和色散可控特性制作出新型的超宽光谱白光光源，以替代传统的白光光源，这大大扩展了光纤色散测量的光谱范围，不仅适用于普通光纤的色散测量，而且特别适用于光子晶体光纤的色散测量。

上述的光纤色散测量系统中，所述数据收集处理系统的优选结构包括有一接收无截止单模光子晶体光纤组件发出的光信号的光电探测器，所述光电探测器后连接有一数据采集卡，该数据采集卡后连有一计算机。正是由于本发明是利用光子晶体光纤产生的超连续谱白光取代传统白光光源，因此后续的干涉测量系统中无需采用价格昂贵的光谱分析仪，只需采用一个普通的光电探测器、一张数据采集卡和一台计算机即可完成后续的数据采集和处理工作，且同样具有很高的精度和稳定性。

上述的光纤色散测量系统中，所述参考臂的光路上优选布设有一接收所述分束器透射光束的色散补偿平台组件，色散补偿平台组件后的光路上设有一与所述计算机相连的移动平面反射镜系统。

上述的光纤色散测量系统中，所述待测光纤组件优选布设于所述测量臂中的固定平面反射镜与所述分束器之间的光路上，该待测光纤组件包括一段待测光子晶体光纤，所述待测光子晶体光纤的一端连接有一接收所述分束器反射光束的三维光纤耦合平台，所述待测光子晶体光纤的另一端连接有一接收所述固定平面反射镜反射光束的三维光纤耦合平台。

上述的光纤色散测量系统中，所述无截止单模光子晶体光纤组件的组成优选包括一段无截止单模光子晶体光纤，所述无截止单模光子晶体光纤的一端连接有一接收所述窄带滤波器输出光束的三维光纤耦合平台，所述无截止单模光子晶体光纤的另一端设有一与所述数据收集处理系统相连接的裸纤适配器(简称FC头)。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种如上所述的光纤色散测量系统的使用方法，该使用方法的一个重要操作步骤是使所述光源系统产生超连续谱白光，本发明提出采用以下操作使所述光源系统产生超连续谱白光：选用一高非线性光子晶体光纤作为所述光源用光子晶体光纤，所述光源用光子晶体光纤内部沿纤芯向外包围有多层(一般为5～9层)空气孔结构，所述空气孔的孔径d一般为1μm～5μm，所述空气孔的孔间距Λ一般为1μm～5μm，所述光源用光子晶体光纤的占空比d/Λ一般大于0.6，所述光源用光子晶体光纤的纤芯直径一般为1μm～5μm。由于光子晶体光纤的物理特性在很大程度上是由包层的空气孔结构决定，因此，通过合理设计光源用光子晶体光纤的包层空气孔的大小、形状及排列方式便可实现色散控制和零色散点的选择，同时还可以获得很强的非线性，这非常有利于超连续谱白光的产生。

作为对上述光纤色散测量系统的使用方法的进一步改进，使峰值功率足够大(对于脉冲宽度为fs级则须大于1kW，对于脉冲宽度为ps级或ns级则须大于10kW)、且中心波长位于所述光源用光子晶体光纤零色散点附近的反常色散区的脉冲激光注入到长度适当(对于fs激光器为1m左右，对于ps或ns激光器为10～20m)的所述光源用光子晶体光纤中以获得超连续谱白光。在该优选的工艺控制中，通过选择适当波长、适当峰值功率及适当脉宽的脉冲激光器，并将其产生的脉冲激光注入到上述的高非线性光子晶体光纤中，由于各种非线性效应的作用便可产生出更具可靠性和稳定性的超连续谱白光。将上述操作产生的超连续谱白光作为后续色散测量的光源，再结合窄带滤波器便可实现宽带光子晶体光纤的色散测量。

本发明的光纤色散测量系统及使用方法的工作原理为：

在采用本发明的光纤色散测量系统进行色散测量时，超连续谱白光光源输出的光束经干涉测量系统中的分束器被分为两束，分别进入干涉测量系统中的测量臂和参考臂；测量臂中的反射光束的相位受到光纤色散的调制，而参考臂中的透射光束直接在空气中传输，测量臂、参考臂中的反射光束、透射光束分别经过各自光路中的反射镜再次反射后，再经合束器(所述分束器兼具有合束器功能)合成一束，最后经过偏振器、窄带滤波器及无截止单模光子晶体光纤组件后进入到数据收集处理系统中；当数据收集处理系统中设有一光电探测器时，光电探测器接收到的光强可以写成：

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(l_{\mathrm{ref}}-l_{\mathrm{test}})\right)---\left(1\right)$

式(1)中，I₁、I₂分别表示测量臂、参考臂到达光电探测器的光强；l_test和l_ref分别表示测量臂和参考臂的光程，其中l_test与待测光纤的色散有关。

由于超连续谱白光光源的相干长度非常短，因此只有在两臂光程基本相等的情况下才能看到明显的干涉现象，特别当光程完全相等时(l_test＝l_ref)，干涉最强。对每一个波长λ_i(i＝0，1，...n)，通过调节参考臂或测量臂的光程(如通过扫描安装在参考臂或测量臂中电控线性移动平台上的反射镜实现)，可得到一组光强随时间(或随反射镜的位置)变化的干涉图样，当两臂光程相等时干涉光强最大，此时记录干涉最强时移动平面反射镜的位置x_i(i＝0，1，...n)，便能得到一组(λ_i，x_i)。利用以下经验公式(2)进行多项式拟合，便可得到干涉最强位置随波长的变化关系式x＝x(λ)。

x(λ)＝α+βλ^-4+γλ^-2+ζλ²+ξλ⁴    (2)

式(2)中，α、β、γ、ζ和ξ为拟合多项式的系数。

由色散系数D的原始定义可得

$D=\frac{1}{L}\frac{{\mathrm{\Δ\τ}}_i}{{\mathrm{\Δ\λ}}_i}=\frac{2}{\mathrm{cL}}\frac{{\mathrm{\Δx}}_i}{{\mathrm{\Δ\λ}}_i}---\left(3\right)$

式(3)中，L为待测光纤长度，Δτ为相邻波长对应的群时延差，Δλ为相邻的波长差，c为光速，Δx为相邻波长对应的干涉最强时移动平面反射镜的距离；色散系数D的单位是ps/(km·nm)，1ps/(km·nm)即是指一个1nm带宽的脉冲传播1km之后将会展宽1ps。式(3)写成微分形式为

$D=\frac{2}{\mathrm{cL}}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}---\left(4\right)$

根据式(4)，对得到的干涉最强位置随波长的变化关系式式(2)进行求导便可得到色散系数D的表达式

$D\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{4}{\mathrm{cL}}({2\mathrm{\ξ\λ}}^3+\mathrm{\ζ\λ}-{\mathrm{\γ\λ}}^{-3}-{2\mathrm{\β\λ}}^{-5})---\left(5\right)$

根据该表达式(5)即可算出待测光纤不同波长对应的色散系数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的光纤色散测量系统无需采用昂贵的光谱分析仪，只需一个普通光电探测器、一张数据采集卡和一台微机即可完成整个测量过程，测量成本大大减小；同时，由于本发明采用了高精度的干涉测量技术，只需很短长度的待测光纤即可完成色散测量过程，对于光子晶体光纤的测量来说，这又进一步减少了昂贵的光子晶体光纤的用量，成本进一步减小，经济效益明显，实用性大大增强；

(2)本发明利用光子晶体光纤产生的超连续谱白光光源作为测量用光源，其大大扩展了色散测量的光谱范围，扩大了本发明测量系统的适用性；

(3)本发明利用光子晶体光纤产生的超连续谱白光光源比普通白光光源功率密度大，且功率谱响应平坦，因此大大提高了本发明测量系统的测量精度；

(4)此外，本发明的色散测量系统结构紧凑，例如本发明同时采用迈克尔逊干涉仪测量结构，比马赫-曾德尔结构少用一个分束棱镜，因此使用更为方便。

利用本发明的使用方法对本发明的光纤色散测量系统进行操作，不仅能够高效、快速的获得超连续谱白光，而且操作简便，能进一步提高色散测量过程的效率。

附图说明

图1为本发明实施例中的光纤色散测量系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中三维光纤耦合平台的结构示意图。

图3为本发明实施例中二维色散补偿显微物镜的结构示意图。

图4为本发明实施例中移动平面反射镜系统的结构示意图。

图5为本发明实施例中光源用光子晶体光纤横截面的电镜扫描图。

图6为本发明实施例中光源用光子晶体光纤纤芯附近的电镜扫描放大图。

图7为本发明实施例中光源用光子晶体光纤产生的超连续谱白光的出射光斑。

图8为本发明实施例中光源用光子晶体光纤产生的超连续谱白光光源的功率谱图。

图9为本发明实施例中干涉最强时移动平面反射镜所在位置随中心波长的变化关系曲线图。

图10为本发明实施例中测得的待测光子晶体光纤的色散曲线图。

图例说明：

1、光源系统；11、脉冲激光器；12、光隔离器；13、窄带滤波片；14、反射镜组；15、光源用光子晶体光纤；2、干涉测量系统；21、分束器；211、转台；212、分束棱镜；22、测量臂；221、固定平面反射镜；23、参考臂；231、色散补偿平台组件；232、移动平面反射镜系统；233、色散补偿显微物镜；234、二维调节架；235、旋转螺杆；236、移动平面反射镜；237、电控线性移动平台；24、待测光纤组件；241、待测光子晶体光纤；25、偏振器；26、窄带滤波器；27、无截止单模光子晶体光纤组件；271、无截止单模光子晶体光纤；272、裸纤适配器；28、数据收集处理系统；281、光电探测器；282、数据采集卡；283、计算机；3、三维光纤耦合平台；31、三维调节架；32、耦合显微物镜；33、光纤准直器。

具体实施方式

实施例

一种如图1所示的光纤色散测量系统，该系统包括光源系统1和干涉测量系统2，光源系统1包括沿光路依次布设的脉冲激光器11、光隔离器12、窄带滤波片13、反射镜组14和光源用光子晶体光纤15，本实施例的干涉测量系统2主要采用了迈克尔逊干涉仪，包括分束器21、接收分束器21反射光束的测量臂22和接收分束器21透射光束的参考臂23。

在光源系统1中，光源用光子晶体光纤15的输入端连接有一接收反射镜组14反射光束的三维光纤耦合平台3，光源用光子晶体光纤15的输出端连接有一准直入射至所述分束器21的三维光纤耦合平台3。当光源系统1中脉冲激光器11的中心波长确定后，光隔离器12和窄带滤波片13的工作波长则均为脉冲激光器11的中心波长，其中窄带滤波片13只让系统中经反射镜组14反射回来的光束中与脉冲激光器11中心波长相同的成分通过，而光隔离器12则阻止经窄带滤波片13反射回来的与脉冲激光器11中心波长相同的光进入脉冲激光器11，这样光隔离器12和窄带滤波片13共同组成的组件起到了保护光源的作用。本实施例的反射镜组14是由两块垂直且对称布置的平面反射镜组成，该平面反射镜为与脉冲激光器11中心波长对应的高反镜，分别安装在各自的二维调节架上，对该反射镜组14的调节可以方便地实现将脉冲激光器11发出的光束有效耦合到光源用光子晶体光纤15中。

在干涉测量系统2中，分束器21包括一分束棱镜212，其安装在一可以精确调节水平角度的转台211上；测量臂22中布设有待测光纤组件24和固定平面反射镜221，待测光纤组件24位于固定平面反射镜221与分束器21之间的光路上，待测光纤组件24包括一段待测光子晶体光纤241，待测光子晶体光纤241的一端连接有一接收分束器21反射光束的三维光纤耦合平台3，待测光子晶体光纤241的另一端连接有一接收固定平面反射镜221反射光束的三维光纤耦合平台3；参考臂23的光路上布设有一接收分束器21透射光束的色散补偿平台组件231，色散补偿平台组件231主要是由两个相对布置的二维色散补偿显微物镜233组成，色散补偿平台组件231后的光路上设有一移动平面反射镜系统232。如图3所示，本实施例的色散补偿显微物镜233是安装在一二维调节架234上，通过二维调节架234上设置的旋转螺杆235即可实现其二维调节。

分束器21另设有一输出来自测量臂22和参考臂23的合并反射光束的输出端，该输出端后的光路上依次布设有偏振器25、窄带滤波器26、无截止单模光子晶体光纤组件27和数据收集处理系统28。无截止单模光子晶体光纤组件27包括一段无截止单模光子晶体光纤271，无截止单模光子晶体光纤271的一端连接有一接收窄带滤波器26输出光束的三维光纤耦合平台3，无截止单模光子晶体光纤271的另一端设有一与数据收集处理系统28相连接的裸纤适配器272。数据收集处理系统28包括有一接收无截止单模光子晶体光纤组件27发出的光信号的光电探测器281，光电探测器281后连接有一数据采集卡282，该数据采集卡282后连有一计算机283。

另外，参考臂23上的移动平面反射镜系统232同样与计算机283相连。图4即为移动平面反射镜系统232的结构示意图，其中设置有一移动平面反射镜236，该移动平面反射镜236与测量臂22中的固定平面反射镜221完全相同，但前者安装在一电控线性移动平台237上，通过计算机283控制电控线性移动平台237的移动便可带动移动平面反射镜236移动，实现参考臂23相位的扫描，进而在测量端输出干涉图样。实践中应根据干涉测量系统2设计的测量精度和动态要求选择合适的电控线性移动平台237。

本实施例中三维光纤耦合平台3的结构如图2所示，本实施例的光纤色散测量系统中各个组成部分用到的三维光纤耦合平台3的结构完全相同，所用三维调节架31型号相同，但实践中根据各自耦合的光纤芯径和数值孔径的不同，可以选择适当的耦合显微物镜32装设在三维光纤耦合平台3上，与三维光纤耦合平台3相连的光纤则夹持在光纤准直器33上。

上述本实施例的光纤色散测量系统的工作原理及光路走向如下：

脉冲激光器11发出的脉冲激光依次经过光隔离器12、窄带滤波片13、反射镜组14到达三维光纤耦合平台3，经三维光纤耦合平台3上设置的耦合显微物镜32聚焦耦合进入一段光源用光子晶体光纤15，光源用光子晶体光纤15产生的超连续谱白光再经三维光纤耦合平台3准直入射到分束器21的分束棱镜212上；

经分束棱镜212反射、透射后的反射光束、透射光束分别进入迈克尔逊干涉仪的测量臂22和参考臂23；测量臂22中的反射光束首先经过一三维光纤耦合平台3进入待测光子晶体光纤241，从待测光子晶体光纤241出射后的光束经过一三维光纤耦合平台3后准直入射到固定平面反射镜221上；参考臂23中的透射光束则经两个二维色散补偿显微物镜233入射到移动平面反射镜系统232上，参考臂23中的两个二维色散补偿显微物镜233与测量臂22中两个三维光纤耦合平台3上的耦合显微物镜32完全一样，以用于补偿测量臂22中耦合显微物镜32引入的待测光子晶体光纤241额外色散，减小测量误差；同时，色散补偿平台组件231还具有光强调节功能，由于测量臂22中的光束经过多次自由空间和光纤之间的耦合，损耗较大，而干涉测量为了获得最佳的干涉效果要求两臂的光强尽量相等，因此通过调节色散补偿平台组件231上的色散补偿显微物镜233的共轴度，可以实现参考臂23的光强调节，使得两臂的光强尽量相等；

从固定平面反射镜221和移动平面反射镜系统232上反射回的光束再次经过分束棱镜212，并合成一束后从分束棱镜212的另一输出端输出，合并后的光束依次经偏振器25、窄带滤波器26后到达一三维光纤耦合平台3，经该三维光纤耦合平台3上的耦合显微物镜32耦合进入一段无截止单模光子晶体光纤271，此后再经过无截止单模光子晶体光纤271一端连接的裸纤适配器272，进入到带光纤匹配器的光电探测器281中，光电探测器281将输入的光信号转化成电信号输出，最后经数据采集卡282输入到计算机283中，再利用装载在计算机283中的数据处理程序进行色散系数的计算。

上述本实施例的光纤色散测量系统在使用过程中，我们采用以下操作使光源系统1产生超连续谱白光：

首先，根据本实施例实际测量光谱范围的需要设计光源用光子晶体光纤15，本实施例是选用一如图5和图6所示的高非线性光子晶体光纤作为光源用光子晶体光纤15，该光源用光子晶体光纤15内部沿纤芯向外包围有九层空气孔结构，空气孔的孔径d为2.17μm，空气孔的孔间距Λ为3.47μm，光源用光子晶体光纤15的占空比d/Λ为0.625，纤芯直径d1(即2Λ-d)为4.77μm；

然后，根据上述设计的光源用光子晶体光纤15的零色散点(厂家提供)选择脉冲激光器11的中心波长；一般选择中心波长位于零色散点附近的反常色散区内，这样最有利于各种非线性效应的发生，再根据发生非线性效应的阈值选择脉冲激光器11的脉宽和重频；

再次，光源系统1中用到的两个三维光纤耦合平台3完全相同，根据上述光源用光子晶体光纤15的纤芯直径(4.77μm)选择该三维光纤耦合平台3上显微物镜的放大倍数(25倍)；

本实施例中最后选择将脉冲激光器11发出的脉宽＜1ns、重频约为7.5kHz、平均输出功率＜100mw(峰值功率＞10kW)的1064nm的脉冲激光注入到长约15m的上述光源用光子晶体光纤15中，获得了超连续谱白光的输出。

上述光源用光子晶体光纤15产生的超连续谱白光的出射光斑如图7所示，由图7可见，光斑中心较白，边缘呈橙色，其四周有规则排布的六个黄绿色小光斑。

上述光源用光子晶体光纤15产生的超连续谱白光光源的功率谱如图8所示。由图8可见，在泵浦光左侧光谱延展到480nm附近，基本覆盖整个可见光波段，且光谱较为平坦，绿光波段较红光波段强；泵浦光右侧光谱能量较可见光段强，二者相差5dB左右，且红外波段谱线更加平坦；在1400nm附近出现一个明显的波谷，这是由OH根的吸收损耗造成的；在1064nm处有一较尖的波峰，这是由泵浦脉冲形成的。可见，该超连续谱白光光源能够很好地满足本实施例光子晶体光纤宽波段色散测量的需要。

在获得超连续谱白光后，开始对本实施例中的待测光子晶体光纤241的色散进行测量，本实施例中的待测光子晶体光纤241与光源系统1中用于产生超连续谱白光的光源用光子晶体光纤15相同。在干涉测量中，不断更换不同中心波长的窄带滤波器26，对应每一个波长，通过计算机283控制电控线性移动平台237的移动实现对参考臂23相位的扫描，进而在测量端得到一组干涉图样；从各干涉图样中可以找到干涉最大的位置(即两臂光程相等处)，与此同时分别记录相应的电控线性移动平台237所在的位置(亦即移动平面反射镜236所在的位置)，进行数据拟合后可以得到干涉最强时移动平面反射镜236所在位置x随中心波长λ的变化关系曲线，本实施例最后得到的该变化关系曲线表达式为

x(λ)＝8.92-0.05λ^-4-1.22λ^-2-0.87λ²-0.32λ⁴    (6)

式(6)中波长λ单位取μm，位置x单位取mm。本实施例最后得到的该变化关系曲线如图9所示。

根据以上的式(6)，对图9中的变化关系曲线进行求导，即可得到本实施例中待测光子晶体光纤241的色散曲线表达式

D(λ)＝-4.26λ^-5-49.71λ^-3+35.41λ+26.41λ³   (7)

式(7)中波长λ单位取μm，色散系数D单位取ps/km/nm。本实施例最后得到的色散曲线如图10所示。由图10可得到本实施例中待测光子晶体光纤241的色散特性，其零色散点约为1.0μm。

Claims (7)

1.一种光纤色散测量系统，该系统包括光源系统(1)和干涉测量系统(2)，其特征在于：所述光源系统(1)包括沿光路依次布设的脉冲激光器(11)、光隔离器(12)、窄带滤波片(13)、反射镜组(14)和光源用光子晶体光纤(15)；所述干涉测量系统(2)包括分束器(21)、接收分束器(21)反射光束的测量臂(22)和接收分束器(21)透射光束的参考臂(23)，所述测量臂(22)中布设有待测光纤组件(24)；所述光源用光子晶体光纤(15)的输入端连接有一接收反射镜组(14)反射光束的三维光纤耦合平台(3)，所述光源用光子晶体光纤(15)的输出端连接有一准直入射至所述分束器(21)的三维光纤耦合平台(3)；所述分束器(21)另设有一输出来自所述测量臂(22)和参考臂(23)的合并反射光束的输出端，该输出端后的光路上依次布设有偏振器(25)、窄带滤波器(26)、无截止单模光子晶体光纤组件(27)和数据收集处理系统(28)。

2.根据权利要求1所述的光纤色散测量系统，其特征在于：所述数据收集处理系统(28)包括有一接收无截止单模光子晶体光纤组件(27)发出的光信号的光电探测器(281)，所述光电探测器(281)后连接有一数据采集卡(282)，该数据采集卡(282)后连有一计算机(283)。

3.根据权利要求2所述的光纤色散测量系统，其特征在于：所述参考臂(23)的光路上布设有一接收所述分束器(21)透射光束的色散补偿平台组件(231)，色散补偿平台组件(231)后的光路上设有一与所述计算机(283)相连的移动平面反射镜系统(232)。

4.根据权利要求1或2或3所述的光纤色散测量系统，其特征在于：所述待测光纤组件(24)布设于所述测量臂(22)中的固定平面反射镜(221)与所述分束器(21)之间的光路上，该待测光纤组件(24)包括一段待测光子晶体光纤(241)，所述待测光子晶体光纤(241)的一端连接有一接收所述分束器(21)反射光束的三维光纤耦合平台(3)，所述待测光子晶体光纤(241)的另一端连接有一接收所述固定平面反射镜(221)反射光束的三维光纤耦合平台(3)。

5.根据权利要求4所述的光纤色散测量系统，其特征在于：所述无截止单模光子晶体光纤组件(27)包括一段无截止单模光子晶体光纤(271)，所述无截止单模光子晶体光纤(271)的一端连接有一接收所述窄带滤波器(26)输出光束的三维光纤耦合平台(3)，所述无截止单模光子晶体光纤(271)的另一端设有一与所述数据收集处理系统(28)相连接的裸纤适配器(272)。

6.一种如权利要求3所述的光纤色散测量系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

先使所述脉冲激光器(11)发出的脉冲激光依次经过所述光隔离器(12)、窄带滤波片(13)、反射镜组(14)到达所述的三维光纤耦合平台(3)，经三维光纤耦合平台(3)上设置的耦合显微物镜聚焦耦合进入一段光源用光子晶体光纤(15)，光源用光子晶体光纤(15)产生的超连续谱白光再经一三维光纤耦合平台(3)准直入射到所述分束器(21)的分束棱镜(212)上；

经所述分束棱镜(212)反射、透射后的反射光束、透射光束分别进入所述测量臂(22)和参考臂(23)；测量臂(22)中的反射光束首先经过一三维光纤耦合平台(3)进入所述待测光纤组件(24)中的待测光子晶体光纤(241)，从待测光子晶体光纤(241)出射后的光束经过一三维光纤耦合平台(3)后准直入射到所述测量臂(22)中的固定平面反射镜(221)上；所述参考臂(23)中的透射光束经过所述色散补偿平台组件(231)入射到所述移动平面反射镜系统(232)上；

从所述固定平面反射镜(221)和移动平面反射镜系统(232)上反射回的光束再次经过分束棱镜(212)，并合成一束后从分束棱镜(212)的另一输出端输出，合并后的光束依次经所述偏振器(25)、窄带滤波器(26)后到达一三维光纤耦合平台(3)，经耦合后进入到所述无截止单模光子晶体光纤组件(27)的一段无截止单模光子晶体光纤(271)中，此后再经过裸纤适配器，进入到所述数据收集处理系统(28)的带光纤匹配器的光电探测器(281)中，光电探测器(281)将输入的光信号转化成电信号输出，最后经数据采集卡(282)输入到计算机(283)中，再利用装载在计算机(283)中的数据处理程序进行色散系数的计算；

上述步骤中是采用以下操作使所述光源用光子晶体光纤(15)产生超连续谱白光：选用一高非线性光子晶体光纤作为所述光源用光子晶体光纤，所述光源用光子晶体光纤内部沿纤芯向外包围有多层空气孔结构，所述空气孔的孔径d为1μm～5μm，所述空气孔的孔间距Λ为1μm～5μm，所述光源用光子晶体光纤的占空比d/Λ大于0.6，所述光源用光子晶体光纤的纤芯直径为1μm～5μm；然后使峰值功率足够大、且中心波长位于所述光源用光子晶体光纤零色散点附近的反常色散区的脉冲激光注入到适当长度的所述光源用光子晶体光纤中以获得超连续谱白光。

7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于：在获得所述超连续谱白光后的干涉测量中，不断更换不同中心波长的窄带滤波器(26)，对应每一个中心波长，通过所述的计算机(283)对所述移动平面反射镜系统(232)位置的控制实现对参考臂(23)相位的扫描，进而得到一组干涉图样；从各干涉图样中确定出干涉最强的位置，并分别记录干涉最强时对应的移动平面反射镜系统(232)所在的位置x，进行数据拟合后得到干涉最强时移动平面反射镜系统(232)所在位置x随中心波长λ的变化关系曲线，该变化关系曲线的通用表达式如下：

x(λ)＝α+βλ^-4+γλ^-2+ζλ²+ξλ⁴        (a)

式(a)中，α、β、γ、ζ和ξ均为拟合后的系数值；

最后对上式(a)进行求导，并将求导后的结果代入下式(b)中即可得到所述待测光子晶体光纤的色散系数

$D=\frac{2}{\mathrm{cL}}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}---\left(b\right)$

式(b)中，L为所述待测光子晶体光纤的长度，c为光速。

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