CN101833128A - 基于一阶激光彩虹区域光强分布的熊猫光纤定轴方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一阶激光彩虹区域光强分布的熊猫光纤定轴方法。其实施步骤：(1)将激光束垂直照射到熊猫光纤，在一阶彩虹区域形成较强的光散射分布；(2)用CCD采集一阶彩虹区域光强分布，进行滤波和归一化处理；(3)对均匀单模光纤一阶彩虹光强分布进行数值模拟；(4)将滤波和归一化后的熊猫光纤两侧光强分布数据与数值模拟的均匀单模光纤光强分布数据进行互相关运算，得到互相关系数；(5)旋转熊猫光纤，得到左、右两侧的熊猫光纤方位角与互相关系数对应关系曲线；(6)找出两条互相关系数曲线的对称轴，作为熊猫光纤慢轴的方位角。本发明具有不需要建立标准曲线，定轴速度快的优点，可用于熊猫光纤偏振轴方位角的探测和对准。

Description

基于一阶激光彩虹区域光强分布的熊猫光纤定轴方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，特别是涉及激光彩虹区域光强分布对熊猫光纤的定轴方法，可用于熊猫光纤偏振轴方位角的探测和对准。

背景技术

保偏光纤由于其对线偏振光较强的偏振保持能力和与一般单模光纤极好的兼容性，已广泛应用于干涉传感如光纤陀螺、分布式光纤传感和相干光通信等新兴领域。熊猫型单模保偏光纤是一种常用的高应力双折射保偏光纤，在其横截面上存在相互正交的、应力值分别为最大和最小的两个方向，即两个偏振轴的方向，应力值最大的方向称为慢轴方向，应力值最小的方向称为快轴方向。在熊猫光纤的应用中，如何精确地探测和对准偏振轴方位角是充分利用其保偏性能所需的一项关键技术。

现有的保偏光纤定轴方法主要为侧视图像定轴法，该方法具有较高精度，使用方便，得到广泛应用。其中各种不同的侧视图像定轴方法则是选用了侧视图像中的不同特征量。多是利用图像处理技术获取任意方位角的特征量曲线或图像，并与标准曲线或图像进行互相关，互相关的极大值所对应的角度即为偏振轴的方位角。

中国专利CN1831572A公开的保偏光纤定轴方法，是根据五指型侧视光强分布中央的五个波峰、四个波谷这九个特征点来确定特征量，通过分析光强特征量随偏振轴方位角的变化进行定轴。该方法是对光纤前向光强分布的探测，须经显微物镜将图像放大并成像到CCD摄像机，要求观测平面的位置能保证记录的侧向光强分布为“五指型”，调节过程相对复杂、耗时。另外该方法要建立标准曲线，用测量曲线与标准曲线做互相关运算从而定轴，在无法获得标准曲线的条件下具有一定局限性。

中国专利CN1949006A公开了一种基于空间衍射光的背向衍射图像的保偏光纤定轴方法，其内容是利用中心图像的长度、中心位置和形貌这三个特征量与保偏光纤方位角的对应关系实现定轴。该方法需要通过测量来建立多个特征量与方位角关系的标准曲线，或用包含特征量信息的二维矩阵作为标准矩阵，运算量较大，定轴过程相对复杂，限制了该定轴方法的推广。

中国专利CN101533123A提出了一种不需要建立标准曲线的定轴方法。对背向衍射图像中光强明显较强部分进行图像处理，得到对称系数与保偏光纤方位角的对应关系曲线。选取对称系数大于0.96的相邻90度方位角的曲线的两个波峰，分别对应快轴和慢轴，根据保偏光纤快轴与慢轴衍射图像的差异性，判断出两者分别对应的方位角，从而实现定轴。该方法在图像处理的过程中，需要设置一个移动窗口，每旋转一次光纤，移动窗口要从衍射图像一端移动到另一端，且每移动一个像素点就做一次互相关运算，处理过程耗时较长；另外该方法需用一个成像屏使背向衍射图像在其上成像，再用CCD摄像机进行拍摄，装置结构较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提出一种基于一阶激光彩虹区域光强分布的熊猫光纤定轴方法，该方法在不需要建立标准曲线的条件下，缩短数据处理过程，提高定轴速度，简化定轴装置结构。

实现本发明的技术方案如下：

为实现上述目的，本发明基于一阶激光彩虹区域光强分布的熊猫光纤定轴方法，包括如下步骤：

(1)将激光束垂直照射到已除去保护层的熊猫光纤上，使入射光方向的左右两侧的一阶彩虹区域内出现光强明显的光散射分布；

(2)用线阵CCD采集一阶彩虹区域的光强分布，并对该采集数据进行滤波和归一化处理；

(3)对均匀单模光纤的散射光强分布进行数值模拟，得到均匀单模光纤的一阶彩虹光强角分布的数据；

(4)分别将滤波和归一化处理后的熊猫光纤两侧光强分布数据与数值模拟的均匀单模光纤的一阶彩虹光强分布数据进行互相关运算，得到互相关系数；

(5)旋转熊猫光纤，重复步骤(2)和步骤(4)，分别得到左、右两侧的熊猫光纤方位角与互相关系数的对应关系曲线；

(6)选取两条互相关曲线中互相关系数明显较小的那部分曲线及其附近区域作为数据分析范围，在数据分析范围内找出两条曲线的对称轴，作为熊猫光纤慢轴所处的方位角，从而实现定轴。

所述的对采集数据的滤波采用快速傅里叶变换方法，滤除光强分布中的高频噪声。

所述的均匀单模光纤的一阶彩虹光强分布数值模拟的参数设置为：入射光波长与测量用激光器的波长一致；光纤直径与去除保护层的熊猫光纤直径一致；光纤折射率与熊猫光纤包层折射率一致；计算的散射角范围与线阵CCD采集的光强分布角范围一致。

所述的在数据分析范围内找出两条曲线的对称轴，是根据数据分析范围内两侧的互相关系数较大的峰值所对应的角度得到两条互相关曲线对称轴的角度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、定轴速度快。无需建立标准曲线；处理过程的运算量小；只需将熊猫光纤旋转180°；无需对快、慢轴进行区分，能直接得到快、慢轴的方位角。

2、定轴装置结构简单，仅包括激光光源、光纤转动机构以及数据处理部分，无需使用成像透镜或成像屏，对观测平面的位置没有严格限制。

3、对匹配或非匹配型保偏光纤均能进行定轴，且对匹配型保偏光纤无需加匹配液，应用范围广。

附图说明

图1是本发明定轴方法的装置示意图；

图2是本发明对均匀单模光纤一阶彩虹光强分布的数值模拟曲线图；

图3是入射激光方向与熊猫光纤慢轴的夹角θ为0°时测量的一阶彩虹区域光强分布；

图4是入射激光方向与熊猫光纤慢轴的夹角θ为46°时测量的一阶彩虹区域光强分布；

图5是入射激光方向与熊猫光纤慢轴的夹角θ为90°时测量的一阶彩虹区域光强分布；

图6是本发明熊猫光纤定轴过程框图；

图7是不同熊猫光纤方位角对应的一阶彩虹区域光强分布与均匀单模光纤一阶彩虹光强分布的互相关系数曲线。

具体实施方式

本发明的定轴方法原理如下：

根据均匀圆柱粒子光散射特性，当平面波垂直入射到均匀单模光纤，其偏振方向与光纤平行，入射光线经光纤横截面内表面一次反射后，在与入射光方向夹角为150°～165°和210°～225°散射角范围内形成干涉，即为对称的一阶彩虹光强分布。该光强分布与均匀单模光纤的直径和折射率密切相关。由于均匀单模光纤的折射率呈横向圆对称分布，一阶彩虹区域光强分布不会随光纤的旋转而发生变化。

如图1所示，当激光器A发出的激光束垂直入射到熊猫光纤B时，设入射激光方向与光纤慢轴之间夹角为θ。由于猫眼结构使一阶彩虹区域光线偏离于其在均匀光纤内的转播路径，则一阶彩虹区域的光强分布相对于均匀单模光纤的一阶彩虹光强分布发生明显变化。图2为均匀单模光纤一阶彩虹光强分布的数值模拟结果，图3、图4和图5分别是θ角为0°、46°和90°时测量的熊猫光纤一阶彩虹区域光强分布。图3、图4和图5表明，随着光纤的旋转，猫眼对光线的影响程度不同，则彩虹区域的光强分布相应发生变化，主要表现为第一个Airy峰的宽度及相邻几个Airy峰相对大小的变化，即θ角不同时，熊猫光纤一阶彩虹区域光强分布与均匀单模光纤理论分布的相似程度不同，该相似程度用互相关系数描述。

旋转熊猫光纤，入射光方向左、右两侧的一阶彩虹区域光强分布的变化存在一定规律，即左侧和右侧的分布变化相对于θ为0°或90°的角位置呈轴对称分布。并且，由于熊猫光纤横截面结构的轴对称分布，该变化规律以180°为周期。因此，通过探测入射光方向左右两侧的一阶彩虹光强分布，将其与均匀单模光纤一阶彩虹光强分布进行互相关，分析互相关系数曲线的变化规律及两侧曲线的对称性，就能够得到熊猫光纤偏振轴的方位角。

参照图6，本发明的实施过程如下：

过程1，通过调节装置，使激光器A发出的激光束垂直照射在已除去保护层的熊猫光纤B上，且形成的空间各方向散射光所在平面与光纤垂直，该入射激光必须为线偏振光，偏振方向与光纤平行。

过程2，调节线阵CCD的位置，使入射激光方向左、右两侧的一阶彩虹区域内光强明显较强的光散射分布对准CCD的光敏元阵列，采集一阶彩虹区域光强分布，并将采集数据传送到计算机。

过程3，对过程2采集的一阶彩虹区域光强分布数据进行滤波和归一化处理，该滤波采用快速傅里叶变换方法，滤除光强分布中的高频噪声。

过程3，数值模拟均匀单模光纤的一阶彩虹光强分布。

设定入射光波长与测量用激光器的波长一致，为532nm；均匀单模光纤直径与去除保护层的熊猫光纤直径一致，设为125μm；均匀单模光纤折射率与熊猫光纤包层折射率一致，设为1.4607；计算的散射角范围与线阵CCD采集的光强分布角范围一致，设为150°～165°。

均匀单模光纤可看作无限长均匀圆柱粒子，利用Mie理论计算均匀单模光纤的一阶彩虹光强分布，计算结果如图2所示，从图2可见，不同角位置的散射强度大小有明显差异，且Airy峰的大小随着散射角的增大逐渐减小。

过程4，分别将滤波和归一化处理后的熊猫光纤左、右两侧光强分布数据与数值模拟的均匀单模光纤的一阶彩虹光强分布数据进行互相关运算，得到互相关系数，互相关系数的计算公式如下：

$\mathrm{\ρ}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)y\left(n\right)/\sqrt{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x{\left(n\right)}^2\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}y{\left(n\right)}^2},$

式中ρ为归一化互相关系数，x(n)为熊猫光纤一阶彩虹区域光强分布的数据，y(n)为数值模拟的均匀单模光纤的一阶彩虹光强分布的数据，N为两个光强分布的数据量。

过程5，获得熊猫光纤方位角与互相关系数的对应关系曲线。

使用步进电机带动熊猫光纤旋转，转动角度步长设为1°，并将转动起始位置标定为0°方位角，在转动过程中，每转动一个步长，对一阶彩虹区域光强分布进行一次采集，做一次互相关运算，得到一个互相关系数值，例如转动180°后，得到左、右两侧的熊猫光纤方位角与互相关系数的对应关系曲线，如图7所示，其中实线和虚线分别为激光入射方向左侧和右侧一阶彩虹区域光强分布对应的互相关系数曲线。

过程6，确定熊猫光纤偏振轴的方位角。

从过程5得到的两条互相关曲线中，选取互相关系数明显较小的那部分曲线及其附近区域作为数据分析范围，本实施例中选取0°～110°的角范围。此范围內互相关系数较小的曲线部分的两侧分别有一个互相关系数较大的峰值，如图7所示。从图7可见，4个峰值均大于0.95，它们对应的角度分别为第1个峰9°，第2个峰34°，第3个峰74°，第4个峰99°。

观察这4个峰值的对应角度发现，第2个峰与第3个峰对称，第1个峰与第4个峰对称。由此可得出左右两侧互相关曲线的对称轴的角位置为54°，即为该熊猫光纤慢轴的方位角。

Claims (4)

1.一种基于一阶激光彩虹区域光强分布的熊猫光纤定轴方法，包括如下步骤：

(1)将激光束垂直照射到已除去保护层的熊猫光纤上，使入射光方向的左右两侧的一阶彩虹区域内出现光强明显的光散射分布；

(2)用线阵CCD采集一阶彩虹区域的光强分布，并对该采集数据进行滤波和归一化处理；

(3)对均匀单模光纤的散射光强分布进行数值模拟，得到均匀单模光纤的一阶彩虹光强角分布的数据；

(4)分别将滤波和归一化处理后的熊猫光纤两侧光强分布数据与数值模拟的均匀单模光纤的一阶彩虹光强分布数据进行互相关运算，得到互相关系数；

(5)旋转熊猫光纤，重复步骤(2)和步骤(4)，分别得到左、右两侧的熊猫光纤方位角与互相关系数的对应关系曲线；

(6)选取两条互相关曲线中互相关系数明显较小的那部分曲线及其附近区域作为数据分析范围，在数据分析范围内找出两条曲线的对称轴，作为熊猫光纤慢轴所处的方位角，从而实现定轴。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中对采集数据的滤波采用快速傅里叶变换方法，滤除光强分布中的高频噪声。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中均匀单模光纤的一阶彩虹光强角分布数值模拟的参数设置为：入射光波长与测量用激光器的波长一致；光纤直径与去除保护层的熊猫光纤直径一致；光纤折射率与熊猫光纤包层折射率一致；计算的散射角范围与线阵CCD采集的光强分布角范围一致。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(6)所述的在数据分析范围内找出两条曲线的对称轴，是根据数据分析范围内两侧的互相关系数较大的峰值所对应的角度得到两条互相关曲线对称轴的角度。

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