CN103728118A - 一种光纤内扭转检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤内扭转检测方法；该方法基于琼斯矢量法和斯托克斯矢量法，由单色偏振光在光纤传输时偏振态的变化与光纤内扭转率的关系，通过测量光线经过光纤后斯托克斯矢量中

参量的大小获得光纤内扭转率。本发明实现了光纤内扭转的检测，为低磁敏感光纤的筛选提供参考依据，对光纤陀螺环境适性的提升有巨大的帮助。

Description

一种光纤内扭转检测方法

技术领域

本发明涉及一种光纤内扭转检测方法。

背景技术

光纤沿轴扭转时，由于剪应力的作用，会在传输光线中引起圆双折射。由光纤内扭转所引入的圆双折射将形成非互易相差，这会影响光纤陀螺环境的适应性。

光纤的内扭转是光纤拉制过程中固化在纤芯中的，在光纤成型后消除内扭转具有相当难度，且由于其无法直接观测而具有很强的隐蔽性。

通常光纤拉制过程引入的内扭转存在差异，所以在光纤陀螺的制作过程中，需要通过对光纤内扭转的检测来进行光纤的筛选。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种光纤内扭转检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光纤内扭转检测方法，该方法在光纤内扭转检测装置上实现，所述光纤内扭转检测装置包括激光光源、第一线偏振片、第一夹具、第一显微镜物镜、待测光纤、第二显微镜物镜、第二线偏振片、第二夹具、位移台，光强探测器、计算机、电机模块；其中，所述第一线偏振片内嵌于第一夹具中，激光光源发出的光线垂直于第一线偏振片的通过面；第一显微镜物镜位于第一线偏振片之后，入射光线经过第一显微镜物镜耦合进入待测光纤中；第二显微镜物镜位于待测光纤之后，其对经过待测光纤后的出射光线进行扩束准直；位移台位于第二显微镜物镜之后，第二夹具固定在位移台上，第二线偏振片内嵌于第二夹具中，且第二线偏振片的通过面与出射光线垂直；光强探测器位于位移台之后；电机模块分别与位移台和计算机相连；该方法包括以下步骤：

（1）从一盘光纤中截取一段待测光纤，置于第一显微镜物镜和第二显微镜物镜之间，并且得到待测光纤入射端面内的慢轴方向后，调整待测光纤使其慢轴竖直；

（2）旋转第一夹具，利用第一夹具上的刻度使线第一线偏振片的透光方向为竖直方向，确保激光光源发出的光线进入到待测光纤时用斯托克斯矢量可表示为[1,1,0,0]^T；

（3）打开激光光源后，调整第一显微镜物镜，将光线耦合进待测光纤中，第二显微镜物镜的作用为将从待测光纤出射的光扩束准直；

（4）旋转第二夹具，利用第二夹具上的刻度使第二线偏振片的透光方向与X₀轴成45°，通过位移台的平移来控制第二线偏振片是否在光路中，开始时，第二线偏振片不在光路中；

（5）用光强探测器测量光线经过第一线偏振片、第一显微镜物镜、待测光纤以及第二显微镜物镜后的光强，记为I1，将所测定的光强数据输入到计算机；

（6）计算机发送命令信号到电机模块，电机模块包括电机驱动和电机，电机驱动根据计算机发送的命令控制电机运动，进而控制位移台平移，使线第二线偏振片进入光路；

（7）再用光强探测器测量光线经过第一线偏振片、第一显微镜物镜、待测光纤、第二显微镜物镜以及第二线偏振片后的光强，记为I₂，同时将所测定的光强数据输入到计算机；

（8）计算机进行数据处理，由下式可得斯托克斯矢量中S₂的值：

$S_2=\frac{{2I}_2-I_1}{I_1}$

（9）由下式：

$\begin{array}{c}{S}_2=2(D_r{E}_r+D_i{E}_i)\\ ={\cos }^2\left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\sin \left(2\mathrm{\τz}\right)+\frac{F_0}{{\mathrm{\η}}_0}\sin \left({2\mathrm{\η}}_{0}z\right)+{\sin }^2\left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\sin \left(2\mathrm{\τz}\right)\left(\frac{{\mathrm{\δ}}^2+{{4F}_0}^2}{{{4\mathrm{\η}}_0}^2}\right)\end{array}$

$F_0=\mathrm{\ω}-\frac{1}{2}\mathrm{g\τ}-\mathrm{\τ}$

${\mathrm{\η}}_0=\sqrt{{(\mathrm{\δ}/2)}^2+{F_0}^2}$

可以获得光纤扭转率τ的值，式中，δ为光纤固有双折射，ω为地磁场引起的偏振旋转，为常量；z为光纤长度，g为常数。

（10）计算机发送命令信号到电机模块，控制位移台平移，使线第二线偏振片移出光路。

（11）再从原光纤盘中截取另一段光纤，重复上述测量步骤1‐10。得到平均内扭转率：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\mathrm{\τ}}_i\right|$

式中，N为检测次数。

本发明的有益效果是，本发明实现了光纤内扭转的检测，为低磁敏感光纤的筛选提供参考依据，对光纤陀螺环境适性的提升有巨大的帮助。

附图说明

图1为存在内扭转的光纤的示意图；

图2为测量光纤内扭转的装置示意图；

图3为直接测量单色光光强示意图；

图4为加入线偏振片后测量单色光光强示意图；

图5为图4中所加入线偏振片透光轴方向示意图；

图6为待测光纤长度z=0.5m，光纤固有线双折射δ=2000rad/m，地磁场引起的偏振旋转ω=4.3×10^‐4rad/m时，经过待测光纤后偏振光线斯托克斯矢量中的S2参量与光纤内扭转率之间的关系曲线；

图7为图6的局部放大图；

图中：激光光源1、线偏振片2、夹具3、显微镜物镜4、待测光纤5、显微镜物镜6、线偏振片7、夹具8、位移台9，光强探测器10、计算机11、电机模块12。

具体实施方式

本发明的原理是：本发明由单色偏振光在光纤传输时偏振态的变化与光纤内扭转率的关系，提出一种光纤内扭转检测方法，其中光纤内扭转率的单位为rad/m。本发明所运用的琼斯矢量法和斯托克斯矢量法均涉及矩阵计算，可以方便的对偏振光在介质中传输时偏振态的变化进行定量的描述。

其中，琼斯矢量表示主轴系统中偏振光E的两个正交分量的复振幅，记为[E_x,E_y]^T。而偏振光通过介质后，光的偏振态将发生变化，若入射光的偏振态表示为E₁=[X₁,Y₁]^T,经过介质后变为E₂=[X₂,Y₂]^T,则介质的线性变换作用可以用一个2×2的矩阵表示，即有

$\left[\begin{array}{c}{X}_2\\ Y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{g}_{11}& g_{12}\\ g_{21}& g_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ Y_1\end{array}\right]---\left(1\right)$

或   E₂=GE₁        (2)

而矩阵G称为该介质的琼斯矩阵。式（1）中g₁₁、g₁₂、g₂₁、g₂₂一般为复数。

而斯托克斯矢量记为[S₀,S₁,S₂,S₃]^T则利用四个参量来描述光波的强度和偏振态，而这四个斯托克斯参量都是光强的时间平均值。而与琼斯矢量和琼斯矩阵的关系类似，在斯托克斯矢量法中，可以用一个4×4的矩阵M来表示介质对光线传播偏振态的线性变换作用，矩阵M称为穆勒矩阵，而穆勒矩阵中每一个元素均为实数。

在实际应用中，琼斯矢量和琼斯矩阵以及斯托克斯矢量和穆勒矩阵均进行归一化处理，而琼斯矩阵和穆勒矩阵存在一定转换关系，在已知某一介质的琼斯矩阵后可以通过转换关系得到该介质对应的穆勒矩阵，具体转换关系如下所示：

若已知琼斯矩阵为：

$J=\left[\begin{array}{cc}{J}_{11}& J_{12}\\ J_{21}& J_{22}\end{array}\right]---\left(3\right)$

则其对应的穆勒矩阵为：

$M=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}\left(\right|{J_{11}|}^2+|{J_{22}|}^2+|{J_{12}|}^2+\left|{J_{21}|}^2\right)& \frac{1}{2}\left(\right|{J_{11}|}^2-|{J_{22}|}^2-|{J_{12}|}^2+\left|{J_{21}|}^2\right)& \mathrm{Re}({J_{11}}^{*}{J}_{12}+{J_{21}}^{*}{J}_{22})& -\mathrm{Im}({J_{11}}^{*}{J}_{12}+{J_{21}}^{*}{J}_{22})\\ \frac{1}{2}\left(\right|{J_{11}|}^2-|{J_{22}|}^2+|{J_{12}|}^2-\left|{J_{21}|}^2\right)& \frac{1}{2}\left(\right|{J_{11}|}^2+|{J_{22}|}^2-|{J_{12}|}^2-\left|{J_{21}|}^2\right)& \mathrm{Re}({J_{11}}^{*}{J}_{12}-{J_{21}}^{*}{J}_{22})& \mathrm{Im}(-{J_{11}}^{*}{J}_{12}+{J_{21}}^{*}{J}_{22})\\ \mathrm{Re}({J_{11}}^{*}{J}_{21}+{J_{12}}^{*}{J}_{22})& \mathrm{Re}({J_{11}}^{*}{J}_{21}-{J_{12}}^{*}{J}_{22})& \mathrm{Re}({J_{11}}^{*}{J}_{22}+{J_{12}}^{*}{J}_{21})& \mathrm{Im}(-{J_{11}}^{*}{J}_{22}+{J_{21}}^{*}{J}_{22})\\ \mathrm{Im}({J_{11}}^{*}{J}_{21}+{J_{12}}^{*}{J}_{22})& \mathrm{Im}({J_{11}}^{*}{J}_{21}-{J_{12}}^{*}{J}_{22})& \mathrm{Im}({J_{11}}^{*}{J}_{22}+{J_{21}}^{*}{J}_{21})& \mathrm{Re}({J_{11}}^{*}{J}_{22}-{J_{12}}^{*}{J}_{21})\end{array}\right]---\left(4\right)$

而因为一般情况下光纤中还存在固有线双折射，所以对于扭转光纤来说，光线在其中传输时，同时受到线双折射和圆双折射的影响。

在主轴系统中（X轴与慢轴重合，Y轴与快轴重合），同时存在圆双折射和固有线双折射的非扭转光纤的琼斯矩阵为：

$C=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\ηz}\right)-i\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\η}}\sin \left(\mathrm{\ηz}\right)& -\frac{F}{\mathrm{\η}}\sin \left(\mathrm{\ηz}\right)\\ \frac{F}{\mathrm{\η}}\sin \left(\mathrm{\ηz}\right)& \cos \left(\mathrm{\ηz}\right)+i\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\η}}\sin \left(\mathrm{\ηz}\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

式（5）中：

$\mathrm{\η}=\sqrt{{(\mathrm{\δ}/2)}^2+F^2}---\left(6\right)$

上式中：δ为单位长度上光纤固有线双折射；F为单位长度上由圆双折射引起的偏振旋转角；z为光在光纤中传播的距离。

而针对存在内扭转的光纤，在人为不另外加磁场的情况下，光纤中圆双折射仅由光纤内扭转和地磁场产生，光纤单位长度上由双折射引起的偏振旋转角为这两者造成影响的线性叠加。

如图1所示，建立实验室坐标系X₀Y₀Z，假设光纤沿Z轴放置，偏振光线沿+Z方向传播，且在Z=0处，Y₀轴与光纤固有线双折射δ快轴重合，X₀轴与慢轴重合，光纤扭转率为τ，由地磁场引起的偏振旋转为ω，并且规定τ和ω以图示方向为正，反之为负。

对于一段长光纤，由于加工方法的一致性，其内扭转率一般是随机均匀分布的，以下取内扭转率是均匀分布的一段光纤作为讨论对象。

光纤沿轴扭转时，由于剪应力的作用，会在传输光线中引起圆双折射，而单位长度上产生的圆双折射（单位长度上偏振旋转角的二分之一，单位为rad/m）可表示为：

α=gτ                 （7）

上式中g为与材料有关的常数，对于一般石英光纤，g理论值为0.16，实验测得为0.14。

则存在内扭转的光纤中，单位光纤长度上由圆双折射引起的偏振旋转角可表示为：

$F=\mathrm{\ω}-\frac{1}{2}\mathrm{g\τ}---\left(8\right)$

上式中负号表示扭转过程中由于剪切力引起的圆双折射的方向与扭转方向相反。

由于光纤扭转过程中，光纤快慢轴位置随扭转而变化，这是一个动态变化过程，不能将式（8）的结果直接代入式（5）～式（6）中。故引入参考坐标系X’Y’Z，其中，随光纤扭转Y’轴始终与光纤固有线双折射δ快轴重合，X’轴与慢轴重合，如图1所示，而在参考坐标系中，相对扭转过程为静态，此时单位光纤长度上由圆双折射引起的偏振旋转角可表示为：

$F^{,}=\mathrm{\ω}-\frac{1}{2}\mathrm{g\τ}-\mathrm{\τ}---\left(9\right)$

将式（9）代入式（5）～式（6）中，可得到参考坐标系下光纤中光传播的琼斯矩阵为C’，即：

$C^{,}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\ηz}\right)-i\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\η}}\sin \left(\mathrm{\ηz}\right)& -\frac{F^{,}}{\mathrm{\η}}\sin \left(\mathrm{\ηz}\right)\\ \frac{F^{,}}{\mathrm{\η}}\sin \left(\mathrm{\ηz}\right)& \cos \left(\mathrm{\ηz}\right)+i\frac{\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\η}}\sin \left(\mathrm{\ηz}\right)\end{array}\right]---\left(10\right)$

上式中：

$F^{,}=\mathrm{\ω}-\frac{1}{2}\mathrm{g\τ}-\mathrm{\τ}---\left(11\right)$

最后再将参考坐标系X’Y’Z转换到实验坐标系X₀Y₀Z中，可得到扭转光纤的琼斯矩阵C₀。

$C_0=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\τz}\right)& -\sin \left(\mathrm{\τz}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\τz}\right)& \cos \left(\mathrm{\τz}\right)\end{array}\right]\×C^{,}---\left(12\right)$

故可得：

$C_0=\left[\begin{array}{cc}D& E\\ -E^{*}& D^{*}\end{array}\right]---\left(13\right)$

矩阵（13）中

$\begin{array}{c}D=\cos \left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\cos \left(\mathrm{\τz}\right)-\frac{F_0}{{\mathrm{\η}}_0}\sin \left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\sin \left(\mathrm{\τz}\right)-i\frac{\mathrm{\δ}}{{2\mathrm{\η}}_0}\sin \left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\cos \left(\mathrm{\τz}\right)\\ =D_r-{\mathrm{iD}}_i\end{array}---\left(14\right)$

$\begin{array}{c}E=-\cos \left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\sin \left(\mathrm{\τz}\right)-\frac{F_0}{{\mathrm{\η}}_0}\sin \left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\cos \left(\mathrm{\τz}\right)-i\frac{\mathrm{\δ}}{{2\mathrm{\η}}_0}\sin \left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\sin \left(\mathrm{\τz}\right)\\ =-E_r-{\mathrm{iE}}_i\end{array}---\left(15\right)$

$F_0=F^{,}=\mathrm{\ω}-\frac{1}{2}\mathrm{g\τ}-\mathrm{\τ}---\left(16\right)$

${\mathrm{\η}}_0=\sqrt{{(\mathrm{\δ}/2)}^2+{F_0}^2}---\left(17\right)$

其中D和E的下标r和i分别表示实部和虚部。

则由式（3）和式（4）所示的琼斯矩阵和穆勒矩阵之间的关系，可得与C₀相对应的穆勒矩阵M₀为：

$M_0=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {D_r}^2+{D_i}^2-{E_r}^2-{E_i}^2& 2(D_i{E}_i-D_r{E}_r)& 2(D_r{E}_i+D_i{E}_r)\\ 0& 2(D_r{E}_r+D_i{E}_i)& {D_r}^2-{D_i}^2-{E_r}^2+{E_i}^2& 2(E_r{E}_i-D_r{D}_i)\\ 0& 2(D_i{E}_r-D_r{E}_i)& 2(D_r{D}_i+E_r{E}_i)& {D_r}^2-{D_i}^2+{E_r}^2-{E_i}^2\end{array}\right]---\left(18\right)$

现若有一束线偏振光，在z=0处入射时偏振方向沿X₀轴，则入射时其用斯托克斯矢量表示为[1，1，0，0]^T。则其经过一段扭转光纤后，出射光线斯托克斯矢量可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{S}_0\\ S_1\\ S_2\\ S_3\end{array}\right]=M_1\×\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1\\ {D_r}^2+{D_i}^2-{E_r}^2-{E_i}^2\\ 2(D_r{E}_r+D_i{E}_i)\\ 2(D_i{E}_r-D_r{E}_i)\end{array}\right]---\left(19\right)$

其中，S₂分量的具体表达式为：

$\begin{array}{c}{S}_2=2(D_r{E}_r+D_i{E}_i)\\ ={\cos }^2\left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\sin \left(2\mathrm{\τz}\right)+\frac{F_0}{{\mathrm{\η}}_0}\sin \left({2\mathrm{\η}}_{0}z\right)+{\sin }^2\left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\sin \left(2\mathrm{\τz}\right)\left(\frac{{\mathrm{\δ}}^2+{{4F}_0}^2}{{{4\mathrm{\η}}_0}^2}\right)\end{array}---\left(20\right)$

上式中：

$F_0=\mathrm{\ω}-\frac{1}{2}\mathrm{g\τ}-\mathrm{\τ}---\left(21\right)$

${\mathrm{\η}}_0=\sqrt{{(\mathrm{\δ}/2)}^2+{F_0}^2}---\left(22\right)$

则由式（20）～式（22）可知，当光纤固有双折射δ、地磁场引起的偏振旋转为ω已知以及取一定光纤长度z时，出射光线斯托克斯矢量中的S₂分量均与光纤扭转率τ有着一一对应的关系，即S₂=f(τ)。

然后通过实验方案，可求得S₂，如图3至图5所示：

由图3中所示先直接测得单色光的光强，记为I₁，然后在光强探测器前加入线偏振片，如图4所示，且该线偏振片透光方向与实验室坐标系中X₀轴成45°，如图5所示，再测得单色光光强，记为I₂，则该单色光的S₂参数可表达为：

$S_2=\frac{{2I}_2-I_1}{I_1}---\left(23\right)$

所以只要确定入射光的偏振方向，令其偏振方向沿光纤主轴，然后测得其经过光纤后斯托克斯矢量中S₂分量的大小，便可由式（20）～式（22）中S₂与τ的关系，得到所对应τ的值即光纤内扭转率的大小。

以下结合附图和实施例进一步说明本发明。

本发明光纤内扭转检测方法，该方法在光纤内扭转检测装置上实现，如图2所示，光纤内扭转检测装置包括激光光源1、第一线偏振片2、第一夹具3、第一显微镜物镜4、待测光纤5、第二显微镜物镜6、第二线偏振片7、第二夹具8、位移台9，光强探测器10、计算机11、电机模块12。

第一线偏振片2内嵌于第一夹具3中，激光光源1发出的光线垂直于第一线偏振片2的通过面；第一显微镜物镜4位于第一线偏振片2之后，入射光线经过第一显微镜物镜4耦合进入待测光纤5中；第二显微镜物镜6位于待测光纤5之后，其对经过待测光纤5后的出射光线进行扩束准直；位移台9位于第二显微镜物镜6之后，第二夹具8固定在位移台9上，第二线偏振片7内嵌于第二夹具8中，且第二线偏振片7的通过面与出射光线垂直；光强探测器10位于位移台9之后；电机模块12分别与位移台9和计算机11相连。

该方法包括以下步骤：

1、从一盘光纤中截取一段待测光纤5，置于第一显微镜物镜4和第二显微镜物镜6之间，并且得到待测光纤5入射端面内的慢轴方向后，调整待测光纤5使其慢轴竖直，即与图2中X₀轴方向平行；

其中，得到待测光纤5入射端面内慢轴方向的具体方法参见专利“一种熊猫型保偏光纤端面几何参数检测的转置和方法”（专利号为CN103292731A）；

2、旋转第一夹具3，利用第一夹具3上的刻度使线第一线偏振片2的透光方向为竖直方向（同样与X₀轴平行），确保激光光源1发出的光线进入到待测光纤5时用斯托克斯矢量可表示为[1,1,0,0]^T；

3、打开激光光源1后，调整第一显微镜物镜4，将光线耦合进待测光纤5中，第二显微镜物镜6的作用为将从待测光纤5出射的光扩束准直；

4、旋转第二夹具8，利用第二夹具8上的刻度使第二线偏振片7的透光方向与X₀轴成45°，通过位移台9的平移来控制第二线偏振片7是否在光路中，开始时，第二线偏振片7不在光路中；

5、用光强探测器10测量光线经过第一线偏振片2、第一显微镜物镜4，待测光纤5以及第二显微镜物镜6后的光强，记为I₁，假设I₁=1mw，将所测定的光强数据输入到计算机11；

6、然后计算机11发送命令信号到电机模块12，电机模块12包含电机驱动和电机两部分，电机驱动根据计算机11发送的命令控制电机运动，进而控制位移台9平移，使线第二线偏振片7进入光路；

7、再用光强探测器10测量光线经过第一线偏振片2、第一显微镜物镜4，待测光纤5、第二显微镜物镜6以及第二线偏振片7后的光强，记为I₂，假设I₂=0.560mw，同时将所测定的光强数据输入到计算机11；

8、用计算机11进行数据处理，其中由式（23）可得，S₂的值为：

$S_2=\frac{{2I}_2-I_1}{I_1}=\frac{2\×0.560-1}{1}=0.120---\left(24\right)$

9、将待测光纤长度、光纤固有线双折射和地磁场引起的偏振旋转的值输入计算机11，不妨假设所截待测光纤长度z=0.5m，光纤固有线双折射δ=2000rad/m，地磁场引起的偏振旋转为ω=4.3×10^‐4rad/m，根据式（20）的结果，光纤内扭转率与S₂的值有着一一对应的关系，如图6所示，而由步骤5至步骤8中所求得S₂=0.120这一结果便可得到光纤内扭转率的大小，如图7所示，测得经过待测光纤后偏振光线斯托克斯矢量中的S₂参量为0.120时，对应光纤内扭转率为0.121rad/m，即τ=0.121rad/m。

10、计算机11发送命令信号到电机模块12，控制位移台9平移，使线第二线偏振片7移出光路。

11、再从原光纤盘中截取另一段光纤，重复上述测量步骤。假设重复测量10次，则可以得到平均内扭转率：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}=\frac{1}{10}\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\mathrm{\τ}}_i\right|---\left(25\right)$

上式中，τ_i为取第i段光纤测得的内扭转率，因为会出现扭转方向不同导致测得内扭转率的符号相反的情况，为了避免所测得的内扭转率正负相消，所以将测得的值先取绝对值再求平均。

Claims (1)

1.一种光纤内扭转检测方法，该方法在光纤内扭转检测装置上实现，所述光纤内扭转检测装置包括激光光源（1）、第一线偏振片（2）、第一夹具（3）、第一显微镜物镜（4）、待测光纤（5）、第二显微镜物镜（6）、第二线偏振片（7）、第二夹具（8）、位移台（9），光强探测器（10）、计算机（11）、电机模块（12）；其中，所述第一线偏振片（2）内嵌于第一夹具（3）中，激光光源（1）发出的光线垂直于第一线偏振片（2）的通过面；第一显微镜物镜（4）位于第一线偏振片（2）之后，入射光线经过第一显微镜物镜（4）耦合进入待测光纤（5）中；第二显微镜物镜（6）位于待测光纤（5）之后，其对经过待测光纤（5）后的出射光线进行扩束准直；位移台（9）位于第二显微镜物镜（6）之后，第二夹具（8）固定在位移台（9）上，第二线偏振片（7）内嵌于第二夹具（8）中，且第二线偏振片（7）的通过面与出射光线垂直；光强探测器（10）位于位移台（9）之后；电机模块（12）分别与位移台（9）和计算机（11）相连；其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）从一盘光纤中截取一段待测光纤（5），置于第一显微镜物镜（4）和第二显微镜物镜（6）之间，并且得到待测光纤（5）入射端面内的慢轴方向后，调整待测光纤（5）使其慢轴竖直；

（2）旋转第一夹具（3），利用第一夹具（3）上的刻度使线第一线偏振片（2）的透光方向为竖直方向，确保激光光源（1）发出的光线进入到待测光纤（5）时用斯托克斯矢量可表示为[1,1,0,0]^T；

（3）打开激光光源（1）后，调整第一显微镜物镜（4），将光线耦合进待测光纤（5）中，第二显微镜物镜（6）的作用为将从待测光纤（5）出射的光扩束准直；

（4）旋转第二夹具（8），利用第二夹具（8）上的刻度使第二线偏振片（7）的透光方向与X₀轴成45°，通过位移台（9）的平移来控制第二线偏振片（7）是否在光路中，开始时，第二线偏振片（7）不在光路中；

（5）用光强探测器（10）测量光线经过第一线偏振片（2）、第一显微镜物镜（4）、待测光纤（5）以及第二显微镜物镜（6）后的光强，记为I₁，将所测定的光强数据输入到计算机（11）；

（6）计算机（11）发送命令信号到电机模块（12），电机模块（12）包括电机驱动和电机，电机驱动根据计算机（11）发送的命令控制电机运动，进而控制位移台（9）平移，使线第二线偏振片（7）进入光路；

（7）再用光强探测器（10）测量光线经过第一线偏振片（2）、第一显微镜物镜（4）、待测光纤（5）、第二显微镜物镜（6）以及第二线偏振片（7）后的光强，记为I₂，同时将所测定的光强数据输入到计算机（11）；

（8）计算机（11）进行数据处理，由下式可得斯托克斯矢量中S₂的值：

$S_2=\frac{{2I}_2-I_1}{I_1}$

（9）由下式：

$\begin{array}{c}{S}_2=2(D_r{E}_r+D_i{E}_i)\\ ={\cos }^2\left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\sin \left(2\mathrm{\τz}\right)+\frac{F_0}{{\mathrm{\η}}_0}\sin \left({2\mathrm{\η}}_{0}z\right)+{\sin }^2\left({\mathrm{\η}}_{0}z\right)\sin \left(2\mathrm{\τz}\right)\left(\frac{{\mathrm{\δ}}^2+{{4F}_0}^2}{{{4\mathrm{\η}}_0}^2}\right)\end{array}$

$F_0=\mathrm{\ω}-\frac{1}{2}\mathrm{g\τ}-\mathrm{\τ}$

${\mathrm{\η}}_0=\sqrt{{(\mathrm{\δ}/2)}^2+{F_0}^2}$

可以获得光纤扭转率τ的值，式中，δ为光纤固有双折射，ω为地磁场引起的偏振旋转，为常量；z为光纤长度，g为常数。

（10）计算机（11）发送命令信号到电机模块（12），控制位移台（9）平移，使线第二线偏振片（7）移出光路。

（11）再从原光纤盘中截取另一段光纤，重复上述测量步骤1‐10。得到平均内扭转率：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\mathrm{\τ}}_i\right|$

式中，N为检测次数。

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