CN104931232A

CN104931232A - 一种掺杂光纤Verdet常数的测试装置和方法

Info

Publication number: CN104931232A
Application number: CN201510319939.9A
Authority: CN
Inventors: 王廷云; 黄怿; 陈莉; 柴赵璞; 郭强
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2015-09-23

Abstract

本发明公开了一种掺杂光纤Verdet常数的测试装置，包括ASE光源，准直器，起偏器，斩波器，透镜，光纤三轴位移台，螺线管，直流电源，检偏器，光电探测器，锁相放大器，计算机；待测掺杂光纤无需任何熔接，直接放入螺线管中心通道测试。本发明使用了斩波器和锁相放大器，可以有效抑制光路中的噪声，实现Verdet常数的准确测量。测试中无需多次调节检偏器角度，只要开关电流源并记录锁相放大器的读书即可。与传统的光纤Verdet常数测试装置相比，本发明无熔接损耗、抗噪性能好、灵敏度高、操作简单，适用于各类掺杂石英光纤或玻璃光纤Verdet常数的测定。

Description

一种掺杂光纤Verdet常数的测试装置和方法

技术领域

本发明涉及一种掺杂光纤Verdet常数的测试装置和方法，属于光纤传感技术领域。

背景技术

随着光纤技术的不断发展，光纤因其体积小、重量轻、绝缘性好、抗电磁干扰、灵敏度高等优点，越来越多的被应用于各类传感器。其中基于法拉第磁光效应的光纤传感器件得到了较快的发展，如磁光调制器、隔离器、电流互感器和光纤陀螺等。Verdet常数是表征磁光材料特性的重要参数，传感光纤的Verdet常数很大程度上决定着磁光效应器件的灵敏度，因此光纤Verdet常数的准确测量十分重要。

近年来，人们通过掺入稀土离子提高光纤的Verdet常数。其中常见的一类是Tb、Dy、Pr、Ce和Er等顺磁性的稀土离子，掺入后可以提高石英光纤的磁光效应灵敏度。还有一类混合掺入稀土离子和磷酸盐、硅酸盐等材料的玻璃光纤，其稀土离子含量较高，但本身通光性降低。常规的光纤Verdet常数测量装置和方法需要将待测光纤与单模光纤熔接，掺杂玻璃光纤与单模光纤熔接损耗极大，无法测量。

另外，一般的光纤Verdet常数测量系统是直接检测接收端光强度的变化，没有对测试的光束进行调制，因此在测试过程中不可避免的会混入其他波长的光噪声，尤其在测试可见光波段附近波长的Verdet常数时，周围环境的可见光会对测试结果产生很大的影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题提出一种掺杂光纤Verdet常数的测量装置和方法，能有效抑制测试过程中混入的光噪声，实现准确、稳定、快速的光纤Verdet常数测量。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种掺杂光纤Verdet常数的测试装置，包括ASE光源，准直器，起偏器，斩波器，透镜，光纤三轴位移台，螺线管，直流电源，检偏器，光电探测器，锁相放大器，计算机，待测掺杂光纤；所述ASE光源通过单模跳线与准直器相连，输出空间光进入起偏器，输出线偏振光；线偏光经过斩波器调制，再通过透镜耦合进入待测掺杂光纤，通过光纤三轴位移台的调整提高耦合效率；所述待测掺杂光纤放入定制的螺线管中心通道，螺线管与直流电源相连并提供磁场；光波从待测光纤出来后同样经过透镜和光纤三轴位移台的调整，通过检偏器，最后进入光电探测器；所述光电探测器和斩波器控制端都与锁相放大器连接，所述锁相放大器、检偏器都与计算机连接。

进一步地，所述的检偏器安装在精密电动旋转平台上。

进一步地，所述的准直器和起偏器之间使用笼式系统连接。

进一步地，所述的待测试掺杂光纤直接放入螺线管中心管道，无需与其他任何辅助光纤熔接。

一种掺杂光纤Verdet常数的测试方法，应用上述的掺杂光纤Verdet常数的测试装置，包括如下步骤：

步骤1：连接好实验光路，将待测掺杂光纤平直放入螺线管中心通道并固定，打开ASE光源输出660nm红光，把光功率计放在待测光纤输出端，此时调整光纤三轴位移台，使光源输出的光最大限度耦合进入待测光纤；

步骤2：固定光纤三轴位移台，调整ASE光源输出功率，使从待测光纤输出的光功率为1mW，使用计算机控制精密电动旋转平台，使检偏器旋转一周，使用光功率计观察并记录通过检偏器之后光强的变化范围，将检偏器通光方向调整至最大光强和最小光强的正中间位置（比如最大光强出现在检偏器90度位置，最小光强出现在180度位置，则调整检偏器至135度位置，即最佳工作点），从光路系统中撤出光功率计；

步骤3：在起偏器和透镜之间加入斩波器，启动斩波器和锁相放大器，设定斩波器频率为100Hz，给光波加入频率信息，同时给锁相放大器提供参考信号；

步骤4：光电探测器将光路系统最后输出的光功率转化为电信号输入锁相放大器，待锁相放大器稳定，读出较为精确的电压值，打开直流电源，输出电流I，通过螺线管产生稳定磁场，再次读出电压值，求得两次电压差：=；

步骤5：在五组不同电流值下重复步骤4，做出磁场与法拉第转角关系曲线，根据公式θ=VHL，计算待测光纤的Verdet常数V，其中，为法拉第转角，H为通电螺线管内部中心通道磁场强度，L为待测光纤在螺线管中的长度。

步骤5中求法拉第转角的原理如下：

光源发出的光通过起偏器后变成线偏振光，设线偏振光的振动方向平行于轴，则输入的线偏光的琼斯矩阵为：

式中表示光束的振幅。线偏振光注入光纤后，在磁场影响下，光的振动方向与轴形成角，则从光纤输出的线偏振光的琼斯矩阵：

检偏器主要由偏振片组成，且可以电动精确控制。故设检偏器与轴的夹角为，线偏振片的琼斯矩阵：

则从检偏器输出的光矩阵：

则，其光强：

光强对求偏导：

从上式可以得到，当时，光强变化最大。由于角变化很小()，则认为为灵敏度最佳点，可得：

其中，表示没有施加磁场情况下，输出光的光功率；表示受磁场影响下，输出光的光功率。

在本实验中输出光光功率由锁相放大器显示的电压值表示，因此法拉第转角可以求得：

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

（1）待测掺杂光纤无需熔接，消除熔接损耗带来的误差；

（2）整体装置占用空间小，操作简单；

（3）斩波器与锁相放大器的配合使用将空间光传输过程中的噪声消除，很大程度上提高了测试的精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明一个实施例的测试结果。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例并结合附图说明如下：

参见图1 ，一种掺杂光纤Verdet常数的测试装置，包括ASE光源1，准直器2，起偏器3，斩波器4，透镜5，光纤三轴位移台6，螺线管7，直流电源8，检偏器9，光电探测器10，锁相放大器11，计算机12，待测掺杂光纤13；所述ASE光源1通过单模跳线与准直器2相连，输出空间光进入起偏器3，输出线偏振光；线偏光经过斩波器4调制，再通过透镜5耦合进入待测掺杂光纤13，通过光纤三轴位移台6的调整提高耦合效率；所述待测掺杂光纤13放入定制的螺线管7中心通道，螺线管7与直流电源8相连并提供磁场；光波从待测光纤13出来后同样经过透镜5和光纤三轴位移台6的调整，通过检偏器9，最后进入光电探测器10；所述光电探测器10和斩波器4控制端都与锁相放大器11连接，所述锁相放大器11、检偏器9都与计算机12连接。

所述的检偏器9安装在精密电动旋转平台上。所述的准直器2和起偏器3之间使用笼式系统连接。所述的待测试掺杂光纤13直接放入螺线管7中心管道，无需与其他任何辅助光纤熔接。

如图2所示，一种掺杂光纤Verdet常数的测试方法，应用上述的掺杂光纤Verdet常数的测试装置，包括如下步骤：

首先选用商用单模光纤作为待测掺杂光纤13，将一段长约90cm的待测掺杂光纤13平直放入30cm长的螺线管7中心通道，两边多出来的部分固定在光纤三轴位移台6上，保持待测掺杂光纤13整体平直。打开ASE窄带光源1输出660nm红光，通过单模跳线进入准直器2。准直器2与起偏器3采用笼式结构相连，保证二者的位置在同一高度且平行相对。准直器2将红光水平输出，在空间中进入起偏器3，变成线偏振光。

把光功率计放在待测光纤输出端，此时调整光纤三轴位移台6，使光源1输出的光最大限度耦合进入待测掺杂光纤13。在三个方向上耐心调整，直到光功率计上显示的数值最大并且稳定。这时固定光纤三轴位移台6，调节ASE光源1，使最后输出的光强在1mW左右。

把光功率计放在检偏器9之后，用计算机12控制精密电动旋转平台，使检偏器9旋转360度，使用光功率计观察并记录通过检偏器9之后光强的变化范围，将检偏器9通光方向调整至最大光强和最小光强的正中间位置（最大光强出现在检偏器90度位置，最小光强出现在180度位置，则调整检偏器至135度位置，即最佳工作点），然后从光路系统中撤出光功率计。

将斩波器4放在起偏器3后、透镜5前，打开斩波器控制端，使光波变成带有100Hz频率信息的信号光。打开锁相放大器11，斩波器控制端同时把100Hz参考信号输入到锁相放大器11参考信号接口。打开光电探测器10，将最后接收到的信号光转化为电信号，输入到锁相放大器11的被测信号接口。

待锁相放大器11读数稳定，记下电压值。

打开直流电源10，分别给螺线管7加0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A电流，产生10.9mT、21.8mT、32.8mT、43.7mT、54.6mT磁场，记下对应的电压值、、、、，计算这5次的转角、、、、，绘制法拉第转角与磁场大小的关系图，参见图2中标记为SMF的红色曲线。

用计算机绘图并计算斜率，考虑L=30cm，可以求出单模光纤在660nm波长的Verdet常数是2.41rad/Tm。

同理，把商用单模光纤换成特种掺Eu石英光纤进行测试，绘制出图2中标记为Eu的黑色曲线，该光纤在660nm波长的Verdet常数是3.32 rad/Tm。

Claims

1.一种掺杂光纤Verdet常数的测试装置，其特征在于，包括ASE光源（1），准直器（2），起偏器（3），斩波器（4），透镜（5），光纤三轴位移台（6），螺线管（7），直流电源（8），检偏器（9），光电探测器（10），锁相放大器（11），计算机（12），待测掺杂光纤（13）；所述ASE光源（1）通过单模跳线与准直器（2）相连，输出空间光进入起偏器（3），输出线偏振光；线偏光经过斩波器（4）调制，再通过透镜（5）耦合进入待测掺杂光纤（13），通过光纤三轴位移台（6）的调整提高耦合效率；所述待测掺杂光纤（13）放入定制的螺线管（7）中心通道，螺线管（7）与直流电源（8）相连并提供磁场；光波从待测光纤（13）出来后同样经过透镜（5）和光纤三轴位移台（6）的调整，通过检偏器（9），最后进入光电探测器（10）；所述光电探测器（10）和斩波器（4）控制端都与锁相放大器（11）连接，所述锁相放大器（11）、检偏器（9）都与计算机（12）连接。

2.根据权利要求1所述的掺杂光纤Verdet常数的测试装置，其特征在于，所述的检偏器（9）安装在精密电动旋转平台上。

3.根据权利要求1所述的掺杂光纤Verdet常数的测试装置，其特征在于，所述的准直器（2）和起偏器（3）之间使用笼式系统连接。

4.根据权利要求1所述的掺杂光纤Verdet常数的测试装置，其特征在于，所述的待测试掺杂光纤（13）直接放入螺线管（7）中心管道，无需与其他任何辅助光纤熔接。

5.一种掺杂光纤Verdet常数的测试方法，应用权利要求1至4任一所述的掺杂光纤Verdet常数的测试装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：连接好实验光路，将待测掺杂光纤（13）平直放入螺线管（7）中心通道并固定，打开ASE光源（1）输出660nm红光，把光功率计放在待测光纤（13）输出端，此时调整光纤三轴位移台（6），使光源输出的光最大限度耦合进入待测光纤（13）；

步骤2：固定光纤三轴位移台（6），调整ASE光源（1）输出功率，使从待测光纤（13）输出的光功率为1mW，使用计算机（12）控制精密电动旋转平台，使检偏器（9）旋转一周，使用光功率计观察并记录通过检偏器（9）之后光强的变化范围，将检偏器（9）通光方向调整至最大光强和最小光强的正中间位置，从光路系统中撤出光功率计；

步骤3：在起偏器（3）和透镜（5）之间加入斩波器（4），启动斩波器（4）和锁相放大器（11），设定斩波器（4）频率为100Hz，给光波加入频率信息，同时给锁相放大器（11）提供参考信号；

步骤4：光电探测器（10）将光路系统最后输出的光功率转化为电信号输入锁相放大器（11），待锁相放大器（11）稳定，读出较为精确的电压值，打开直流电源（8），输出电流I，通过螺线管（7）产生稳定磁场，再次读出电压值，求得两次电压差：=；

步骤5：在五组不同电流值下重复步骤4，做出磁场与法拉第转角关系曲线，根据公式θ=VHL，计算待测光纤的Verdet常数V，其中，为法拉第转角，H为通电螺线管（7）内部中心通道磁场强度，L为待测光纤在螺线管（7）中的长度。