CN106772818B - 测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置 - Google Patents

Abstract

一种测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置，其构成为：一个脉冲激光器，一个光纤隔离器，三个光纤偏振控制器，一个光纤在线起偏器，一个1×2光纤耦合器，两个2×2光纤耦合器，两个光纤准直器，一段单模光纤，四个快速光电二极管，一台高速示波器。脉冲激光器的输出端连接到一个光纤偏振控制器的一端，光纤偏振控制器另一端连接光纤隔离器。光纤隔离器输出端与光纤在线起偏器输入端连接。在线起偏器输出端连接1×2光纤耦合器的输入端。本发明具有全光纤化、结构紧凑、调节简单、操作方便、抗外界烦扰能力强，能够单发测量大口径磁光隔离器隔离比，测量动态范围高的特点。

Description

测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置。

背景技术

大口径磁光隔离器能够允许特定偏振方向的激光正向传输时完全通过，而反向传输时被隔离，是大口径高功率激光装置，尤其是MOPA系统中避免反向激光引起装置破坏的主要手段。磁光隔离器主要由入射偏振片、旋光玻璃、出射偏振片及法拉第线圈组成。入射偏振片和出射偏振片偏振方向成45度夹角，入射偏振片偏振方向与入射光偏振方向相同。LC供电回路与法拉第线圈两端电联接，为线圈提供高压电脉冲。脉冲电流的峰值大小与LC供电回路的充电电压有关。电流流经法拉第线圈时在线圈内部产生磁场，磁场强度与线圈结构及流经线圈的电流大小有关，磁场方向与电流的方向相关，符合安培定则。在外界磁场的作用下，旋光玻璃使入射光的偏振方向发生旋转，旋转方向与磁场方向相关，旋转角度与磁场强度、旋光玻璃厚度及旋光系数有关，与激光的传输方向及入射光的偏振方向无关。磁场在通光口径内的均匀性决定了隔离器动态透过率及隔离比的均匀性，且只有入射光偏振方向与入射偏振片方向重合，并且激光偏振方向在旋光玻璃中的旋转角度正好为45度时，磁光隔离器的隔离比和动态透过率同时达到最大值。所以精确测量大口径磁光隔离器的隔离比、动态透过率及其均匀性是优化磁光隔离器运行状态，提升整个高功率激光装置性能的关键。

由于磁光隔离器的线圈是由LC回路提供毫秒电脉冲，只有在放电瞬间线圈才会产生磁场，隔离器才能起到隔离作用。所以，要想测量隔离器的隔离比，需要测得同一点同一时刻在正反两个方向的透过率。比较普遍的测量方法，需要在LC回路多次放电中分别测量正向信号的透过率和反向信号的透过率。这种多次测量的方法不仅光路复杂，调整困难，而且容易受到光路调整空间复位精度，信号光偏振态抖动，信号光时间抖动，信号光能量变化以及LC供电回路充电电压重复精度的影响。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术，提供一种测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置，使隔离器线圈单次放电就可以得出隔离器隔离比，且受外界烦扰小，测量精度高，测量动态范围大，结构简单，调节方便，很大程度降低了测量所占用的空间和时间。

本发明的技术解决方案如下：

一种测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置，其构成包括：脉冲激光器、第一光纤偏振控制器、光纤隔离器、光纤在线起偏器、1×2光纤耦合器、一段单模光纤、第一2×2光纤耦合器、第二光纤偏振控制器、第一光纤准直透镜、第二光纤准直透镜、第三光纤偏振控制器、第二2×2光纤耦合器、第一快速光电二极管、第二快速光电二极管、示波器、第三快速光电二极管和第四快速光电二极管；

在所述的第一光纤准直透镜和第二光纤准直透镜之间放置被测隔离器；

所述的脉冲激光器、光纤偏振控制器、光纤隔离器、光纤在线起偏器和1×2光纤耦合器依次相连，该1×2光纤耦合器的第一输出端与第一2×2光纤耦合器的第一端口相连，该1×2光纤耦合器的第二输出端经所述单模光纤与第二2×2光纤耦合器的第一端口相连，所述的第一2×2光纤耦合器的第二端口与所述的第一快速光电二极管的输入端相连，该第一2×2光纤耦合器的第三端口经所述的第二偏振控制器与第一光纤准直器相连，激光脉冲经过该光纤准直器被耦合成空间平行光，经待测隔离器的正向垂直入射后耦合射入所述的第二光纤准直透镜，所述第一2×2光纤耦合器的第四端口作为正向入射光的参考光输出端与所述的第二快速光电二极管的输入端相连，所述的第二光纤耦合器的第二端口与所述的第四快速光电二极管的输入端相连，该第二光纤耦合器的第三端口经所述的第三光纤偏振控制器与光纤准直器相连，激光脉冲经该光纤准直器被耦合成空间平行光，经待测隔离器的反向垂直入射后耦合射入所述的第一光纤准直透镜，所述的第二光纤耦合器的第四端口作为反向入射光的参考光输出端与所述的第三快速光电二极管的输入端相连，所述的第一快速光电二极管、第二快速光电二极管、第三快速光电二极管和第四快速光电二极管的输出端分别连接到所述的示波器的一个通道上。

依次将脉冲激光器的光纤输出端、光纤偏振控制器、光纤隔离器、光纤在线起偏器首尾熔接，光纤在线起偏器的出射端与1×2光纤耦合器的入射端熔接。光纤隔离器可以避免测量光路中的反向激光返回激光脉冲信号源并对其造成破坏；光纤在线起偏器具有偏振相关透过作用，使得透过的激光信号保持一个方向的线偏振光不变，隔离了输入信号偏振态抖动对测量结果的影响；光纤偏振控制器与在线起偏器结合，可以调节到达光纤耦合器的激光信号的能量到合适大小。

1×2光纤耦合器的两个输出端分别与一个2×2光纤耦合器的一输入光纤端熔接。两个2×2光纤耦合器的另一个输入端分别连接一个光电二极管的激光输入端，光电二极管分别连接到示波器的通道2和通道3；两个2×2光纤耦合器的一个光纤输出端分别作为正向透过率和反向透光率测量的参考信号输出端，分别连接一个光电二极管的激光输入端，光电二极管分别连接到示波器的通道1和通道4；另一个光纤输出端分别熔接一个光纤偏振控制器，光纤偏振控制器另一端与光纤准直器的光纤输入端熔接，两个光纤准直器分别位于待测磁光隔离器的输入端和输出端，并且成相互耦合关系，分别作为正向传输信号和反向传输信号输出端的同时还作为反向传输信号和正向传输信号的接收端，将经过隔离器之后的信号光耦合进与其相连的2×2光纤耦合器，并分别进入与示波器的通道2和通道3相连的快速光电二极管。

本发明的1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器的耦合比可以为任意值。具体选取值需根据待测隔离器所要求的测量动态范围确定。

本发明通过调节偏振控制器的状态并结合耦合器耦合比例的选取，可以得到远远超出示波器本身动态范围的测量动态范围。

本发明所用示波器的分辨率必须满足能够精确测量激光脉冲信号峰值功率的要求。

本发明所用器件全部为光纤器件，光纤全部为普通单模石英光纤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用光纤准直器与光纤耦合器相结合，同时测量同一点正反两个方向的透过率，并采用透过率相对测量法及隔离比静动态对比法的测量方法，实现了隔离器隔离比的单次放电精确测量。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图中：1-光纤脉冲激光器；2-第一光纤偏振控制器；3-光纤隔离器；4-光纤在线起偏器；5-1×2光纤耦合器；6-单模光纤；7-第一2×2光纤耦合器；8-第二光纤偏振控制器；9-第一光纤准直器；10-第二光纤准直器；11-第三光纤偏振控制器；12-第二2×2光纤耦合器；13-第一快速光电二极管；14-第二快速光电二极管；15-快速示波器；16-第三快速光电二极管；17-第四快速光电二极管；18-待测磁光隔离器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但本发明不限于这些实施例。

先请参阅图1，图1是本发明测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置的一个实施例的结构示意图。在图1中，本实施例的测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置是由光纤脉冲激光器1，第一光纤偏振控制器2、第二光纤偏振控制器8、第三光纤偏振控制器11，光纤隔离器3，光纤在线起偏器4，1×2光纤耦合器5，第一2×2光纤耦合器7、第二2×2光纤耦合器12，第一光纤准直器9、第二光纤准直器10，第一快速光电二极管13、第二快速光电二极管14、第三快速光电二极管16、第四快速光电二极管17、高速示波器15和待测磁光隔离器18连接构成。

测量脉冲信号源1输出信号经过1×2耦合器5之后分别被耦合成沿两个输出光纤传输的信号光。其中一路作为正向脉冲信号进入第一2×2光纤耦合器7的输入端，一路作为反向脉冲信号进入第二2×2光纤耦合器12的输入端。第一光纤耦合器7将输入激光脉冲信号耦合成分别沿两个输出光纤传输的两部分，其中沿传输光纤直接进入第一快速光电二极管14的激光脉冲信号为正向通过待测磁光隔离器的激光脉冲信号的参考信号，通过快速示波器15通道一的脉冲峰值来表征大小。从第一光纤耦合器7另一尾纤输出的激光脉冲信号为待测磁光隔离器18的正向传输信号，进入第一光纤准直器9后被耦合成空间平行光并沿待测磁光隔离器18的正入射方向垂直入射。通过待测磁光隔离器18之后，该激光脉冲信号进入第二光纤准直器10，再次被耦合成沿光纤传输的激光信号。该信号沿第二2×2光纤耦合器12的输出端进入，并被耦合成两部分，一部分传输到光纤隔离器3时被损耗掉，另一部分进入第二2×2光纤耦合器12的另一输入端口，通过快速第四光电二极管17转化为电信号进入快速示波器15通道三。

同理，由1×2耦合器5另一输出端进入第二2×2光纤耦合器12的激光脉冲信号被该耦合器耦合成两部分。其中一部分作为反向通过待测磁光隔离器18的激光脉冲信号的参考信号，经过快速第三光电二极管16进入快速示波器15的通道四。另一部分作为待测磁光隔离器18的反向传输信号，进入第二光纤准直器10后被耦合成空间平行光并沿待测磁光隔离器18的反向入射方向垂直入射。通过待测磁光隔离器之后，该激光脉冲信号进入第一光纤准直器9，再次被耦合成沿光纤传输的激光信号。该信号沿第一2×2光纤耦合器7的输出端进入，并被耦合成两部分，一部分传输到光纤隔离器3时被损耗掉，另一部分进入第一2×2光纤耦合器7的另一输入端口，通过快速光电二极管第一13转化为电信号进入快速示波器15通道二。

本实施例中，1×2光纤耦合器5耦合比为1：9，9端作为反向入射信号光。

本实施例中，第一2×2光纤耦合器7耦合比为1：1。

本实施例中，第二2×2光纤耦合器12耦合比为199：1，其中199端连接第二光纤准直器10，反向垂直入射待测磁光隔离器。

本发明的工作原理如下：

测量激光脉冲经过1×2耦合器5之后分为正反两个方向分别经过第一2×2光纤耦合器7、第二2×2光纤耦合器12分光，其中一部分光作为正反两个方向的传输激光脉冲信号经第一光纤准直器9和第二光纤准直器10耦合成平行光垂直入射到待测隔离器。经过待测磁光隔离器18之后正反两个方向的激光信号再次进入对面的第二光纤准直器10和第一光纤准直器9，经过2×2光纤耦合器之后分别进入第三快速光电二极管16、第二快速光电二极管14。第四快速光电二极管17、第一快速光电二极管13分别与快速示波器15的通道四和通道一相连。通道四和通道一测得脉冲的峰值大小即为正方两个方向透过待测隔离器的激光脉冲峰值大小。被第一2×2光纤耦合器7、第二2×2光纤耦合器12分光后的另一部分激光脉冲信号作为正反两个方向的传输激光脉冲的参考信号，直接连接第二快速光电二极管14、第三快速光电二极管16。第二快速光电二极管14、第三快速光电二极管16分别与示波器15的通道二和通道三连接，通道二和通道三测得的脉冲峰值大小即为正向和反向传输激光脉冲参考信号的大小。

第一光纤偏振控制器2和光纤在线起偏器4相结合，即能使输入信号保持固定的偏振态不变，隔离激光脉冲信号源1输出信号偏振态抖动带来的影响，又能通过调节偏振控制器2改变透过在线起偏器4激光脉冲能量的大小，为快速示波器15测量量程的选择带来极大的方便。

待测隔离器的检偏器和起偏器具有检偏振功能，在第一光纤准直器9之前加入第二光纤偏振控制器8、第三光纤偏振控制器11可以实现正反向传输激光脉冲信号大小的独立调节，可以实现更大的隔离比测试动态范围。

在线圈不放电时，旋光玻璃无旋光效果，待测隔离器无隔离作用。此时通过待测隔离器起偏器和检偏器之后激光脉冲的透过率称为静态透过率，静态透过率只与两个偏振片的夹角以及旋光玻璃的残余反射有关，所以待测隔离器本身正反两个方向的静态透过率相等。同时，由于测量系统中1×2光纤耦合器5、第一2×2光纤耦合器7、第二2×2光纤耦合器12隔离比不尽相同，正反向入射激光脉冲的偏振态在进入隔离器时的偏振态不一定与偏振片的偏振方向完全重合，正反两个方向传输脉冲激光再次进入第二光纤准直器10、第一光纤准直器9时的耦合效率也不一定完全相同，所以很难将待测隔离器自身的透过率的绝对值测出。基于上述原因，测量采用了透过率相对测量法及隔离比静动态对比法的测量方法，即在线圈不放电时，示波器15测量一组数据，得出正反两个方向的相对静态透过率(由待测隔离器以及测量系统本身引入的损耗共同决定)分别为：

正向静态相对透过率＝通道3_静态/通道1_静态

反向静态相对透过率＝通道2_静态/通道4_静态

在线圈放电时(此时旋光玻璃具有旋光作用，隔离器具有隔离效果)示波器15测量一组数据，得出正反两个方向的相对动态透过率分别为：

正向动态相对透过率＝通道3_动态/通道1_动态

反向动态相对透过率＝通道2_动态/通道4_动态

由于线圈放电与否只影响待测隔离器本身的透过率，而不影响测量系统其他原因引入的损耗，而且待测隔离器本身静态透过率正反两个方向相同，所以单次放电就可得出待测隔离器的隔离比如下：

为了更好的说明原理，此处假设测量系统各参数如下：

1)进入1×2光纤耦合器5的激光脉冲信号的峰值功率为I。

2)假设1×2光纤耦合器5的耦合比是a:1，a作为正向入射信号光进入第一2×2光纤耦合器7。

3)正向入射方向的第一2×2光纤耦合器7的耦合比是b:1，b端经过第二光纤偏振控制器8后进入第一光纤准直器9。

4)反向入射方向的第二2×2光纤耦合器12的耦合比是c:1，c端经过光纤偏振控制器11后进入第二光纤准直器10。

5)隔离器本身的正反向透过率分别为T_正和T_反，

6)由于起偏器/检偏器对正/反向第一光纤准直器9、第二光纤准直器10输出信号的偏振滤光作用引起的损耗为η_正和η_反。

7)示波器15各通道测得的信号峰值大小表示为C1，C2，C3，C4。

则在静态情况下示波器15测得信号为：

C1∝正向参考信号＝I×a/b+1

C4∝反向参考信号＝I/c+1

C3∝正向透过信号＝I×a×b×T_正×(1-η_正)/(b+1)×(c+1)

C2∝反向透过信号＝I×c×T_反×(1-η_反)/(b+1)×(c+1)

法拉第线圈放电，隔离器工作时示波器15测得信号为：

C1'∝正向参考信号＝I'×a/b+1

C4'∝反向参考信号＝I'/c+1

C3'∝正向透过信号＝I'×a×b×T'_正×(1-η_正)/(b+1)×(c+1)

C2'∝反向透过信号＝I'×c×T'_反×(1-η_反)/(b+1)×(c+1)

则隔离器的隔离比如下：

可以看出，各个1×2光纤耦合器5、第一2×2光纤耦合器7、第二2×2光纤耦合器12的耦合比例、测量用信号光的能量抖动和偏振态抖动以及第二光纤偏振控制器8、第三光纤偏振控制器11的调节都不会对测量结果产生影响。且在读取一组静态数据以后，隔离器只需一次放电就可以精确测量隔离比。同时通过调节第一光纤偏振控制器2、第二光纤偏振控制器8、第三光纤偏振控制器11和1×2光纤耦合器5、第一2×2光纤耦合器7、第二2×2光纤耦合器12的耦合比可以在示波器15动态范围有限的情况下，进一步扩展隔离比的可测量动态范围。

Claims (6)

1.一种测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置，特征在于其构成包括：脉冲激光器(1)、第一光纤偏振控制器(2)、光纤隔离器(3)、光纤在线起偏器(4)、1×2光纤耦合器(5)、一段单模光纤(6)、第一2×2光纤耦合器(7)、第二光纤偏振控制器(8)、第一光纤准直器(9)、第二光纤准直器(10)、第三光纤偏振控制器(11)、第二2×2光纤耦合器(12)、第一快速光电二极管(13)、第二快速光电二极管(14)、示波器(15)、第三快速光电二极管(16)和第四快速光电二极管(17)；

在所述的第一光纤准直器(9)和第二光纤准直器(10)之间放置被测磁光隔离器(18)；

所述的脉冲激光器(1)、第一光纤偏振控制器(2)、光纤隔离器(3)、光纤在线起偏器(4)和1×2光纤耦合器(5)依次相连，该1×2光纤耦合器(5)的第一输出端与第一2×2光纤耦合器(7)的第一端口相连，该1×2光纤耦合器(5)的第二输出端经所述单模光纤(6)与第二2×2光纤耦合器(12)的第一端口相连，所述的第一2×2光纤耦合器(7)的第二端口与所述的第一快速光电二极管(13)的输入端相连，该第一2×2光纤耦合器(7)的第三端口经所述的第二光纤偏振控制器(8)与第一光纤准直器(9)相连，激光脉冲经过该第一光纤准直器(9)被耦合成空间平行光，经待测磁光隔离器(18)的正向垂直入射后耦合射入所述的第二光纤准直器(10)，所述第一2×2光纤耦合器(7)的第四端口作为正向入射光的参考光输出端与所述的第二快速光电二极管(14)的输入端相连，所述的第二2×2光纤耦合器(12)的第二端口与所述的第四快速光电二极管(17)的输入端相连，该第二2×2光纤耦合器(12)的第三端口经所述的第三光纤偏振控制器(11)与第二光纤准直器(10)相连，激光脉冲经该第二光纤准直器(10)被耦合成空间平行光，经待测磁光隔离器(18)的反向垂直入射后耦合射入所述的第一光纤准直器(9)，所述的第二2×2光纤耦合器(12)的第四端口作为反向入射光的参考光输出端与所述的第三快速光电二极管(16)的输入端相连，所述的第一快速光电二极管(13)、第二快速光电二极管(14)、第三快速光电二极管(16)和第四快速光电二极管(17)的输出端分别连接到所述的示波器(15)的一个通道上。

2.根据权利要求1的一种测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置，其特征在于所述的脉冲激光器(1)为单脉冲激光器，脉冲的发射时间与所测大口径磁光隔离器放电线圈的放电波形峰值时间同步，输出波长与所测磁光隔离器的使用波长相同。

3.根据权利要求1的一种测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置，其特征在于所述的1×2光纤耦合器(5)的分束比为任意分束比。

4.根据权利要求1的一种测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置，其特征在于所述的第一2×2光纤耦合器(7)的分束比和第二2×2光纤耦合器(12)的分束比均为任意分束比。

5.根据权利要求1的一种全光纤测量大口径磁光隔离器隔离比的装置，其特征在于第一光纤准直器(9)和第二光纤准直器(10)均为微型透镜组与光纤端面相集成的光纤器件，能够将尾纤传输来的信号光耦合成空间平行光输出，也能够将入射的空间平行光耦合进尾纤传输，尾纤为单模光纤。

6.根据权利要求1的一种测量大口径磁光隔离器隔离比的全光纤装置，其特征在于所述的第一快速光电二极管(13)、第二快速光电二极管(14)、第三快速光电二极管(16)和第四快速光电二极管(17)均具有线性度。