CN107065212A - 法拉第旋转镜及光纤干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种法拉第旋转镜及光纤干涉仪，属于光纤干涉技术领域。该法拉第旋转镜包括第一双折射晶体、第二双折射晶体、法拉第旋光器及反射装置。第一双折射晶体的晶轴角度与第二双折射晶体的晶轴角度满足预设关系，第一双折射晶体在预设方向上的长度与所述第二双折射晶体在所述预设方向上的长度之间的差值在预设范围内。本发明提供的法拉第旋转镜消除了受法拉第旋光器的色散特性和温度特性的影响产生的偏振分量，有效地确保了由法拉第旋转镜出射的光束相比于入射的光束的偏振方向旋转了90度，不受环境温度以及入射光波长的影响。此外，本发明还提供了一种采用了上述法拉第旋转镜的光纤干涉仪。

Description

法拉第旋转镜及光纤干涉仪

技术领域

本发明属于光纤干涉技术领域，具体而言，涉及一种法拉第旋转镜及光纤干涉仪。

背景技术

干涉式解调方法具有较高的分辨力，被广泛地应用于光信号的解调中。相比于传统的透镜系统构成的干涉仪，光纤干涉仪具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高、测量带宽较宽、检测电子设备与传感器间隔很远等优点，测量压力、应力(应变)、磁场、折射率、微振动、微位移等均有重要应用。

为了避免光纤干涉仪存在偏振衰落，影响干涉信号的输出，通常在光纤干涉仪的两个光纤干涉臂上均设置法拉第旋光器，以使从两个光纤干涉臂上反射回的光的偏振方向均旋转90度，从而提高光纤干涉仪的信噪比。然而，由于不同波长的光通过法拉第旋光器后的偏振方向旋转角度不同，只有在其中心波长处，光的偏振方向的旋转角度刚好为90度。且法拉第旋光器的中心波长会随着环境温度的变化而变化。也就是说，在某些信号光光谱范围较宽的应用场合中，或者是一些温差较大的应用环境中例如沙漠中的石油勘探，将法拉第旋光器应用于光纤干涉仪后，由于法拉第旋光器固有的色散和温度特性，使得两个干涉臂返回的光束的偏振态不同，不利于缓解光纤干涉仪的偏振衰落，也不利于提高光纤干涉仪的信噪比，从而也就限制了法拉第旋光器在光纤干涉仪中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种法拉第旋转镜及光纤干涉仪，以有效地改善上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种法拉第旋转镜，包括第一双折射晶体、第二双折射晶体、法拉第旋光器及反射装置。所述第一双折射晶体的晶轴角度与所述第二双折射晶体的晶轴角度满足预设关系，所述第一双折射晶体在预设方向上的长度与所述第二双折射晶体在所述预设方向上的长度之间的差值在预设范围内。第一光束入射到所述第一双折射晶体，经所述第一双折射晶体分束为第一线偏振光和第二线偏振光。所述第一线偏振光和所述第二线偏振光传输至所述第二双折射晶体，经所述第二双折射晶体合束为第二光束，所述第二光束经过所述法拉第旋光器的偏振旋转处理后入射到所述反射装置。经所述反射装置反射的所述第二光束依次经过所述法拉第旋光器、所述第二双折射晶体、所述第一双折射晶体后形成第三光束出射。

在本发明较佳的实施例中，上述第一双折射晶体的晶轴与第一方向的夹角为第一夹角，所述第一双折射晶体的晶轴与第二方向的夹角为第二夹角，所述第一夹角与所述第二夹角相等，其中，所述第一方向为所述第一光束的入射方向，且所述第二方向与所述第一方向的方向相反。

在本发明较佳的实施例中，上述第一双折射晶体在第一方向上的长度与所述第二双折射晶体在所述第一方向上的长度相等，其中，所述第一方向为所述第一光束的入射方向。

在本发明较佳的实施例中，上述法拉第旋转镜还包括准直器，入射光经所述准直器的准直处理后形成所述第一光束入射到所述第一双折射晶体。

在本发明较佳的实施例中，上述法拉第旋转镜还包括壳体和传导光纤，所述第一双折射晶体、第二双折射晶体、法拉第旋光器及反射装置均封装于所述壳体内，所述传导光纤穿入所述壳体、与所述准直器的入射端光耦合。

在本发明较佳的实施例中，上述第一双折射晶体与所述第二双折射晶体均为单轴晶体。

在本发明较佳的实施例中，上述第一双折射晶体与所述第二双折射晶体由同一块双折射晶体切分而成。

在本发明较佳的实施例中，上述第一双折射晶体与第二双折射晶体均为长方体形的双折射晶体，且所述第一双折射晶体的尺寸与所述第二双折射晶体的尺寸匹配。

在本发明较佳的实施例中，上述反射装置为平面反射镜。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光纤干涉仪，包括第一干涉臂和第二干涉臂，所述第一干涉臂和所述第二干涉臂上均设置有上述的法拉第旋转镜。沿所述第一干涉臂传输到所述法拉第旋转镜的第一信号光束，经所述法拉第旋转镜反射后形成的第三信号光束沿所述第一干涉臂反向传输。沿所述第二干涉臂传输到所述法拉第旋转镜的第二信号光束，经所述法拉第旋转镜反射后形成的第四信号光束沿所述第二干涉臂反向传输。所述第三信号光束与所述第四信号光束发生干涉形成干涉信号输出。

本发明实施例提供的法拉第旋转镜中，设置了晶轴角度满足预设关系的第一双折射晶体和第二双折射晶体，使得第一光束依次通过第一双折射晶体、第二双折射晶体、法拉第旋光器后经反射装置反射再次通过法拉第旋光器、第二双折射晶体、第一双折射晶体返回，消除了受法拉第旋光器的色散特性和温度特性的影响产生的偏振分量，有效地确保了由法拉第旋转镜出射的光束相比于入射的光束的偏振方向旋转了90度，不受环境温度以及入射光波长的影响。进一步，降低了采用本法拉第旋转镜的光纤干涉仪对入射光波长及工作环境温度的要求，有利于提高光纤干涉仪的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的法拉第旋转镜的一种结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的法拉第旋转镜中第一双折射晶体和第二双折射晶体的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的法拉第旋转镜的另一种结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供的光纤干涉仪的结构示意图。

图中：10-光纤干涉仪；100-法拉第旋转镜；101-第一双折射晶体；102-第二双折射晶体；103-法拉第旋光器；104-磁场发生器；105-反射装置；106-准直器；107-传导光纤；108-壳体；200-光纤耦合器；301-第一干涉臂；302-第二干涉臂。

具体实施方式

为了避免光纤干涉仪存在偏振衰落，影响干涉信号的输出，通常在光纤干涉仪的两个光纤干涉臂上均设置法拉第旋光器，以使从两个光纤干涉臂上反射回的光的偏振方向均旋转90度，从而提高光纤干涉仪的信噪比。然而，由于不同波长的光通过法拉第旋光器后的偏振方向旋转角度不同，只有在其中心波长处，光的偏振方向的旋转角度刚好为90度。且法拉第旋光器的中心波长会随着环境温度的变化而变化。也就是说，在某些信号光光谱范围较宽的应用场合中，或者是一些温差较大的应用环境中例如沙漠中的石油勘探，将法拉第旋光器应用于光纤干涉仪后，由于法拉第旋光器固有的色散和温度特性，使得两个干涉臂返回的光束的偏振态不同，从而导致光纤干涉仪的信噪比降低，也就限制了法拉第旋光器在光纤干涉仪中的应用。

鉴于此，本发明实施例提供了一种法拉第旋转镜，以有效地解决现有法拉第旋光器中入射光波长及环境温度影响光束偏振方向的旋转角度的问题，有利于降低光纤干涉仪对入射光波长及工作环境温度的要求，有利于法拉第旋转镜在光纤干涉仪中的应用。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“垂直”并不表示要求部件绝对水平或垂直，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“光耦合”应做广义理解，例如，“光耦合”可以是直接耦合，也可以通过中间媒介间接耦合，或者是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

如图1所示，本发明实施例提供的法拉第旋转镜100，包括第一双折射晶体101、第二双折射晶体102、法拉第旋光器103及反射装置105。第一光束入射到第一双折射晶体101，经第一双折射晶体101分束为第一线偏振光和第二线偏振光。第一线偏振光和第二线偏振光传输至第二双折射晶体102，经第二双折射晶体102合束为第二光束，第二光束经过所述法拉第旋光器103的偏振旋转处理后入射到反射装置105。经反射装置105反射的第二光束依次经过法拉第旋光器103、第二双折射晶体102、第一双折射晶体101后形成第三光束出射。其中，第一光束为平行光束或近似于平行光束。

可以理解的是，双折射晶体为各向异性的晶体，能够将入射光分解成两束偏振方向互相垂直、折射角不同的线偏振光，其中一束线偏振光遵守折射定律，称作寻常光(o光)，另一束线偏振光不遵守折射定律，称作非寻常光(e光)。例如，双折射晶体可以为金红石(TiO₂)晶体、方解石(CaCO₃)晶体等。

本实施例中，第一双折射晶体101的晶轴角度与第二双折射晶体102的晶轴角度满足预设关系。优选的，上述第一双折射晶体101的晶轴与第一方向的夹角为第一夹角，第一双折射晶体101的晶轴与第二方向的夹角为第二夹角，所述第一夹角与所述第二夹角相等，其中，所述第一方向为所述第一光束的入射方向，且所述第二方向与所述第一方向的方向相反。当然，在可接受的误差范围内，上述第一夹角和第二夹角可以近似相等，即第一夹角与第二夹角之间的差值的绝对值小于第一阈值，且该第一阈值比较小，接近于零。

此外，第一双折射晶体101在上述第一方向上的长度与第二双折射晶体102在第一方向上的长度之间的差值在预设范围内。在可接受的误差范围内，上述预设范围的边界值接近于零，即第一双折射晶体101在上述第一方向上的长度与第二双折射晶体102在第一方向上的长度近似相等。优选的，第一双折射晶体101在上述第一方向上的长度与第二双折射晶体102在第一方向上的长度相等。

具体的，如图2所示，第一双折射晶体101和第二双折射晶体102沿第一光束的入射方向并排设置。为了尽量减小本实施例提供的法拉第旋转镜100的空间占用，第一双折射晶体101和第二双折射晶体102邻近设置。其中，邻近设置表示两者相互靠近，甚至可以相接触。假设以空间中任意一点为原点构建三维直角坐标系，其x轴的正方向(+x)沿第一光束的入射方向，y轴方向与z轴方向在满足三维直角坐标系构建条件的前提下可以不做限制。此时，上述第一双折射晶体101的晶轴与x轴正方向的夹角即为第一夹角θ1，第二双折射晶体102的晶轴与x轴负方向的夹角为第二夹角θ2，且第一夹角θ1和所述第二夹角θ2优选相等。例如，第一夹角θ1和第二夹角θ2可以均为30度、45度或60度等。此外，如图2所示，沿x轴方向上，第一双折射晶体101的长度D1与第二双折射晶体102的长度D2相等。

本发明实施例中，上述第一双折射晶体101与第二双折射晶体102均为单轴晶体。第一双折射晶体101与第二双折射晶体102的形状可以为长方体形，也可以为正方体形，或者其他能够达到本发明实施例提供的法拉第旋转镜100效果的形状。优选的，第一双折射晶体101的尺寸与第二双折射晶体102的尺寸匹配。例如，若第一双折射晶体101与第二双折射晶体102均为长方体形，则第一双折射晶体101的长、宽、高与第二双折射晶体102的长、宽、高分别对应相等。

需要说明的是，第一双折射晶体101和第二双折射晶体102的通光面即第一双折射晶体101和第二双折射晶体102中，光束入射和出射的面的面积应该根据入射到通光面的光斑和由通光面出射的光斑的尺寸设置。优选的，通光面的最小宽度大于光斑的最大直径的3倍。

为了简化加工工艺，且能够有效地使得经第一双折射晶体101分解成的第一线偏振光和第二线偏振光能够经第二双折射晶体102合束为第二光束，上述第一双折射晶体101与第二双折射晶体102由同一块双折射晶体切分后，经打磨等工艺加工而成。

法拉第旋光器103用于使入射的光束的偏振方向旋转45度。具体的，法拉第旋光器103置于一个磁场发生器104内。磁场发生器104可以是外部缠绕有线圈的铁芯，当线圈通电后会在铁芯内产生磁场。优选的，上述铁芯为环形铁芯。此外，磁场发生器104也可以是能够产生固定磁场的永磁体。磁场发生器104产生的磁场作用于法拉第旋光器103上，使得通过法拉第旋光器103的光束的偏振方向旋转45度。

反射装置105用于使入射到反射装置105的光束反射后逆向返回。本实施例中，反射装置105可以为具有高反射率的平面反射镜，也可以为棱镜。

此外，为了保证入射到第一双折射晶体101的第一光束为平行光束或能够近似于平行的光束，请参阅图3，本发明实施例提供的法拉第旋转镜100还包括准直器106，准直器106设置于第一双折射晶体101的与第二双折射晶体102相背的一侧。入射光入射到准直器106，经准直器106的准直处理后形成第一光束入射到第一双折射晶体101。将本发明实施例提供的法拉第旋转镜100应用于光纤干涉仪中时，由光纤中出射的光通常为锥形光束，通过设置准直器106能够有效地将光纤端口出射的锥形光束准直为平行光束，以便于后续处理。

为了实现法拉第旋转镜100的产品化，以方便使用，如图3所示，本发明实施例提供的法拉第旋转镜100还包括壳体108和传导光纤107。第一双折射晶体101、第二双折射晶体102、法拉第旋光器103、磁场发生器104及反射装置105均封装于上述壳体108内。传导光纤107的一端用于接收入射光，另一端穿入壳体108内、与准直器106的入射端光耦合。将本发明实施例提供的法拉第旋转镜100应用于光纤干涉仪中时，可以通过传导光纤107的一端设置的光纤连接器与光纤干涉仪中的信号光纤耦合，也可以直接将传导光纤107的一端与光纤干涉仪中的信号光纤熔接，信号光纤输出的信号光即法拉第旋转镜100的入射光经过传导光纤107传输至法拉第旋转镜100内，经法拉第旋转镜100处理为第三光束后，由传导光纤107输出到上述信号光纤。

为了更清楚的说明本实施例的方案，下面将对本实施例提供的法拉第旋转镜100的工作过程作进一步描述。

如图3所示，入射光经传导光纤107传输至准直器106，经准直器106准直形成第一光束。从准直器106出射的第一光束继续向前传播，入射到第一双折射晶体101。通过第一双折射晶体101分成偏振方向相互垂直的第一线偏振光和第二线偏振光。以第一线偏振光为o光，第二线偏振光为e光为例。第一线偏振光沿图3中的路径1A传播，第二线偏振光沿图3中的路径1B传播。第一线偏振光和第二线偏振光由第一双折射晶体101出射后，继续传播、入射到第二双折射晶体102。第一线偏振光在第二双折射晶体102中沿图3中路径1C传播，第二线偏振光在第二双折射晶体102中沿图3中路径1D传播，且第一线偏振光和第二线偏振光通过第二双折射晶体102后合束为第二光束出射。第二光束继续传播至法拉第旋光器103，且通过法拉第旋光器103后，第二光束中包括的o光和e光的偏振方向均旋转45度。透过法拉第旋光器103的第二光束入射到反射装置105，经反射装置105反射后逆向传播至法拉第旋光器103。

经反射装置105反射的第二光束再次透过法拉第旋光器103，使得第二光束中包括的o光和e光的偏振方向再次旋转45度，即两次透过法拉第旋光器103后第二光束的偏振方向共旋转了90度。此时，第二光束中原本包括的o光转换成了e光，原本包括的e光转换成了o光。透过法拉第旋光器103的第二光束沿原光路反向入射到第二双折射晶体102，由第二双折射晶体102分成o光和e光，o光沿路径1C反向传播，e光沿路径1D反向传播，由第二双折射晶体102出射后，继续传播、入射到第一双折射晶体101，同理通过第一双折射晶体101后合束形成第三光束。第三光束经准直器106会聚到传导光纤107输出。

上述过程中，由于法拉第旋光器103存在色散和温度特性即对光束偏振方向的旋转角度受波长和环境温度的影响，也就是说，其并不能准确地将所有两次通过它的光的偏振方向都旋转90度。然而，由于第二双折射晶体102的偏振方向选择特性，能够有效地过滤两次通过法拉第旋光器103后入射到第二双折射晶体102的第二光束，只允许相对于第一双折射晶体101分解成的o光和e光而言，偏振方向刚好旋转了90度的光通过，并进一步由第一双折射晶体101合束后输出至准直器106，有效地将两次通过法拉第旋光器103后偏振方向旋转角度发生偏移即不等于90度的光束过滤掉。

综上所述，尽管法拉第旋光器103受色散和温度特性的影响，使两次通过法拉第旋光器103第二光束的偏振方向的旋转角度发生偏移，本发明实施例提供的法拉第旋转镜100能够使得第三光束的偏振方向总是垂直于由第二双折射晶体102出射并首次入射到法拉第旋光器103的第二光束的偏振方向，有效地抑制了法拉第旋光器103的色散和温度特性对第三光束的偏振方向的影响，有利于降低光纤干涉仪对入射光波长及工作环境温度的要求，有利于法拉第旋转镜100在光纤干涉仪中的应用，且结构简单，有利于微型化。

第二实施例

本实施例提供了一种光纤干涉仪。如图4所示，所述光纤干涉仪10包括光纤耦合器200、第一干涉臂301和第二干涉臂302，第一干涉臂301和第二干涉臂302上均设置有上述第一实施例提供的相同的法拉第旋转镜100。其中，法拉第旋转镜100的具体结构及原理请参照上述第一实施例，此处不再赘述。

光纤耦合器200可以采用分光比为50:50的2×2光纤耦合器。该光纤耦合器200包括第一连接端a、第二连接端b、第三连接端c及第四连接端d。信号光由光纤耦合器200的第一连接端a进入，分为光强相等的第一信号光束和第二信号光束。第一信号光束由第三连接端c入射到第一干涉臂301，沿第一干涉臂301传输到法拉第旋转镜100，经法拉第旋转镜100反射后形成的第三信号光束沿第一干涉臂301反向传输。第二信号光束由第四连接端d入射到第二干涉臂302，沿第二干涉臂302传输到法拉第旋转镜100，经法拉第旋转镜100反射后形成的第四信号光束沿第二干涉臂302反向传输。其中，第三信号光束与第一信号光束的偏振方向相互垂直，第四信号光束与第二信号光束的偏振方向相互垂直。沿第一干涉臂301反向输出的第三信号光束由第三连接端c进入光纤耦合器200，沿第二干涉臂302反向输出的第四信号光束由第四连接端d进入光纤耦合器200，发生干涉形成干涉信号，由光纤耦合器200的第二连接端b输出。

本发明实施例提供的光纤干涉仪10，采用了上述第一实施例提供的法拉第旋转镜100，在降低光纤干涉仪10对入射光波长及工作环境温度的要求的基础上，有效地消除了现有光纤干涉仪存在的偏振衰落问题，提高了输出干涉信号的信噪比，从而有利于提高微弱信号的测量精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种法拉第旋转镜，其特征在于，包括第一双折射晶体、第二双折射晶体、法拉第旋光器及反射装置，所述第一双折射晶体的晶轴角度与所述第二双折射晶体的晶轴角度满足预设关系，所述第一双折射晶体在预设方向上的长度与所述第二双折射晶体在所述预设方向上的长度之间的差值在预设范围内；

第一光束入射到所述第一双折射晶体，经所述第一双折射晶体分束为第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光传输至所述第二双折射晶体，经所述第二双折射晶体合束为第二光束，所述第二光束经过所述法拉第旋光器的偏振旋转处理后入射到所述反射装置，经所述反射装置反射的所述第二光束依次经过所述法拉第旋光器、所述第二双折射晶体、所述第一双折射晶体后形成第三光束出射。

2.根据权利要求1所述的法拉第旋转镜，其特征在于，所述第一双折射晶体的晶轴与第一方向的夹角为第一夹角，所述第一双折射晶体的晶轴与第二方向的夹角为第二夹角，所述第一夹角与所述第二夹角相等，其中，所述第一方向为所述第一光束的入射方向，且所述第二方向与所述第一方向的方向相反。

3.根据权利要求1所述的法拉第旋转镜，其特征在于，所述第一双折射晶体在第一方向上的长度与所述第二双折射晶体在所述第一方向上的长度相等，其中，所述第一方向为所述第一光束的入射方向。

4.根据权利要求1所述的法拉第旋转镜，其特征在于，还包括准直器，入射光经所述准直器的准直处理后形成所述第一光束入射到所述第一双折射晶体。

5.根据权利要求4所述的法拉第旋转镜，其特征在于，还包括壳体和传导光纤，所述第一双折射晶体、所述第二双折射晶体、所述法拉第旋光器及所述反射装置均封装于所述壳体内，所述传导光纤穿入所述壳体、与所述准直器的入射端光耦合。

6.根据权利要求1所述的法拉第旋转镜，其特征在于，所述第一双折射晶体与所述第二双折射晶体均为单轴晶体。

7.根据权利要求1所述的法拉第旋转镜，其特征在于，所述第一双折射晶体与所述第二双折射晶体由同一块双折射晶体切分而成。

8.根据权利要求1所述的法拉第旋转镜，其特征在于，所述第一双折射晶体与所述第二双折射晶体均为长方体形的双折射晶体，且所述第一双折射晶体的尺寸与所述第二双折射晶体的尺寸匹配。

9.根据权利要求1所述的法拉第旋转镜，其特征在于，所述反射装置为平面反射镜。

10.一种光纤干涉仪，其特征在于，包括第一干涉臂和第二干涉臂，所述第一干涉臂和所述第二干涉臂上均设置有如权利要求1-9中任一项所述的法拉第旋转镜，沿所述第一干涉臂传输到所述法拉第旋转镜的第一信号光束，经所述法拉第旋转镜反射后形成的第三信号光束沿所述第一干涉臂反向传输，沿所述第二干涉臂传输到所述法拉第旋转镜的第二信号光束，经所述法拉第旋转镜反射后形成的第四信号光束沿所述第二干涉臂反向传输，所述第三信号光束与所述第四信号光束发生干涉形成干涉信号输出。