CN107589490B - 一种用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器及方法，包括双路光纤延迟机构，双路光纤延迟机构的两侧分别对称设置有偏振分束器和法拉第旋转器；偏振分束器的合束端口与双路光纤延迟机构的输入端口连接，入射偏振光从偏振分束器的一个分束端口快轴(或者慢轴)方向输入，并传输至双路光纤延迟机构，经双路光纤延迟结构和法拉第旋转器反射后，从偏振分束器的另一个分束端口慢轴(或者快轴)方向输出；法拉第旋转器通过输出引线与双路光纤延迟机构的输出端口连接，将偏振光束的偏振方向旋转90度；双路光纤延迟机构，用于将偏振光束延迟。本发明采用对称结构设计的双路光纤延迟机构，结合偏振分束器和法拉第旋转器，应用在光纤干涉扫描测量中，时延扫描速度和产生的时延是传统单个光纤延迟器的4倍。

Description

一种用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器及方法

技术领域

本发明涉及一种用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器及方法。

背景技术

光纤延迟器因采用光纤连接，光束准直输出，具有结构紧凑、插入损耗低、时延连续可调等优点，被广泛应用在光相干断层成像、光时域干涉、光相控阵雷达领域。随着相干扫描距离的增加和光相位控制的精度的提高，光纤延迟器技术要求也向着大时延、高速度方向发展。

目前市场上的光纤延迟器主要有两种时延方法，一种是基于压电伸缩的光纤结构扫描方式，首先将光纤绕制在圆柱形压电陶瓷上，通过压电陶瓷直径方向上的伸缩改变光纤的长度，来实现延迟器功能，但延迟精度不高；另一种是基于线性平移反射元件的扫描方式，最简单的线性平移扫描方法是在一个线性移动平台上放置一个反射镜。参考光从反射镜返回，重新耦合传输到光纤中。此种扫描方式需要一个位移平台，扫描速度可以通过步进电机控制，精度高，光程扫描只能达到20cm(延迟范围600ps)。一个扫描距离为80cm的相干测试仪器大概需要4个光纤延迟器，其体积和带来的插入损耗都是测试仪器无法接受的。

专利申请号为“201620149891.1”的实用新型专利，提出了一种基于线性平移反射扫描方式的光延迟器。该专利是目前应用比较广泛的延迟方法，光程的扫描范围一般都在20cm左右；如果光程扫描增大，整个光路的插入损耗将急剧变大，使用效果大大折扣，这也是市场上大多数光纤延迟器最大延迟量不超过600ps(光程扫描距离20cm)的主要因素。

专利申请号为“US7893395B2”的发明专利，采用基于压电伸缩的光纤环结构扫描方式。该专利方法也可以实现光时延的连续变化，但延迟量取决于光纤环的长度以及压电陶瓷的伸缩量，且匹配有信号发生器、信号放大器等功能装置，体积大，且延迟量准确度不高。

综上所述，现有技术中对于光纤延迟器延迟量小、延迟速度不高问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器及方法，该延迟器采用法拉第旋转器实现光路中信号的偏振转换，采用光纤偏振分束器实现入射偏振光从偏振分束器的一个分束端口快轴(或者慢轴)方向输入，从偏振分束器的另一个分束端口慢轴(或者快轴)方向输出，采用双路光纤推挽延迟结构实现光路延迟的倍增。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器，包括偏振分束器、双路光纤延迟机构和法拉第旋转器，所述双路光纤延迟机构的两侧分别对称设置有所述偏振分束器和法拉第旋转器；所述偏振分束器的合束端口通过输入引线与双路光纤延迟机构的输入端口连接，所述法拉第旋转器通过输出引线与双路光纤延迟机构的输出端口连接；偏振光从偏振分束器的一个分束端口输入偏振分束器中，经过偏振分束器的合束端口传输至双路光纤延迟机构，经双路光纤延迟结构和法拉第旋转器反射后，从偏振分束器的另一分束端口输出。

进一步的，所述输入引线和输出引线分别采用保偏光纤。输入引线和输出引线均是基于慢轴或快轴传输模式。

进一步的，所述双路光纤延迟机构包括底座、滚珠丝杠、步进电机、双面角锥反射镜和两对自聚焦透镜对，所述两对自聚焦透镜对对称设置在所述底座的两侧壁上，所述滚珠丝杠和双面角锥反射镜设置在所述底座内部，所述双面角锥反射镜的锥面与自聚焦透镜对的一端面相对；所述双面角锥反射镜固定在反射镜架中，所述反射镜架通过连接块与滚珠丝杆连接，所述步进电机设置在底座外侧壁上，所述步进电机的输出轴与滚珠丝杆连接。

进一步的，所述自聚焦透镜对包括第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜，所述第一自聚焦透镜位于底座的输入端口，所述第一自聚焦透镜耦合有输入光纤，所述第一自聚焦透镜通过输入光纤将偏振光传输至双面角锥反射镜；所述第二自聚焦透镜位于底座的输出端口，所述第二自聚焦透镜耦合有输出光纤，所述第二自聚焦透镜通过输出光纤接收双面角锥反射镜反射的偏振光。输入光纤和输出光纤的快轴或者慢轴方向水平或者垂直放置，保证偏振光经自聚焦透镜准直后，入射到双面角锥反射镜处于s方向或者p方向。

进一步的，所述输入光纤和输出光纤分别采用保偏光纤。

进一步的，所述保偏光纤采用慢轴或者快轴传输模式。

进一步的，所述双面角锥反射镜由两个对称设置的角锥棱镜组成，分别用于两路光纤延迟中。

进一步的，所述双面角锥反射镜镀有增反膜。

一种用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的工作方法，包括以下步骤：

(1)将两个偏振分束器接入到光纤干涉测量装置的两个干涉光路中，两路偏振光信号分别经过偏振分束器一个分束端口入射到角锥反射镜上；

(2)偏振光经过第一自聚焦透镜反射到双面角锥反射镜的上锥面上；经过双面角锥反射镜的下锥面反射至第二自聚焦透镜，经过第二自聚焦透镜反射至法拉第旋转器，法拉第旋转器将偏振光旋转90度；

(3)旋转90度后的偏振光再次经过第二自聚焦透镜和双面角锥反射镜后，从偏振分束器的另一个分束端口射出。

进一步的，在所述步骤(3)中，在步进电机的带动下，双面角锥反射镜在滚珠丝杠上左右移动，当双面角锥反射镜在滚珠丝杠上向左移动时，位于双路光纤延迟机构右侧的干涉光路的光信号相对位于双路光纤延迟机构左侧的干涉光路的光信号被时延；当双面角锥反射镜在精密滚珠丝杠上向右移动时，位于双路光纤延迟机构左侧的干涉光路的光信号相对位于双路光纤延迟机构右侧的干涉光路的光信号被时延。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本申请采用法拉第旋转器实现光路中信号的偏振转换，通过采用光纤偏振分束器将入射偏振光从偏振分束器的一个分束端口输入，经双路光纤延迟结构和法拉第旋转器反射后，偏振方向旋转90度，从偏振分束器的另一个分束端口输出；偏振分束器比传统使用的光纤环形器有很好的信噪比；

(2)本申请采用双路光纤推挽延迟结构实现光路延迟的倍增；本发明采用对称结构设计，结合偏振分束器和法拉第旋转器，应用在光纤干涉扫描测量中，时延扫描速度和产生的时延是传统单个光纤延迟器的4倍；

(3)本申请的结构紧凑、小巧，光路振动对干涉信号的影响小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明实施例公开的用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的结构示意图；

其中，1、底座，2、滚珠丝杠，3、步进电机，4、双面角锥反射镜，5、第一自聚焦透镜，6、第二自聚焦透镜，7、偏振分束器，8、法拉第旋转器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在光纤延迟器延迟量小、延迟速度不高不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器及方法，该延迟器采用法拉第旋转器实现光路中信号的偏振转换，采用光纤偏振分束器实现入射偏振光从偏振分束器的一个分束端口快轴(或者慢轴)方向输入，从偏振分束器的另一个分束端口慢轴(或者快轴)方向输出，采用双路光纤推挽延迟结构实现光路延迟的倍增。

本申请的一种典型的实施方式，如图1所示，提供了一种用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器，该延迟器包括偏振分束器7、双路光纤延迟机构和法拉第旋转器8，所述双路光纤延迟机构的两侧分别对称设置有所述偏振分束器7和法拉第旋转器8；所述偏振分束器7的合束端口通过输入引线与双路光纤延迟机构的输入端口连接；所述法拉第旋转器8通过输出引线与双路光纤延迟机构的输出端口连接，将偏振光束的偏振方向旋转90度，并传输至双路光纤延迟机构；所述双路光纤延迟机构，将偏振光束加倍延迟；偏振光从偏振分束器的一个分束端口快轴(或者慢轴)方向输入偏振分束器中，经过偏振分束器的合束端口传输至双路光纤延迟机构，经双路光纤延迟结构和法拉第旋转器反射后，从偏振分束器的另一分束端口慢轴(或者快轴)方向输出。

本实施例中，输入引线、输出引线采用保偏光纤，且都是基于慢轴或者快轴传输模式；法拉第旋转器能够将偏振光的偏振方向旋转90度，并将偏振光原路返回。

本实施例提出的用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器，采用法拉第旋转器8实现光路中信号的偏振转换，通过采用光纤偏振分束器7实现将入射光束分成两个偏振方向相互垂直的正交偏振光束；采用双路光纤推挽延迟结构实现光路延迟的倍增。本发明采用对称结构设计，结合偏振分束器和法拉第旋转器，应用在光纤干涉扫描测量中，时延扫描速度和产生的时延是传统单个光纤延迟器的4倍。

本申请的另一实施方式，如图1所示，上述的双路光纤延迟机构包括底座1、滚珠丝杠2、步进电机3、双面角锥反射镜4和两对自聚焦透镜对，所述两对自聚焦透镜对对称设置在底座的两侧，所述自聚焦透镜对包括第一自聚焦透镜5和第二自聚焦透镜6，所述第一自聚焦透镜5位于底座的输入端口，所述第一自聚焦透镜5耦合有输入光纤，所述第二自聚焦透镜6位于底座的输出端口，所述第二自聚焦透镜6耦合有输出光纤，所述滚珠丝杠2和双面角锥反射镜4设置在底座内，所述第一自聚焦透镜5通过输入光纤将偏振光传输至双面角锥反射镜，所述第二自聚焦透镜6通过输出光纤接收双面角锥反射镜反射的偏振光；双面角锥反射镜4固定在反射镜架中，反射镜架通过连接块与滚珠丝杆2连接，所述步进电机3设置在底座外侧壁上，所述步进电机3的输出轴与滚珠丝杆2连接。

本实施例提出的用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器，采用对称结构设计，将底座、滚珠丝杠、步进电机、双面角锥反射镜和两对自聚焦透镜对作为整体固定在底座上，在所述步进电机的带动下，双面角锥反射镜在滚珠丝杠上左右移动。本申请中自聚焦透镜对偏振不敏感，也不改变入射到自聚焦透镜上偏振光的偏振状态，输入光纤、输出光纤分别采用保偏光纤，保偏光纤的快轴或者慢轴方向水平或者垂直放置，保证偏振光经自聚焦透镜准直后，入射到双面角锥反射镜处于s方向或者p方向。

本实施例中，光纤延迟机构的两路分别接入干涉装置的两个干涉光路中，在步进电机的带动下，双面角锥反射镜在滚珠丝杠上左右移动，当双面角锥反射镜在滚珠丝杠上向左移动时，位于双路光纤延迟机构右侧的干涉光路的光信号相对位于双路光纤延迟机构左侧的干涉光路的光信号被时延；当双面角锥反射镜在精密滚珠丝杠上向右移动时，位于双路光纤延迟机构左侧的干涉光路的光信号相对位于双路光纤延迟机构右侧的干涉光路的光信号被时延。

本申请的又一实施方式，上述的法拉第旋转器8的一个面上镀有高反射膜。

上述的双面角锥反射镜4由两个相对设置的角锥棱镜组成；双面角锥反射镜镀有增反膜。

本发明采用对称结构设计，结合偏振分束器和法拉第旋转器，应用在光纤干涉扫描测量中，时延扫描速度快、产生的时延是传统单个光纤延迟器的4倍，且结构紧凑、小巧，光路振动对干涉信号的影响小。

本申请的另一典型的实施方式，提出了用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的工作方法，包括以下步骤：

(1)将两个偏振分束器接入到光纤干涉测量装置的两个干涉光路中，两路偏振光信号分别经过偏振分束器一个分束端口入射到角锥反射镜上；

(2)偏振光经过第一自聚焦透镜反射到双面角锥反射镜的上锥面上；经过双面角锥反射镜的下锥面反射至第二自聚焦透镜，经过第二自聚焦透镜反射至法拉第旋转器，法拉第旋转器将偏振光旋转90度；

(3)旋转90度后的偏振光再次经过第二自聚焦透镜和双面角锥反射镜后，从偏振分束器的另一个分束端口射出。

本实施方式中，在所述步骤(3)中，在步进电机的带动下，双面角锥反射镜在滚珠丝杠上左右移动，当双面角锥反射镜在滚珠丝杠上向左移动时，位于双路光纤延迟机构右侧的干涉光路的光信号相对位于双路光纤延迟机构左侧的干涉光路的光信号被时延；当双面角锥反射镜在精密滚珠丝杠上向右移动时，位于双路光纤延迟机构左侧的干涉光路的光信号相对位于双路光纤延迟机构右侧的干涉光路的光信号被时延。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)本申请采用法拉第旋转器实现光路中信号的偏振转换，通过采用光纤偏振分束器将入射偏振光从偏振分束器的一个分束端口方向输入，经双路光纤延迟结构和法拉第旋转器反射后，偏振方向旋转90度，从偏振分束器的另一个分束端口输出。偏振分束器比传统使用的光纤环形器有很好的信噪比

(2)本申请采用双路光纤推挽延迟结构实现光路延迟的倍增；本发明采用对称结构设计，结合偏振分束器和法拉第旋转器，应用在光纤干涉扫描测量中，时延扫描速度和产生的时延是传统单个光纤延迟器的4倍；

(3)本申请的结构紧凑、小巧，光路振动对干涉信号的影响小。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的工作方法，其特征是，所述推挽式偏振旋转延迟器包括偏振分束器、双路光纤延迟机构和法拉第旋转器，所述双路光纤延迟机构的两侧分别对称设置有所述偏振分束器和法拉第旋转器；所述偏振分束器的合束端口通过输入引线与双路光纤延迟机构的输入端口连接，所述法拉第旋转器通过输出引线与双路光纤延迟机构的输出端口连接；偏振光从偏振分束器的一个分束端口输入偏振分束器中，经过偏振分束器的合束端口传输至双路光纤延迟机构，经双路光纤延迟结构和法拉第旋转器反射后，从偏振分束器的另一分束端口输出；

其特征是，该方法包括以下步骤：

(1)将两个偏振分束器接入到光纤干涉测量装置的两个干涉光路中，两路偏振光信号分别经过偏振分束器一个分束端口入射到角锥反射镜上；

(2)偏振光经过第一自聚焦透镜反射到双面角锥反射镜的上锥面上；经过双面角锥反射镜的下锥面反射至第二自聚焦透镜，经过第二自聚焦透镜反射至法拉第旋转器，法拉第旋转器将偏振光旋转90度；

(3)旋转90度后的偏振光再次经过第二自聚焦透镜和双面角锥反射镜后，从偏振分束器的另一个分束端口射出。

2.根据权利要求1所述的用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的工作方法，其特征是，所述输入引线和输出引线分别采用保偏光纤。

3.根据权利要求1所述的用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的工作方法，其特征是，所述双路光纤延迟机构包括底座、滚珠丝杠、步进电机、双面角锥反射镜和两对自聚焦透镜对，所述两对自聚焦透镜对对称设置在所述底座的两侧壁上，所述滚珠丝杠和双面角锥反射镜设置在所述底座内部，所述双面角锥反射镜的锥面与自聚焦透镜对的一端面相对；所述双面角锥反射镜固定在反射镜架中，所述反射镜架通过连接块与滚珠丝杆连接，所述步进电机设置在底座外侧壁上，所述步进电机的输出轴与滚珠丝杆连接。

4.根据权利要求3所述的用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的工作方法，其特征是，所述自聚焦透镜对包括第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜，所述第一自聚焦透镜位于底座的输入端口，所述第一自聚焦透镜耦合有输入光纤，所述第一自聚焦透镜通过输入光纤将偏振光传输至双面角锥反射镜；所述第二自聚焦透镜位于底座的输出端口，所述第二自聚焦透镜耦合有输出光纤，所述第二自聚焦透镜通过输出光纤接收双面角锥反射镜反射的偏振光。

5.根据权利要求4所述的用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的工作方法，其特征是，所述输入光纤和输出光纤分别采用保偏光纤。

6.根据权利要求5所述的用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的工作方法，其特征是，所述保偏光纤采用慢轴或者快轴传输模式。

7.根据权利要求1所述的用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的工作方法，其特征是，所述双面角锥反射镜由两个相对设置的角锥棱镜组成，分别用于两路光纤延迟中。

8.根据权利要求1所述的用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的工作方法，其特征是，所述双面角锥反射镜镀有增反膜。

9.根据权利要求1所述的用于光纤干涉测量的推挽式偏振旋转延迟器的工作方法，其特征是，在所述步骤(3)中，在步进电机的带动下，双面角锥反射镜在滚珠丝杠上左右移动，当双面角锥反射镜在滚珠丝杠上向左移动时，位于双路光纤延迟机构右侧的干涉光路的光信号相对位于双路光纤延迟机构左侧的干涉光路的光信号被时延；当双面角锥反射镜在精密滚珠丝杠上向右移动时，位于双路光纤延迟机构左侧的干涉光路的光信号相对位于双路光纤延迟机构右侧的干涉光路的光信号被时延。