CN108332857B - 一种测量纳米光纤中光偏振的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种测量纳米光纤中光偏振的装置及方法，属于纳米光纤偏振测量控制技术领域；所要解决的技术问题是提供了一种成本低廉、测量和控制精度高的测量纳米光纤中光偏振的装置及方法；解决该技术问题采用的技术方案为：测量纳米光纤中光偏振的装置包括测试激光器、半波片、光纤偏振控制器、光纤探针和光电探测器，测试激光器输出的激光依次经过半波片、普通光纤、光纤偏振控制器和第一锥形光纤进入纳米光纤，光纤探针通过普通光纤与光电探测器相连，光纤探针的尖端与纳米光纤的表面接触；本发明还提供了采用上述装置测量纳米光纤中光偏振的方法；本发明可广泛应用于纳米光纤中光偏振测量领域。
Description
技术领域
本发明一种测量纳米光纤中光偏振的装置及方法，属于纳米光纤偏振测量控制技术领域。
背景技术
光纤波导不仅在网络通信、医学治疗、光纤传感和众多关乎国计民生重要领域诸如半导体工业、航天、国防都有着广阔的应用，而且在半导体研究、表面科学、量子物理，光与物质相互作用等基础学科也有着重要的作用。
阶跃型光纤波导一般情况是由高折射率的纤芯和低折射率的包层构成。激光被束缚在纤芯中传输，光纤包层对激光传输起到了很好的保护作用，激光无法受到外界影响。而相反当将光纤波导的直径通过微加工过程制做成光纤直径在微米以下的光纤，原有的光纤包层成为光传输通道，外部自由空间成为包层，这种光纤被称为纳米光纤。由于纳米光纤直径接近或者小于光波长，其内部传输光在光纤表面形成倏逝场的能量不可忽略甚至所占比重更大，与此同时倏逝场在光纤外部空间传输，与外界接触，因此此类结构可以作为与外部物质相互作用的基本器件，其在光学传感、光学开关、光学滤波器、非线性光学、量子光学、精密测量等领域均发挥着巨大作用。
纳米光纤由于其直径接近或者小于波长，其基模模式不再是圆周对称，而是轴对称，因此纳米光纤中光的线偏振就存在两个正交的偏振，而光的偏振在纳米光纤许多应用中扮演重要的角色，因此测量和控制纳米光纤中光的偏振方向是一个非常重要的研究方向和技术。传统的测量和控制纳米光纤中偏振的方法是利用高灵敏摄像机配合光学检偏器件。原理是由于光纤表面在加工过程中存在细小缺陷引起倏逝场散射，而散射光沿任意方向传播。通过高灵敏摄像机配合光学检偏器件收集散射光的强弱配合偏振控制器件对纳米光纤中光偏振进行测量和控制。此种方法的缺点有三个：第一个是在改变光偏振的时候收集散射光得到的对比度低，约为80-90%，测量和控制精度差；第二个是此方法是利用纳米光纤表面的不完美进行测量的，在纳米光纤加工工艺不断提高的情况下，表面质量提高导致此方法得到的测量和控制精度降低；第三个是使用高灵敏摄像机成本较高，不利用大规模使用。
在部分以纳米光纤为基本器件的光学传感器的研发设计中和光与物质相互作用的等技术开发和实验研究中需要精确测量和控制纳米光纤中光的偏振，因此亟需一种成本低廉、测量和控制精度高的偏振检测装置。
发明内容
本发明的目的是解决现有纳米光纤中偏振测量和控制过程中控制精度低信噪比差的技术问题，提供一种测量纳米光纤中光偏振的装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种测量纳米光纤中光偏振的装置，包括测试激光器、半波片、光纤偏振控制器、光纤探针和光电探测器，测试激光器输出的激光依次经过半波片、第一普通光纤、光纤偏振控制器和第一锥形光纤后进入纳米光纤，所述光纤探针通过第二普通光纤与光电探测器相连，光纤探针的尖端与纳米光纤的表面接触，纳米光纤表面传输的倏逝场激光耦合进入光纤探针，第一普通光纤、第一锥形光纤和纳米光纤为一体成型。
进一步，所述光纤探针的尖端为半球形，尖端的后端连接有一段圆柱形光纤，圆柱形光纤的后端连接有第二锥形光纤，第二锥形光纤的直径逐步变粗为第二普通光纤的直径。
进一步，所述光纤探针的尖端的半球直径为52微米。
进一步，所述光纤探针的制作方法包括以下步骤：
将裸光纤的两端分别固定在两个平移台上，裸光纤的中心位置放置在CO2激光光束聚焦的焦点处；
开启CO2激光器，利用激光加热裸光纤并使用平移台向两侧拉伸裸光纤；
关闭CO2激光器，利用光纤切割刀将拉细后的裸光纤的中部切断；
开启CO2激光器，将激光聚焦至裸光纤的断面处，使之熔融，由光纤材料自身的张力形成尖端为半球形的光纤探针。
本发明还提供一种测量纳米光纤中光偏振的方法，基于上述的一种测量纳米光纤中光偏振的装置完成，包括以下步骤：
将光纤探针的半球形尖端接触纳米光纤的表面；
连接纳米光纤和光纤偏振控制器；
连接所述光纤探针的输出端与光电探测器的输入端，连接光电探测器的输出端与示波器的信号输入端；
开启测试激光器，使激光通过半波片，耦合进入与纳米光纤连接的普通光纤，通过光纤偏振控制器的偏振控制后进入纳米光纤，纳米光纤表面传输的倏逝场激光耦合进入光纤探针；
旋转半波片，记录旋转角度θ，使用示波器观测与光纤探针连接的光电探测器的电压信号；
更改光纤偏振控制器观测电压信号以获得最大对比度；
调节光纤偏振控制器使得电压信号的幅值最大或者最小，对应在半波片在不同的旋转角度θ和光纤偏振控制器不同位相延迟Δφ条件下与纳米光纤中光的偏振状态关系，得到纳米光纤中光的偏振状态。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：采用本装置测量和控制纳米光纤内光偏振的方法最终可以获得对比度为99.3%的偏振控制，并且利用光纤探针接触纳米光纤的过程只是点接触，对纳米光纤透射率没有影响。通过改变光纤探针接触纳米光纤的空间角度可以随意控制纳米光纤中光线偏振的方向。
附图说明
图1为本发明一种测量纳米光纤中光偏振的装置的实施例结构示意图。
图2为本发明实施例中光纤探针的结构示意图。
图3为本发明实施例中光纤探针的加工过程示意图。
图4为使用本发明一种测量纳米光纤中光偏振的装置的实施例工作时的示意图。
图5为本发明中半波片的旋转角度和光纤偏振控制器位相延迟与纳米光纤中光的偏振状态关系示意图。
图6为使用本发明一种测量纳米光纤中光偏振的装置探测到的电压信号的波形图。
图中，1-测试激光器，2-半波片，3-激光，4-第一普通光纤，5-光纤偏振控制器，6-第一锥形光纤，7-纳米光纤，8-光纤探针，9-光电探测器，10-尖端，11-圆柱形光纤，12-第二锥形光纤，13-第二普通光纤，14-示波器，15-透镜，16-平移台，17-CO2激光器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例
如图1、图2所示，一种测量纳米光纤中光偏振的装置，包括测试激光器1、半波片2、光纤偏振控制器5、光纤探针8和光电探测器9，测试激光器1输出波长为852nm的激光依次经过半波片2、第一普通光纤4、光纤偏振控制器5和第一锥形光纤6进入纳米光纤7，光纤探针8通过第二普通光纤13与光电探测器9相连，光纤探针8的尖端10与纳米光纤7的表面接触，纳米光纤7表面传输的倏逝场激光耦合进入光纤探针8，普通光纤4、第一锥形光纤6和纳米光纤7为一体成型。
光纤探针8的尖端10为半球形，尖端10的后端连接有一段圆柱形光纤11，圆柱形光纤11的后端连接有第二锥形光纤12。半球形尖端10的直径为52微米，与其连接的直径不变的圆柱形光纤11直径也为52微米。与之连接的第二锥形光纤12的直径由52微米逐渐增大到125微米，也就是第二普通裸光纤13的直径长度。
如图3所示，本发明实施例中的光纤探针8采用二氧化硅材料制作完成，由单模光纤加热拉伸而成。具体加工过程为：将单模光纤去皮得到裸光纤，将其两端固定在两个背向运动的平移台16上，裸光纤的中心位置放置在CO2激光器光束聚焦焦点处，CO2激光器17输出的激光由透镜15聚焦，激光加热裸光纤并拉伸裸光纤；拉伸后关闭CO2激光器17，利用光纤切割刀将拉细后的光纤切断。再将CO2激光器17输出的激光聚焦至断面处将其熔融，由于二氧化硅自身张力将形成半球形尖端的光纤探针8。
如图4所示，本发明还提供一种测量纳米光纤中光偏振的方法，采用上述测量纳米光纤中光偏振的装置完成，包括以下步骤：
将光纤探针8的半球形尖端10接触纳米光纤7的表面；
连接纳米光纤7和光纤偏振控制器5；
连接光纤探针8的输出端与光电探测器9的输入端，连接光电探测器9的输出端与示波器14的信号输入端；
开启测试激光器1，使激光3通过半波片2，耦合进入与纳米光纤7连接的普通光纤，通过光纤偏振控制器5的偏振控制后进入纳米光纤7，纳米光纤7表面传输的倏逝场激光耦合进入光纤探针8；
旋转半波片2，由示波器14观测与光纤探针8连接的光电探测器9的电压信号，电压信号波形图如图6所示；
更改光纤偏振控制器5观测电压信号以获得最大对比度；
调节光纤偏振控制器5使得电压信号最大或者最小，对应在半波片2不同的旋转角度θ和光纤偏振控制器不同位相延迟Δφ条件下与纳米光纤7中光的偏振状态关系，关系图如图5所示，得到纳米光纤7中光的偏振状态。
从图5看出，光纤偏振控制器5三种不同位相延迟条件下(Δφ=0，π/2, π/4)只有在半波片2旋转角度θ为0、π/2和π时是一致，根据图6中电压信号最大和最小的位置，能够确定纳米光纤7中的线偏振光状态。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
Claims (4)
1.一种测量纳米光纤中光偏振的装置，其特征在于：包括测试激光器（1）、半波片（2）、光纤偏振控制器（5）、光纤探针（8）和光电探测器（9），测试激光器（1）输出的激光（3）依次经过半波片（2）、第一普通光纤（4）、光纤偏振控制器（5）和第一锥形光纤（6）后进入纳米光纤（7），所述光纤探针（8）通过第二普通光纤（13）与光电探测器（9）相连，光纤探针（8）的尖端（10）与纳米光纤（7）的表面接触，纳米光纤（7）表面传输的倏逝场激光耦合进入光纤探针（8），第一普通光纤（4）、第一锥形光纤（6）和纳米光纤（7）为一体成型;
其中，光纤探针（8）的制作方法包括以下步骤：
将裸光纤的两端分别固定在两个平移台（16）上，裸光纤的中心位置放置在CO2激光光束聚焦的焦点处；
开启CO2激光器（17），利用激光加热裸光纤并使用平移台（16）向两侧拉伸裸光纤；
关闭CO2激光器（17），利用光纤切割刀将拉细后的裸光纤的中部切断；
开启CO2激光器（17），将激光聚焦至裸光纤的断面处，使之熔融，由光纤材料自身的张力形成尖端为半球形的光纤探针（8）。
2.根据权利要求1所述的一种测量纳米光纤中光偏振的装置,其特征在于:所述光纤探针（8）的尖端（10）为半球形，尖端（10）的后端连接有一段圆柱形光纤（11），圆柱形光纤（11）的后端连接有第二锥形光纤（12），第二锥形光纤（12）的直径逐步变粗为第二普通光纤（13）的直径。
3.根据权利要求1或2所述的一种测量纳米光纤中光偏振的装置, 其特征在于：所述光纤探针（8）的尖端（10）的半球直径为52微米。
4.一种测量纳米光纤中光偏振的方法，基于权1-3任一项所述的一种测量纳米光纤中光偏振的装置完成，包括以下步骤：
将光纤探针（8）的半球形尖端（10）接触纳米光纤（7）的表面；
连接纳米光纤（7）和光纤偏振控制器（5）；
连接所述光纤探针（8）的输出端与光电探测器（9）的输入端，连接光电探测器（9）的输出端与示波器（14）的信号输入端；
开启测试激光器（1），使激光通过半波片（2），耦合进入与纳米光纤（7）连接的普通光纤，通过光纤偏振控制器（5）的偏振控制后进入纳米光纤（7），纳米光纤（7）表面传输的倏逝场激光耦合进入光纤探针（8）；
旋转半波片（2），记录旋转角度θ，使用示波器（14）观测与光纤探针（8）连接的光电探测器（9）的电压信号；
更改光纤偏振控制器（5）观测电压信号以获得最大对比度；
调节光纤偏振控制器（5）在位相延迟条件Δφ=0、π/2或π/4，并且半波片（2）旋转角度θ为0或π时，电压信号达到最大，测得纳米光纤（7）中光为水平线偏振状态；调节光纤偏振控制器（5）在位相延迟条件Δφ=0、π/2或π/4，并且半波片（2）旋转角度θ为π/2时，电压信号达到最最小，测得纳米光纤（7）中光为垂直线偏振状态。
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