CN108490625B - 可调谐偏振回旋器及光纤弯曲双折射消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐偏振回旋器及光纤弯曲双折射消除方法，可调谐偏振回旋器包括光纤、支架、第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘；其中，所述第一圆盘可旋转地支承在支架上，并且所述第一圆盘可在支架上水平移动，所述第一圆盘的侧壁上设置有轴向凸出的光纤盘绕体，所述光纤盘绕体包括第一扇形体、第一半圆柱体、第二半圆柱体和第二扇形体，第一扇形体和第二扇形体以第一圆盘的中心对称设置，第一半圆柱体和第二半圆柱体以第一圆盘的中心对称设置，所述第一扇形体具有半径为R的第一弧形面，所述第一半圆柱体具有半径为R/2的第二弧形面，所述第二半圆柱体具有半径为R/2的第三弧形面。本发明能够实现对偏振光进行任意角度的旋转控制，而且与波长无关，保证其波长独立性。

Description

可调谐偏振回旋器及光纤弯曲双折射消除方法

技术领域

本发明涉及一种可调谐偏振回旋器及光纤弯曲双折射消除方法。

背景技术

目前，偏振光的控制在光学系统中起着十分重要的作用。尤其是在光纤光学领域。偏振光的产生方式有很多种，利用偏振片的二向性将自然光转换为偏振光；利用反射、折射原理产生偏振光；利用晶体双折射产生偏振光。在光纤光学中，由于外部的干扰和光学固有的缺陷会导致长光纤中双折射的随机出现。因此，利用偏振回旋器对光纤中的偏振现象进行控制是十分重要的。传统的偏振回旋器，如半波片，法拉第回旋器，菲涅尔棱镜和反射镜都可以对偏振光进行回旋，但是这些传统的偏振回旋器使用起来具有一定的局限性。如，半波片具有波长独立性，只能逆向偏转椭圆偏振光；法拉第回旋器也表现出对波长的依赖性；菲涅尔棱镜和反射镜不具有波长依赖性，但是调整旋转角度的办法比较复杂，在光纤光学中使用起来不是很方便。

在经典和量子力学中，当一个系统经历循环绝热过程时，则此系统将会经过几何相位或Berry相位的相位差记忆这个过程。这种效应可以被用于偏振旋转，但是由于螺旋缠绕的光纤中弯曲诱导的双折射，仍然具有波长依赖性。

目前市面上有一种固定式偏振回旋器，其能够很好地呈现出回旋角和线性偏振光的线性维持现象，但是其超过波长范围的波长独立性操作在传统的含有非零净双折射设备里无法完成。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种可调谐偏振回旋器，它能够实现对偏振光进行任意角度的旋转控制，而且与波长无关，保证其波长独立性。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种可调谐偏振回旋器，它包括光纤、支架、第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘；其中，

所述第一圆盘可旋转地支承在支架上，并且所述第一圆盘可在支架上水平移动，所述第一圆盘的侧壁上设置有轴向凸出的光纤盘绕体，所述光纤盘绕体包括第一扇形体、第一半圆柱体、第二半圆柱体和第二扇形体，第一扇形体和第二扇形体以第一圆盘的中心对称设置，第一半圆柱体和第二半圆柱体以第一圆盘的中心对称设置，所述第一扇形体具有半径为R的第一弧形面，所述第一半圆柱体具有半径为R/2的第二弧形面，所述第二半圆柱体具有半径为R/2的第三弧形面，所述第二扇形体具有半径为R的第四弧形面，所述第一弧形面、第二弧形面、第三弧形面和第四弧形面依次衔接形成盘绕面；

所述第二圆盘可旋转地支承在机架上，并且所述第二圆盘的半径为R；

所述第三圆盘连接在所述第二圆盘的侧壁上，并且所述第三圆盘的侧壁和第二圆盘的侧壁之间的夹角为90°；

所述光纤从第一圆盘的顶端沿着水平方向盘绕至盘绕面上，然后从第一圆盘的底端沿着水平方向从盘绕面绕出，再从第二圆盘的底端沿着水平方向盘绕至第二圆盘的周壁上，然后从第二圆盘和第三圆盘的连接处盘绕至第三圆盘的周壁上。

进一步为了方便支承第一圆盘和水平移动第一圆盘，所述支架具有第一圆盘支撑部，所述第一圆盘支撑部具有水平设置的腰形槽，所述第一圆盘的中心设置有旋转轴，所述旋转轴可旋转地插装在腰形槽内。

进一步为了在机架上支承第二圆盘，所述支架具有第二圆盘支撑部，所述第二圆盘可旋转地支承在所述第二圆盘支撑部上。

进一步能够确保所述光纤在第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘上产生的弯曲双折射的总变化保持在零值，所述光纤在第三圆盘上产生的弯曲双折射与所述光纤在第一圆盘和第二圆盘上产生的弯曲双折射的和值等大反向。

进一步，所述第三圆盘的直径为0.9R。

进一步，所述光纤为单模光纤。

本发明还提供了一种光纤弯曲双折射消除方法，方法采用可调谐偏振回旋器，方法含有的步骤如下：

第二圆盘绕其旋转中心旋转α弧度，所述第一圆盘在光纤的带动下在支架上向第二圆盘水平移动R×α/2，同时使所述第一圆盘绕其旋转中心同向旋转α/2弧度，使得所述光纤在第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘上产生的弯曲双折射的总变化保持在零值。

采用了上述技术方案后，本发明中的可调谐偏振回旋器充分利用几何相位(Berry相位)，借助机械结构和光纤的缠绕制成，可以将线偏振光偏振面旋转任意角度，特别用于消除由于光纤螺旋盘绕诱导的双折射现象。为了完全消除螺旋光纤中的双折射现象，设计了第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘用于盘绕光纤，器件中的总弯曲诱导双折射保持为零，在单个器件上实现对偏振光进行任意角度的旋转控制，而且与波长无关，对波长不具依赖性。借助稳定的机械结构和光纤盘绕，实现可调谐旋光角度的光偏振态旋转器件的制造，涵盖并限于常用旋光角度45度、90度，结构简单，成本低，性能稳定，而且采用在线光纤进行偏振控制，损耗低。

附图说明

图1为本发明的可调谐偏振回旋器的立体图；

图2为本发明的第一圆盘的结构示意图；

图3为本发明的第二圆盘和第三圆盘的连接示意图；

图4为本发明当第二圆盘绕其旋转中心旋转一定角度后的可调谐偏振回旋器的立体图；

图5为本发明的测量可调谐偏振回旋器偏振旋转性能的实验装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图1～4所示，一种可调谐偏振回旋器，它包括光纤1、支架2、第一圆盘3、第二圆盘4和第三圆盘5；其中，

所述第一圆盘3可旋转地支承在支架2上，并且所述第一圆盘3可在支架2上水平移动，所述第一圆盘3的侧壁上设置有轴向凸出的光纤盘绕体，所述光纤盘绕体包括第一扇形体31、第一半圆柱体32、第二半圆柱体33和第二扇形体34，第一扇形体31和第二扇形体34以第一圆盘3的中心对称设置，第一半圆柱体32和第二半圆柱体33以第一圆盘3的中心对称设置，所述第一扇形体31具有半径为R的第一弧形面311，所述第一半圆柱体32具有半径为R/2的第二弧形面321，所述第二半圆柱体33具有半径为R/2的第三弧形面331，所述第二扇形体34具有半径为R的第四弧形面341，所述第一弧形面311、第二弧形面321、第三弧形面331和第四弧形面341依次衔接形成盘绕面；

所述第二圆盘4可旋转地支承在机架2上，并且所述第二圆盘4的半径为R；

所述第三圆盘5连接在所述第二圆盘4的侧壁上，并且所述第三圆盘5的侧壁和第二圆盘4的侧壁之间的夹角为90°；

所述光纤1从第一圆盘3的顶端沿着水平方向盘绕至盘绕面上，然后从第一圆盘3的底端沿着水平方向从盘绕面绕出，再从第二圆盘4的底端沿着水平方向盘绕至第二圆盘4的周壁上，然后从第二圆盘4和第三圆盘5的连接处盘绕至第三圆盘5的周壁上。

如图1、4所示，所述支架2具有第一圆盘支撑部21，所述第一圆盘支撑部21具有水平设置的腰形槽211，所述第一圆盘3的中心设置有旋转轴30，所述旋转轴30可旋转地插装在腰形槽211内。

如图1所示，所述支架2具有第二圆盘支撑部22，所述第二圆盘4可旋转地支承在所述第二圆盘支撑部22上。

所述光纤1在第三圆盘5上产生的弯曲双折射与所述光纤1在第一圆盘3和第二圆盘4上产生的弯曲双折射的和值等大反向。

本实施例中的光纤1为单模光纤。

所述第三圆盘5的直径为0.9R。

如图4所示，光纤弯曲双折射消除方法，方法采用本实施例的可调谐偏振回旋器，方法含有的步骤如下：

第二圆盘4绕其旋转中心旋转α弧度，所述第一圆盘3在光纤1的带动下在支架2上向第二圆盘4水平移动R×α/2，同时使所述第一圆盘3绕其旋转中心同向旋转α/2弧度，使得所述光纤1在第一圆盘3、第二圆盘4和第三圆盘5上产生的弯曲双折射的总变化保持在零值。

本发明的工作原理如下：

第二圆盘4和第三圆盘5的边缘呈90度角连接起来，第二圆盘4是可以旋转的，通过旋转第二圆盘4来实现偏振旋转角的调谐，同时，盘绕在第二圆盘4上的光纤1长度改变，导致第二圆盘4产生的净弯曲诱导双折射的变化，如图3所示，当第二圆盘4逆时针旋转α弧度以旋转输出偏振相同的角度，相同的光纤1长度将从第一圆盘3展开，并且净双折射的总变化保持在零值；在这个操作中，第一圆盘3逆时针旋转α/2弧度，并且向第二圆盘4平移R×α/2；也就是，当第二圆盘4旋转时，净弯曲引起的双折射偏离了预设的零值，与第二圆盘4相同的半径的第一圆盘3，可以自动补偿由于第二圆盘4旋转引起的附加双折射，第三圆盘5的弯曲双折射需与第一圆盘3和第二圆盘4的和值等大反向，因此实验中的第三圆盘5的直径为0.9R。

如图5所示，我们使用了一个1550nm分布式的反馈光二极管光10作为光源，光源后的玻璃偏振片20确保入射光为线性偏振，使用一个显微镜目镜40将线性偏振光投入进入光纤1，从光纤1出来的光束再经过显微镜目镜40，进入玻璃偏振片20最后进入接收器件50，通过接收器件50观察两种不同输入偏振和旋转角下的输出偏振，输入光束为线性偏振，其中一条为90度垂直，而另一条与光学平台呈135度夹角，偏振旋转片的旋转角为90°和135°，具体的实验结果见下表：

从上表可以看出本发明的可调谐偏振回旋器正如设计所需要的，提供了较高的独立偏转角和波长。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可调谐偏振回旋器，其特征在于，它包括光纤(1)、支架(2)、第一圆盘(3)、第二圆盘(4)和第三圆盘(5)；其中，

所述第一圆盘(3)可旋转地支承在支架(2)上，并且所述第一圆盘(3)可在支架(2)上水平移动，所述第一圆盘(3)的侧壁上设置有轴向凸出的光纤盘绕体，所述光纤盘绕体包括第一扇形体(31)、第一半圆柱体(32)、第二半圆柱体(33)和第二扇形体(34)，第一扇形体(31)和第二扇形体(34)以第一圆盘(3)的中心对称设置，第一半圆柱体(32)和第二半圆柱体(33)以第一圆盘(3)的中心对称设置，所述第一扇形体(31)具有半径为R的第一弧形面(311)，所述第一半圆柱体(32)具有半径为R/2的第二弧形面(321)，所述第二半圆柱体(33)具有半径为R/2的第三弧形面(331)，所述第二扇形体(34)具有半径为R的第四弧形面(341)，所述第一弧形面(311)、第二弧形面(321)、第三弧形面(331)和第四弧形面(341)依次衔接形成盘绕面；

所述第二圆盘(4)可旋转地支承在机架(2)上，并且所述第二圆盘(4)的半径为R；

所述第三圆盘(5)连接在所述第二圆盘(4)的侧壁上，并且所述第三圆盘(5)的侧壁和第二圆盘(4)的侧壁之间的夹角为90°；

所述光纤(1)从第一圆盘(3)的顶端沿着水平方向盘绕至盘绕面上，然后从第一圆盘(3)的底端沿着水平方向从盘绕面绕出，再从第二圆盘(4)的底端沿着水平方向盘绕至第二圆盘(4)的周壁上，然后从第二圆盘(4)和第三圆盘(5)的连接处盘绕至第三圆盘(5)的周壁上；

所述光纤(1)在第三圆盘(5)上产生的弯曲双折射与所述光纤(1)在第一圆盘(3)和第二圆盘(4)上产生的弯曲双折射的和值等大反向；

所述光纤为单模光纤。

2.根据权利要求1所述的可调谐偏振回旋器，其特征在于：所述支架(2)具有第一圆盘支撑部(21)，所述第一圆盘支撑部(21)具有水平设置的腰形槽(211)，所述第一圆盘(3)的中心设置有旋转轴(30)，所述旋转轴(30)可旋转地插装在腰形槽(211)内。

3.根据权利要求1所述的可调谐偏振回旋器，其特征在于：所述支架(2)具有第二圆盘支撑部(22)，所述第二圆盘(4)可旋转地支承在所述第二圆盘支撑部(22)上。

4.根据权利要求1所述的可调谐偏振回旋器，其特征在于：所述第三圆盘(5)的直径为0.9R。

5.一种光纤弯曲双折射消除方法，其特征在于方法采用如权利要求1至4中任一项所述的可调谐偏振回旋器，方法含有的步骤如下：

第二圆盘(4)绕其旋转中心旋转α弧度，所述第一圆盘(3)在光纤(1)的带动下在支架(2)上向第二圆盘(4)水平移动R×α/2，同时使所述第一圆盘(3)绕其旋转中心同向旋转α/2弧度，使得所述光纤(1)在第一圆盘(3)、第二圆盘(4)和第三圆盘(5)上产生的弯曲双折射的总变化保持在零值。