CN108593995B - 光涡旋模式全光纤电流传感器 - Google Patents

光涡旋模式全光纤电流传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光涡旋模式全光纤电流传感器。它包括线偏振激光器、保偏耦合器、偏振合束器、错位对接点、偏振控制器、光涡旋光纤、检偏器和CCD相机。偏振合束器输出两束正交的线偏振光，通过与光涡旋光纤错位耦合，并结合偏振控制，同时在光涡旋光纤中激发出
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
阶的复合光涡旋模式，当光涡旋光纤上施加电流磁场作用时，
Figure 400280DEST_PATH_IMAGE002
阶的复合光涡旋模式之间会产生相位差，输出经检偏器可形成双瓣光强分布，用CCD相机可以观察到双瓣旋转角度，该旋转角度与相位差成正比，基于法拉第磁光效应，根据该旋转角度的大小就可以知道施加电流的大小。光涡旋模式全光纤电流传感器，利用了光涡旋光纤能够保持光涡旋模式的稳定传输、保持光涡旋模式圆偏振态的特点，为全光纤电流传感器开发提供了新的传感光纤解决方案，在电流测量领域具有重要应用价值。

Description

光涡旋模式全光纤电流传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种光涡旋模式的全光纤电流传感器。
背景技术
传统的电流传感器在电力系统中已经得到了非常广泛的应用。但是随着电力需求的迅速增长及智能电网技术的不断推广，它们的缺点也逐渐显露出来。例如：当被测电流突然增加时，传统互感型电流传感器铁芯将出现磁饱和现象，使测量准确度严重下降；超高压环境下，依靠油绝缘的绝缘结构变得越来越复杂，成本高，并且有爆炸危险；易受电磁干扰，测量准确度下降；设备笨重，运输和安装困难。光纤电流传感器因为其天然绝缘，抗干扰能力强，体积小，重量轻，测量动态范围大，不存在磁饱和等现象受到了各国研究人员的关注。为了抑制光纤中的线性双折射，提高测量精度和稳定性，人们已经提出了各种引入圆双折射的光纤来解决这问题，包括高圆双折射光纤，退火光纤以及扭转光纤等(参考文献：(1)Peng N,Huang Y,Wang S,et al.Fiber Optic Current Sensor Based on Special SpunHighly Birefringent Fiber[J].IEEE Photonics Technology Letters,2013,25(17):1668-1671.(2)Müller G M,Gu X,Yang L,et al.Inherent temperature compensationof fiber-optic current sensors employing spun highly birefringent fiber[J].Optics Express,2016,24(10):11164.(3)Chen M H,Chiang K H,Wu T W,et al.A novelelectric current sensor employing twisted optical fibers[J].Proc Spie,2005:286-292.(4)Bohnert K,Gabus P,Nehring J,et al.Temperature and vibrationinsensitive fiber-optic current sensor[J].Journal of Lightwave Technology,2002,20(2):267-276.)。但是这些光纤的制造工艺较为复杂，成本较高，不适宜大范围应用。人们通常把具有螺旋相位exp(ilθ)的光束称为光涡旋，l为光涡旋的拓扑何，θ为方位角，而把在光纤中具有这种螺旋相位的模式称为光涡旋模式，光纤中能够稳定传输的1阶光涡旋模式一般是由简并模式
Figure BDA0001524013540000011
组成。而+1阶的光涡旋模式为左旋圆偏振光，-1阶的光涡旋模式为右旋圆偏振光，并且已经证明光涡旋模式可以在环状芯涡旋特种光纤中实现十余公里的稳定传输，即环状芯光纤可以保持圆偏振态的稳定传输((5)Gregg P,Kristensen P,Ramachandran S.13.4km OAM state propagation by recirculatingfiber loop[J].Optics Express,2016,24(17):18938.)。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的全光纤电流传感器易受线性双折射影响的问题，提出一种光涡旋模式全光纤电流传感器，利用光涡旋光纤支持光涡旋模式稳定传输的性能，亦可保持圆偏振光的稳定传输，具有传感光纤结构简单、拉制一致性好、性能优异可靠等优点。
为达到上述目的，本发明的构思是：本发明利用两束正交的线偏振光与光涡旋模式光纤错位激发得到简并模式
Figure BDA0001524013540000021
同时利用光涡旋模式光纤上的偏振控制器使
Figure BDA0001524013540000022
模式之间产生π/2与3π/2的相位差，这样就可以在光涡旋光纤的输出端得到±1阶的复合光涡旋模式，即同时得到了左旋圆偏振光与右旋圆偏振光。基于法拉第磁光效应，在磁场的作用下，具有左、右旋圆偏振态的复合光涡旋模式之间会产生相位差，为检测出这种变化，我们在光纤的输出端放置一个检偏器，产生的双瓣图案的转动角度将与它们之间的相位差成正比。为了更加精确的确认双瓣图案的旋转角度，我们采用了拉东变换的图像处理方法。这种全新的电流传感器具有装置简单紧凑，性能优异可靠，操作方便等优点，在电流测量领域有广泛的应用前景。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
光涡旋模式全光纤电流传感器，包括线偏振激光器、保偏耦合器、偏振合束器、错位对接点、偏振控制器、光涡旋光纤、检偏器和CCD相机。所述的线偏振激光器、保偏耦合器和偏振合束器之间采用线保偏光纤连接，且严格对轴；偏振合束器的两根保偏光纤分支保偏方向相互垂直，偏振合束器输出亦为保偏光纤，保偏光纤的输出尾纤端输出两束正交的线偏振光，输出尾纤端与光涡旋光纤的输入端在错位对接点处错位耦合，同时激发出两对光涡旋光纤中的简并模式
Figure BDA0001524013540000023
所述偏振控制器使得简并模式
Figure BDA0001524013540000024
之间的相位差分别为π/2与3π/2，即产生±1阶的复合光涡旋模式；光涡旋光纤的输出端输出复合光涡旋模式，经过检偏器，输出双瓣光强分布，通过CCD相机探测接收。在光涡旋光纤上施加电流磁场的作用下，基于法拉第磁光效应，±1阶光涡旋模式之间会产生相位差，CCD相机所探测到的双瓣将发生旋转，旋转的角度与磁光引入的相位差成正比，这样根据花瓣旋转角度的大小就可以知道施加电流的大小。
所述的CCD相机检测双瓣的旋转角度，为了精确的确定旋转角度，采用拉东变换对采集到的图像进行处理，分别求出加磁场前后的角度，它们的差值即为双瓣图案的旋转角度。
本发明的工作原理
若偏振合束器的输出尾纤端为单一线偏振光输出，该输出端与光涡旋光纤的端口错位激发将得到简并矢量模式
Figure BDA0001524013540000031
调整偏振控制器可以使它们之间的相位差为π/2，即得到+1阶的光涡旋模式；若保持错位状态与偏振控制器的状态不变，仅改变偏振合束器的输出尾纤端的偏振态，为正交方向的线偏振光输出，这样会改变所激发
Figure BDA0001524013540000032
的初始相位，使它们之间的相位差为3π/2，得到-1阶的光涡旋模式。若偏振分束器的输出尾纤端同时输出两束正交的线偏振光，在光涡旋光纤的输出端即可以得到±1阶的复合光涡旋模式。复合光涡旋模式在通过检偏器之后会变成双瓣状的光强分布，在施加电流磁场的作用下，双瓣状的图案会随之旋转，利用拉东变换求出旋转的角度就可以确定电流的大小。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质地特点和显著技术进步：
本发明的光涡旋模式全光纤电流传感器，所述的全光纤电流传感器利用光涡旋光纤支持光涡旋模式、保持圆偏振态稳定传输的特性，为全光纤电流传感器开发提供了新的传感光纤解决方案，在电流测量领域具有重要应用价值。
附图说明
图1是本发明的光涡旋模式全光纤电流传感器示意图。
图2是本发明的复合光涡旋模式光强分布图。
图3是本发明的复合光涡旋模式通过检偏器之后，双瓣状图案为施加电流磁场前后的旋转情况。
图4是本发明的双瓣状图案的旋转角度与施加电流的关系曲线。
具体实施方法
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
参见图1，本光涡旋模式全光纤电流传感器，包括线偏振激光器1、保偏耦合器2、偏振合束器3、错位对接点4、偏振控制器5、光涡旋光纤6、检偏器7和CCD相机8。所述的线偏振激光器1、保偏耦合器2和偏振合束器3之间采用线保偏光纤连接，且严格对轴，保偏光纤可以采用熊猫型、领结型、椭圆型等保偏光纤；偏振合束器3的两根保偏光纤分支9与10慢轴方向相互垂直，匹配从偏振合束器3中的方解石棱镜出射的偏振方向，偏振合束器3输出亦为保偏光纤11，保偏光纤11的输出尾纤端12输出两束正交的线偏振光，输出尾纤端12与光涡旋光纤6的输入端13错位耦合，同时激发出两对光涡旋光纤6中的简并模式
Figure BDA0001524013540000041
所述偏振控制器5使得简并模式各自
Figure BDA0001524013540000042
之间的相位差分别为π/2与3π/2，即产生±1阶的复合光涡旋模式，偏振控制器5可选用侧压型偏振控制器；光涡旋光纤6的输出端14输出复合光涡旋模式，通过CCD相机8可以观测到复合光涡旋模式光强分布为环状，参见图2；经过检偏器7，输出双瓣光强分布，通过CCD相机8探测接收，参见图3。在光涡旋光纤6上施加电流磁场作用，基于法拉第磁光效应，±1阶光涡旋模式之间会产生相位差，CCD相机8所探测到的双瓣将发生旋转，参见图3(a)和图3(b)，旋转的角度与磁光引入的相位差成正比，这样根据花瓣旋转角度的大小就可以知道施加电流的大小，参见图4。

Claims (5)

1.一种光涡旋模式全光纤电流传感器，包括线偏振激光器(1)、保偏耦合器(2)、偏振合束器(3)、错位对接点(4)、偏振控制器(5)、光涡旋光纤(6)、检偏器(7)和CCD相机(8)，其特征在于：所述线偏振激光器(1)发出的线偏振光通过光纤依次经过保偏耦合器(2)、偏振合束器(3)、错位对接点(4)、偏振控制器(5)和光涡旋光纤(6)后，随后通过检偏器(7)，检偏器(7)的输出对准CCD相机(8)；线偏振激光器(1)发射的线偏振光束，经保偏耦合器(2)和偏振合束器(3)后，输出两束正交的线偏振光，通过错位对接点(4)，偏振控制器(5)和光涡旋光纤(6)，经错位耦合并结合偏振控制，在光涡旋光纤中激发出±1阶的复合光涡旋模式，在光涡旋光纤(6)上施加电流磁场作用，±1阶的复合光涡旋模式之间产生相位差，该输出经检偏器(7)可形成双瓣光强分布，由CCD相机(8)可观察到双瓣旋转角度，该旋转角度与相位差成正比，基于法拉第磁光效应，根据该旋转角度的大小就可测得所施加电流的大小；其特征在于，偏振控制器（5）使得简并模式各自
Figure DEST_PATH_IMAGE002
之间的相位差分别为π/2与3π/2，光涡旋光纤(6)同时输出+1阶光涡旋和-1阶光涡旋。
2.根据权利要求1所述的光涡旋模式全光纤电流传感器，其特征在于：所述线偏振激光器(1)、保偏耦合器(2)和偏振合束器(3)之间采用线保偏光纤连接，且严格对轴；所述保偏光纤采用熊猫型或领结型或椭圆型保偏光纤。
3.根据权利要求1所述的光涡旋模式全光纤电流传感器，其特征在于：保偏光纤(11)的输出尾纤端(12)与光涡旋光纤(6)的输入端(13)错位耦合，同时激发出两对光涡旋光纤(6)中的简并模式
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
；所述偏振控制器(5)使得简并模式各自
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
之间的相位差分别为π/2与3π/2，即产生±1阶的复合光涡旋模式。
4.根据权利要求1所述的光涡旋模式全光纤电流传感器，其特征在于：所述的光涡旋光纤(6)能够保持光涡旋模式的稳定传输，保持光涡旋模式圆偏振态。
5.根据权利要求1所述的光涡旋模式全光纤电流传感器，其特征在于：所述的检偏器(7)用于将法拉第效应引起的相位变化，转化为检测双瓣的旋转角度；为了精确的确定旋转角度，采用拉东变换对采集到的图像进行处理，分别求出加磁场前后的角度，进而得到电流变化值。
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