CN109781387A - 一种掺杂光纤的Verdet常数测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掺杂光纤的Verdet常数测量方法与装置，该装置包括光源、准直器、第一起偏器、1/4波片、第二起偏器、透镜、螺线管、直流电源、夹具、斯托克斯探测器、计算机和待测掺杂光纤；光源通过准直器输出待检测的光信号，并进入第一起偏器；第一起偏器输出初始线偏振光进入1/4波片；1/4波片输出圆光进入第二起偏器；第二起偏器输出调制后的线偏振光，所述调制后的线偏振光通过所述透镜耦合进入所述待测掺杂光纤；所述待测掺杂光纤放置于所述螺线管的中心通道，所述螺线管与所述直流电源相连并提供磁场；从所述待测掺杂光纤出来的光信号经过所述夹具进入所述斯托克斯探测器；所述计算机与所述斯托克斯探测器连接，计算出所述待测掺杂光纤的Verdet常数。

Description

一种掺杂光纤的Verdet常数测量方法与装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是涉及一种掺杂光纤的Verdet常数测量方法与装置。

背景技术

随着光纤技术的不断发展，光纤因其体积小、重量轻、绝缘性好、抗电磁干扰、灵敏度高等优点，越来越多地被应用于各类传感器。其中，基于法拉第磁光效应的光纤传感器件得到了较快的发展，如磁光调制器、隔离器、电流互感器和光纤陀螺等。Verdet常数是表征磁光材料特性的重要参数，传感光纤的Verdet常数很大程度上决定了磁光效应器件的灵敏度。因此，光纤Verdet常数的准确测量非常重要。

近年来，人们通过掺入稀土离子提高光纤的Verdet常数。其中，常见的一类是Tb、Dy、Pr、Ce和Er等顺磁性的稀土离子，掺入后可以提高石英光纤的磁光效应灵敏度；还有一类是混合掺入稀土离子和磷酸盐、硅酸盐等材料的玻璃光纤，其稀土离子含量较高，但本身通光性降低。常规的光纤Verdet常数测量装置和方法需要将待测光纤与单模光纤熔接，掺杂玻璃光纤与单模光纤熔接损耗极大，无法测量。

专利文献CN104931232A提出了一种掺杂光纤Verdet常数的测试装置和方法，但该方案是利用锁相放大稳定方式进行测量分析，未对输入的光信号进行研究分析，这对磁光性能测量是非常不利的，直接影响Verdet常数的测量精度。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种掺杂光纤的Verdet常数测量方法与装置，通过对输入光信号进行特定的处理，能有效抑制光源信号对Verdet常数测量过程中出现的椭圆光影响，实现准确、稳定、快速的光纤Verdet常数测量。

为达上述目的，本发明其中一具体实施方式提出了如下方案：

一种掺杂光纤的Verdet常数测量装置，包括光源、准直器、第一起偏器、1/4波片、第二起偏器、透镜、螺线管、直流电源、夹具、斯托克斯探测器、计算机和待测掺杂光纤；所述光源通过所述准直器输出待检测的光信号，并进入所述第一起偏器；所述第一起偏器输出初始线偏振光进入所述1/4波片；所述1/4波片输出圆光进入所述第二起偏器；所述第二起偏器输出调制后的线偏振光，所述调制后的线偏振光通过所述透镜耦合进入所述待测掺杂光纤；所述待测掺杂光纤放置于所述螺线管的中心通道，所述螺线管与所述直流电源相连并提供磁场；从所述待测掺杂光纤出来的光信号经过所述夹具进入所述斯托克斯探测器；所述计算机与所述斯托克斯探测器连接，计算出所述待测掺杂光纤的Verdet常数。

更进一步地，还包括设置于所述透镜和所述螺线管之间的三维光纤调整架，用于提高所述透镜将所述调制后的线偏振光耦合进入所述待测掺杂光纤的耦合效率。

更进一步地，所述准直器与所述第一起偏器之间采用笼式系统连接。

更进一步地，所述光源通过单模跳线与所述准直器连接。

更进一步地，还包括光功率计，放置于所述待测掺杂光纤输出端。

更进一步地，所述计算机基于斯托克斯参量原理计算出所述调制后的线偏振光的偏转角和椭圆度，然后利用公式θ＝BLV计算出所述待测掺杂光纤的Verdet常数；其中，θ为所述调制后的线偏振光的偏转角，B为所述待测掺杂光纤所处磁场环境的磁场强度，L为磁场环境中的光纤长度，V表示Verdet常数。

本发明上述提供的Verdet常数测量装置，通过第一起偏器、1/4波片和第二起偏器的配合，对光源信号进行调制，使光源信号先生成初始的线偏振光，再经由1/4波片输出圆光，再由第二起偏器输出调制后的线偏振光，从而可以一直测量过程中出现的椭圆光影响，对测量精度有较大的提升。与传统的光纤Verdet常数测量装置相比，本发明无熔接损耗、抗噪性能好、灵敏度高、操作简单，适用于各类掺杂石英光纤或玻璃光纤Verdet常数的测量与标定。

为达上述目的，本发明另一具体实施方式提出了如下方案：

一种掺杂光纤的Verdet常数测量方法，利用前述的Verdet常数测量装置实现，所述Verdet常数测量方法包括以下步骤：

S1、连接好所述Verdet常数测量装置的光路，将所述待测掺杂光纤放入所述螺线管的中心通道并固定；

S2、打开所述光源，输出预定波长的光线，将光功率计放在所述待测掺杂光纤的输出端，此时通过调整位于透镜和螺线管之间的三维光纤调整架，使所述调制后的线偏振光最大限度地耦合进入所述待测掺杂光纤，然后固定所述三维光纤调整架；

S3、调整光源的输出功率，使从待测掺杂光纤出来的光信号的功率为设定值；然后旋转所述第二起偏器，使用光功率计观察并记录通过所述第二起偏器之后光强的变化范围，并将所述第二起偏器通光方向调整至最大光强和最小光强的正中间位置，然后从光路中撤出光功率计；

S4、打开所述直流电源，输出电流，使所述螺线管产生磁场；

S5、在多组不同电流值下重复步骤S4，以作出磁场与光纤法拉第转角关系曲线，计算待测掺杂光纤在所述预定波长的光线下的Verdet常数值。

本发明上述提供的测量方法，操作简单，测量准确度高。

附图说明

图1是本发明具体实施例提供的掺杂光纤的Verdet常数测量装置原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的具体实施方式提供了一种掺杂光纤的Verdet常数测量装置，图1是该测量装置的一种示例性框图，参考图1，该测量装置包括光源1、准直器2、第一起偏器3、1/4波片4、第二起偏器5、透镜6、三维光纤调整架7、螺线管8、直流电源9、夹具10、斯托克斯探测器11、计算机12和待测掺杂光纤13。待测掺杂光纤13放置于螺线管8的中心通道，而螺线管8与直流电源9相连，当直流电源通电时，螺线管内部可产生稳定的磁场。

光源1提供所需波长的光线，例如660nm红光，也可以是其它波长的光线，不同波长光源下测出光线在相应波长下的Verdet常数。继续参考图1，光源1发出光波经过与它相连的准直器2，进入第一起偏器3，输出初始的线偏振光，再经过1/4波片4得到圆光；圆光再经过第二起偏器5，进行调制，输出完全线偏振光，或称调制后的线偏振光。通过第一起偏器3、1/4波片4和第二起偏器5三者联合作用，对输入的待检测光进行调制处理，抑制了测量过程中的椭圆光影响，对后续测量的精度和效果有明显的提升。

从第二起偏器5出来的线偏振光再经由透镜6耦合进入待测掺杂光纤13，此时可以通过三维光纤调整架7调整光纤，使得经过透镜6的线偏振光最大程度地耦合进入待测掺杂光纤13。由于待测掺杂光纤13放置于螺线管8的中心通道中，而螺线管连接直流电源9，当直流电源通电时螺线管8内便可产生稳定的磁场，位于磁场中的待测掺杂光纤中传播的线偏振光由于磁场的影响会发生偏转，根据其偏转的角度和椭圆度等参数即可分析待测光纤的磁光特性，通过斯托克斯探测器探测光纤出来的线偏振光，然后利用与之连接的计算机12，基于斯托克斯参量原理计算出光纤出来的线偏振光的偏转角和椭圆度，再根据公式θ＝BLV即可计算出Verdet常数。其中，θ为所述调制后的线偏振光的偏转角，B为所述待测掺杂光纤所处磁场环境的磁场强度，L为磁场环境中的光纤长度，V表示Verdet常数。

在一具体的实施例中，所述准直器2与所述第一起偏器3之间采用笼式系统连接。所述光源1通过单模跳线与所述准直器2连接。应当说明的是，本发明的测量装置，待测光纤直接放入螺线管8的中心通道中，并未与其它任何辅助光纤熔接。

利用前述具体实施方式提供的Verdet常数测量装置进行掺杂光纤的Verdet常数测量的方法如下：

首先，连接好光路，将待测掺杂光纤放入螺线管8的中心通道并固定；

其次，打开所述光源1，输出660nm红光，取一光功率计放在所述待测掺杂光纤13的输出端，此时通过调整位于透镜6和螺线管8之间的三维光纤调整架7，使由第二起偏器5出来的线偏振光最大限度地从透镜6耦合进入所述待测掺杂光纤13，调整好后固定所述三维光纤调整架；

接着，调整光源1的输出功率，使从待测掺杂光纤13出来的光信号的功率为设定值(该设定值能够保证待测光纤中有线偏振光在传播，在660nm的实施例中，该设定值是1mw)；然后旋转所述第二起偏器一周，使用光功率计观察并记录通过所述第二起偏器之后光强的变化范围，在此过程中将所述第二起偏器5的通光方向调整至最大光强和最小光强的正中间位置，然后从光路中撤出光功率计；

最后打开直流电源，输出电流，使所述螺线管产生磁场；通过设置多组不同的电流值，绘制磁场与光纤法拉第转角关系曲线，利用公式计算待测掺杂光纤在所述预定波长的光线下的Verdet常数值V。

可见，利用本发明前述的测量装置测量掺杂光纤Verdet常数，不仅方法简单易操作，而且该测量装置对输入的待测光信号进行了研究和分析，调制后再进入待测光纤，使得最终的测量结果精度得以提升。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种掺杂光纤的Verdet常数测量装置，其特征在于：包括光源(1)、准直器(2)、第一起偏器(3)、1/4波片(4)、第二起偏器(5)、透镜(6)、螺线管(8)、直流电源(9)、夹具(10)、斯托克斯探测器(11)、计算机(12)和待测掺杂光纤(13)；

所述光源(1)通过所述准直器(2)输出待检测的光信号，并进入所述第一起偏器(3)；所述第一起偏器(3)输出初始线偏振光进入所述1/4波片(4)；所述1/4波片(4)输出圆光进入所述第二起偏器(5)；所述第二起偏器(5)输出调制后的线偏振光，所述调制后的线偏振光通过所述透镜(6)耦合进入所述待测掺杂光纤(13)；所述待测掺杂光纤(13)放置于所述螺线管(8)的中心通道，所述螺线管(8)与所述直流电源(9)相连并提供磁场；从所述待测掺杂光纤(13)出来的光信号经过所述夹具(10)进入所述斯托克斯探测器(11)；所述计算机(12)与所述斯托克斯探测器(11)连接，计算出所述待测掺杂光纤的Verdet常数。

2.如权利要求1所述的Verdet常数测量装置，其特征在于：还包括设置于所述透镜(6)和所述螺线管(8)之间的三维光纤调整架(7)，用于提高所述透镜(6)将所述调制后的线偏振光耦合进入所述待测掺杂光纤(13)的耦合效率。

3.如权利要求1所述的Verdet常数测量装置，其特征在于：所述准直器(2)与所述第一起偏器(3)之间采用笼式系统连接。

4.如权利要求1所述的Verdet常数测量装置，其特征在于：所述光源(1)通过单模跳线与所述准直器(2)连接。

5.如权利要求1所述的Verdet常数测量装置，其特征在于：还包括光功率计，放置于所述待测掺杂光纤(13)输出端。

6.如权利要求1所述的Verdet常数测量装置，其特征在于：所述计算机(12)基于斯托克斯参量原理计算出所述调制后的线偏振光的偏转角和椭圆度，然后利用公式θ＝BLV计算出所述待测掺杂光纤的Verdet常数；其中，θ为所述调制后的线偏振光的偏转角，B为所述待测掺杂光纤所处磁场环境的磁场强度，L为磁场环境中的光纤长度，V表示Verdet常数。

7.一种掺杂光纤的Verdet常数测量方法，利用权利要求1至6任一项所述的Verdet常数测量装置实现，其特征在于，所述Verdet常数测量方法包括以下步骤：

S1、连接好所述Verdet常数测量装置的光路，将所述待测掺杂光纤放入所述螺线管的中心通道并固定；

S2、打开所述光源，输出预定波长的光线，将光功率计放在所述待测掺杂光纤的输出端，此时通过调整位于透镜和螺线管之间的三维光纤调整架，使所述调制后的线偏振光最大限度地耦合进入所述待测掺杂光纤，然后固定所述三维光纤调整架；

S3、调整光源的输出功率，使从待测掺杂光纤出来的光信号的功率为设定值；然后旋转所述第二起偏器，使用光功率计观察并记录通过所述第二起偏器之后光强的变化范围，并将所述第二起偏器通光方向调整至最大光强和最小光强的正中间位置，然后从光路中撤出光功率计；

S4、打开所述直流电源，输出电流，使所述螺线管产生磁场；

S5、在多组不同电流值下重复步骤S4，以作出磁场与光纤法拉第转角关系曲线，计算待测掺杂光纤在所述预定波长的光线下的Verdet常数值。

8.如权利要求7所述的Verdet常数测量方法，其特征在于：步骤S3中所述设定值是保证待测掺杂光纤中有线偏振光在传播的值。

9.如权利要求8所述的Verdet常数测量方法，其特征在于：所述设定值为1mw。