CN110133804A - 一种用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置和方法，所述装置包括依次设置的二分之一波片、保偏光纤、检偏器和功率计，二分之一波片与保偏光纤的输入端位于同一光轴Z1，检偏器与保偏光纤的输出端位于同一光轴Z2，检偏器为非固定检偏器，且消光比大于保偏光纤的消光比，非固定检偏器用于沿光轴Z2转动以使功率计的示数为最小值，二分之一波片用于沿光轴Z1转动改变输入激光的线偏振方向，以使非固定检偏器沿光轴Z2转动时功率探测器的输出值出现极小值，所述功率计用于测量经过所述检偏器透射的激光功率值。该方法对轴效率高，且无需对光纤施加应力，解决了激光功率慢漂、应力释放不完全等造成的对轴误差问题。

Description

一种用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置和方法

技术领域

本发明涉及冷原子基础物理及应用技术领域，特别提供了一种用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置和方法。

背景技术

近年来，冷原子基础物理及应用领域发展迅速，特别是在量子导航、精密测量等应用领域，冷原子基础物理研究装置及其应用器件的精度已经将现有传统技术水平提升了若干量级，例如，原子干涉陀螺仪的精度已达10μdeg/h量级，相比传统光学陀螺技术提升了至少一个量级，并已经逐渐成为应对未来复杂环境中惯性自主导航需求的关键技术。

冷原子基础物理装置及应用器件一般使用保偏光纤将激光由光源输送至冷原子系统，由于基础物理定律验证(如等效原理验证)及精密测量应用(如惯性测量)对共模噪声抑制均有极高的要求，因此，在将自由空间光耦合至保偏光纤时，必须实现精确的激光偏振与保偏光纤快轴或慢轴的对轴，以保证激光功率及偏振的稳定性，抑制共模噪声。

目前，冷原子基础物理装置及应用器件中自由空间光至保偏光纤耦合的对轴方法主要为功率检测法，具体包括：

在光纤输出端依次架设二分之一波片和固定检偏器，对轴时，旋转二分之一波片使光纤输出光大部分或全部经偏振分束器透射，使用功率计检测偏振分束器的透射光功率。在检测过程中，以抖动或弯曲光纤等方式对光纤施加一定的应力，当自由空间光偏振方向与保偏光纤光轴方向不同时，应力造成光纤输出光较大的偏振旋转和椭偏变化，使得输出光偏振态显著偏离固定偏振分束器的透振方向并发生椭偏，功率计检测到的透射光功率变化一般可达10％以上；当自由空间光偏振方向与保偏光纤光轴方向相同时，应力仅能造成光纤输出光偏振的有限旋转或几乎不旋转，同时光纤输出光的线偏振状态得以保持，功率计检测到的透射光功率变化一般仅为1％或以下。

上述对轴方法的主要问题在于：(1)应力造成的保偏光纤光轴变化过程较为缓慢，特别是应力释放的过程，更为缓慢，除造成对轴过程时间较长外，未充分释放的应力也会改变对轴后光纤的快轴/慢轴方向，造成对轴后光纤耦合光轴的慢漂和对轴效果缓慢恶化；(2)由于光纤输出光大部分或全部经偏振分束器透射，激光器的功率抖动会大部分或全部施加在功率计上，特别是激光器常见的功率慢漂，将直接与应力效果叠加，形成噪声，造成固定偏振分束器的透射光功率无法完全反应光轴变化的真实情况，导致对轴出现角度偏差，这种偏差甚至可以达到5度以上。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置和方法，该方法对轴效率高，且无需对光纤施加应力，解决了应力释放不完全造成的对轴误差问题。

本发明的技术解决方案是：

一种用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置，包括依次设置的二分之一波片、保偏光纤、检偏器和功率计，所述二分之一波片与所述保偏光纤的输入端位于同一光轴Z1，所述检偏器与所述保偏光纤的输出端位于同一光轴Z2，所述检偏器为非固定检偏器，且消光比大于所述保偏光纤的消光比，所述非固定检偏器用于沿所述光轴Z2转动以使所述功率计的输出值为最小值，所述二分之一波片用于沿所述光轴Z1转动改变输入激光的线偏振方向，以使所述非固定检偏器沿所述光轴Z2转动时所述功率计的输出值出现极小值，所述功率计用于测量经过所述检偏器透射的激光功率值。

在一可选实施例中，所述检偏器包括波片架及设置在所述波片架上的偏振分束棱镜，所述偏振分束棱镜与所述保偏光纤的输出端位于同一光轴Z2，所述玻片架的转轴、偏振分束棱镜以及所述保偏光纤的输出端位于同一光轴Z2，所述波片架的通光方向对应所述偏振分束棱镜的水平透振方向，所述玻片架用于使所述偏振分束棱镜沿所述光轴Z2转动。

在一可选实施例中，所述玻片架的转动角精度优于1°。

在一可选实施例中，所述偏振分束棱镜的消光比≥25dB。

一种用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴方法，采用上述对轴装置，通过沿所述光轴Z1转动所述二分之一波片、沿所述光轴Z2转动所述非固定检偏器使所述功率计的示数为极小值，实现对轴。

具体地，包括以下步骤：

(1)将所述非固定检偏器沿所述光轴Z2转动，直至所述功率计的示数为最小值；

(2)沿第一方向，将所述二分之一波片沿所述光轴Z1转动第一角度，以改变输入激光的线偏振方向；

重复步骤(1)和(2)直至所述功率计的示数为极小值。

进一步地，步骤(2)还包括：

将所述二分之一波片沿所述光轴Z1转动第二角度，然后将所述非固定检偏器沿所述光轴Z2连续转动，直至所述功率计的示数为最小值，判断转动所述第二角度后对应的最小值是否比转动所述第二角度之前对应的最小值小，若是，则将所述第二角度对应的转动方向确定为所述第一方向，若否，则将所述第二角度对应转动方向的相反方向作为所述第一方向。

在一可选实施例中，所述第一角度为1-2°。

在一可选实施例中，所述第二角度为4-6°。

在一可选实施例中，所述第一角度为4-6°，所述的重复步骤(1)和(2)直至所述功率探测器的输出值为极小值，包括：

重复步骤(1)和(2)直至步骤(1)得到的最小值变大，进行以下步骤：

(3)沿与所述第一方向相反的方向，将所述二分之一波片沿所述光轴Z1转动2-3°，以改变输入激光的线偏振方向；

(4)将所述非固定检偏器沿所述光轴Z2转动，直至所述功率计的示数为最小值；

重复步骤(3)和(4)直至步骤(4)得到的最小值变大，进行以下步骤：

(5)沿所述第一方向，将所述二分之一波片沿所述光轴Z1转动1°，以改变输入激光的线偏振方向；

(6)将所述非固定检偏器沿所述光轴Z2转动，直至所述功率计的示数为最小值；

重复步骤(5)和(6)直至步骤(6)得到的最小值变大，沿与所述第一方向相反的方向将所述二分之一波片沿所述光轴Z1转动1°，此时所述功率计的示数为极小值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提供的对轴装置及方法，无需对光纤施加应力，解决了应力释放不完全造成的对轴误差问题；

(2)本发明利用保偏光纤光轴的消光特性，根据自由空间光偏振与光轴平行时光纤消光比最高，通过转动非固定检偏器可以快速鉴别对轴情况，提升了对轴效率；

(3)本发明通过测量转动非固定检偏器消光后功率计输出的最小值判断保偏轴，因此可以利用非固定检偏器的消光特性将激光器功率波动的干扰降低25dB以上，提升了对轴精度和抗扰能力。

(4)本发明光学器件数量仅为2个，具有很高的机械集成度和稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置，包括依次设置的二分之一波片1、保偏光纤(含耦合器和扩束器)2、检偏器01和功率计02，所述二分之一波片1与所述保偏光纤2的输入端位于同一光轴Z1，所述检偏器01与所述保偏光纤2的输出端位于同一光轴Z2，所述检偏器01为非固定检偏器01，且消光比大于所述保偏光纤2的消光比，所述非固定检偏器01用于沿所述光轴Z2转动以使所述功率计02的示数为最小值，所述二分之一波片1用于沿所述光轴Z1转动改变输入激光11(自由空间光)的线偏振方向，以使输入激光的线偏振方向与保偏光纤的快轴或慢轴重合，从而使所述非固定检偏器01沿所述光轴Z2转动时所述功率计02的示数出现极小值，所述功率探测器02用于测量输出激光12经过所述检偏器01透射后的功率值，其示数即为激光功率值。

在输出激光12中，只有沿透振方向的偏振部分可以经非固定检偏器01透射，并被功率计02探测到。在输出激光12功率不变或慢漂的情况下，非固定检偏器01的最低透射光功率与消光比成反比。由于功率计02检测的是经非固定检偏器01消光后的透射光功率，因此会对激光功率慢漂噪声产生等于消光比的抑制效果。

由于输入激光11沿保偏光纤2快轴和慢轴的相位延迟不同，在输入激光11光轴偏离保偏光纤快轴或慢轴时，输出激光12一般为椭圆偏振，且椭圆轴方向随机旋转，非固定检偏器01的部分消光透射功率与椭圆的短轴功率投影成正比，对于几十mW的输出激光功率，部分消光透射功率一般仅为100μW量级，且以同量级迅速随机变化；在输入激光11光轴与保偏光纤快轴或慢轴重合时(即对轴实现)，输出激光12线偏振，非固定检偏器01的完全消光透射功率为非固定检偏器01消光比与输出激光12功率的乘积，对于几十mW的输出激光功率，完全消光透射功率一般仅为1-10μW。因此，通过本发明实施例提供的方法可以在对光纤不施加应力的前提下实现对轴状态的快速有效检测，该方法能够反应光轴变化的真实情况，对轴精准，对轴误差小于1°。

在一可选实施例中，所述检偏器01包括波片架及设置在所述波片架上的偏振分束棱镜，所述玻片架的转轴、偏振分束棱镜以及所述保偏光纤的输出端位于同一光轴Z2，所述波片架的通光方向对应所述偏振分束棱镜的水平透振方向，所述玻片架用于使所述偏振分束棱镜沿所述光轴Z2转动。该装置结构简单，可靠性高，能够方便准确地调整转动角度，确保对准精度。优选所述玻片架的转动角精度优于1°，所述偏振分束棱镜的小光比≥25dB。

参见图1，本发明实施例还提供了一种用于自由空间光至保偏光纤2耦合的对轴方法，采用上述实施例提供的对轴装置，通过沿所述光轴Z1转动所述二分之一波片1、沿所述光轴Z2转动所述非固定检偏器01使所述功率计02的示数为极小值，实现对轴。有关对轴装置的描述及效果参见上述装置实施例，在此不再赘述。

具体地，所述对轴方法，包括以下步骤：

(1)将所述非固定检偏器01沿所述光轴Z2转动，直至所述功率计02的示数为最小值；

(2)沿第一方向，将所述二分之一波片1沿所述光轴Z1转动第一角度，以改变输入激光11的线偏振方向；

重复步骤(1)和(2)直至所述功率计02的示数为极小值。

进一步地，步骤(2)还包括：

将所述二分之一波片1沿所述光轴Z1转动第二角度，然后将所述非固定检偏器01沿所述光轴Z2连续转动，直至所述功率计02的示数为最小值，判断转动所述第二角度后对应的最小值是否比转动所述第二角度之前对应的最小值小，若是，则将所述第二角度对应的转动方向确定为所述第一方向，若否，则将所述第二角度对应转动方向的相反方向作为所述第一方向。

在一可选实施例中，所述第一角度为1-2°。

在一可选实施例中，所述第二角度为4-6°。

在一可选实施例中，所述第一角度为4-6°，所述的重复步骤(1)和(2)直至所述功率计02的示数为极小值，包括：

重复步骤(1)和(2)直至步骤(1)得到的最小值变大，进行以下步骤：

(3)沿与所述第一方向相反的方向，将所述二分之一波片1沿所述光轴Z1转动2-3°，以改变输入激光11的线偏振方向；

(4)将所述非固定检偏器01沿所述光轴Z2转动，直至所述功率计02的示数为最小值；

重复步骤(3)和(4)直至步骤(4)得到的最小值变大，进行以下步骤：

(5)沿所述第一方向，将所述二分之一波片1沿所述光轴Z1转动1°，以改变输入激光11的线偏振方向；

(6)将所述非固定检偏器01沿所述光轴Z2转动，直至所述功率计02的示数为最小值；

重复步骤(5)和(6)直至步骤(6)得到的最小值变大，沿与所述第一方向相反的方向将所述二分之一波片1沿所述光轴Z1转动1°，此时所述功率计02的示数为极小值。

该方法可以快速找到极小值可能出现的区域，通过精调精确确定极小值出现的位置点，确保对轴精度达到1°。

以下为本发明的一个具体实施例：

如图1所示，本实施例的自由空间光至保偏光纤耦合的对轴系统，依次由输入激光11、二分之一波片1、保偏光纤2(含耦合器和扩束器)、出射激光12、非固定检偏器01和功率计02构成。

在本实施例中，输入激光11由Toptica DLpro激光器产生，偏振态为线偏振，中心波长780.24nm；

在本实施例中，保偏光纤2为thorlabs PM780，FC接口，消光比23dB，长5m，光纤的输入端和输出端已分别安装耦合器和扩束器，光纤的输入激光11和输出激光12均为平行光，高斯光斑。

在本实施例中，非固定检偏器01为胶接在波片架(PSR02)上的偏振分束棱镜(PBS252)，偏振分束棱镜与波片架同光轴，偏振分束棱镜的水平透振方向与波片架的通光方向重合，偏振分束棱镜消光比25dB，用于检测输出激光12的偏振光纤的消光情况，波片架用于实现偏振分束棱镜光轴z2为轴的转动，转动角精度优于1度，用于实现测量消光比(即非固定检偏器01的透射光功率最低值)所需的偏振分束棱镜转动功能。

本实施例是以非固定检偏器01和功率计02作为核心部件。

输入激光11经过二分之一波片1耦合进保偏光纤，二分之一波片1起到改变输入激光11线偏振方向的作用。保偏光纤2有快轴和慢轴，激光沿快轴和慢轴的传输速度不同，相位也不同，因此，当输入激光11的线偏振方向与快轴、慢轴均不重合时，输出激光12的偏振态由于快慢轴间的相对相位变为椭圆偏振，无法完全消光；只有当输入激光11的线偏振方向与快轴或慢轴重合时，输出激光12的偏振态由于快慢轴间无相对相位，故保持输入激光11的线偏振态，可完全消光。在未对轴情况下，保偏光纤输出激光12的偏振一般为椭圆偏振态，该输出光偏振态下，非固定检偏器(01)仅可以实现对输出激光12的部分消光；而在对轴情况下，输出激光12的偏振为线偏振，偏振纯度决定于保偏光纤的消光比，该输出光偏振态下，非固定检偏器(01)可以实现对光纤输出光的完全消光。在部分消光情况下，功率计02测量到的非固定检偏器01的透射光功率存在最低值；但随着二分之一波片1的调节，输入激光11偏振方向逐渐靠近保偏光纤的快轴或慢轴时，上述功率探测器02测量到的非固定检偏器01透射光功率最低值也随之降低至一极小值，该极小值对应完全消光的情况，即输入激光11偏振方与保偏光纤的快轴或慢轴重合、对轴实现的情况。

通过旋转非固定检偏器01很容易将输出激光12消光，消光后非固定检偏器01的透射光入射到功率计02，其示数大小与消光后剩余光功率成正比。只有当输入激光11的线偏振方向与快轴或慢轴重合时，输出激光12才能保持与输入激光11一致的线偏振态，此时消光比最高，功率计02输出值为极小值。这样，通过转动二分之一波片1改变输入激光11的线偏振方向，当线偏振方向逐渐向快轴或慢轴靠拢时，消光比将逐渐增加至最高，功率计02输出值相应的逐渐降为极小值，因而极易判断出旋转二分之一波片1的方向及快慢轴位置，实现高效率的对轴操作。同时，由于检测的是透过非固定检偏器01的光功率的极小值，非固定检偏器01本身的消光特性已将激光器的功率抖动抑制按消光比抑制，降低了功率抖动对对轴精度的影响。

本实施例对轴方法，包括以下步骤：

步骤1：以光轴z2为转动轴，向顺时针或逆时针方向连续转动非固定检偏器01，同时监视功率计02示数，直至功率计02所示的非固定检偏器01的透射光功率最低值x1，此时，输出激光12被部分消光。

步骤2：以光轴z1为转动轴，试探性的向顺时针或逆时针方向转动二分之一波片14-6度后，重复步骤1得到新的非固定检偏器01的透射光功率最低值x2。如x1>x2，则说明输入激光11偏振方向在靠近保偏光纤光轴，二分之一波片1转动方向正确；如x1<x2，则说明输入激光11偏振方向在偏离保偏光纤光轴，二分之一波片1转动方向错误。

步骤3：按步骤2判定的二分之一波片1转动方向，继续以4-6度的步长重复转动转动二分之一波片1n+m次，并重复步骤1，直至判定非固定检偏器01的透射光功率最低值xn为{x1,x2,x3…xn，xn+1,xn+2…xn+m}中的极小值，此时，输出激光12被非固定检偏器01完全消光，输入激光11的偏振方向与保偏光纤的快轴/慢轴重合，即实现对轴。

极小值判定方法：当以4-6度的步长重复转动转动二分之一波片1n+m次>n次后，将出现非固定检偏器01的透射光功率最低值xn+m>xn的情况；此后，以2-3度的步长反向重复转动转动二分之一波片1，直至再次出现xn+2>xn的情况；再次，以1度的步长再次反向重复转动转动二分之一波片1，直至再次出现xn+1>xn，选择二分之一波片1对应xn的位置作为输入激光11的偏振方向与保偏光纤的快轴/慢轴重合的实现对轴位置。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置，包括依次设置的二分之一波片、保偏光纤、检偏器和功率计，所述二分之一波片与所述保偏光纤的输入端位于同一光轴Z1，所述检偏器与所述保偏光纤的输出端位于同一光轴Z2，其特征在于，所述检偏器为非固定检偏器，且消光比大于所述保偏光纤的消光比，所述非固定检偏器用于沿所述光轴Z2转动以使所述功率计的输出值为最小值，所述二分之一波片用于沿所述光轴Z1转动改变输入激光的线偏振方向，以使所述非固定检偏器沿所述光轴Z2转动时所述功率计的输出值出现极小值，所述功率计用于测量经过所述检偏器透射的激光功率值。

2.根据权利要求1所述的用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置，其特征在于，所述检偏器包括波片架及设置在所述波片架上的偏振分束棱镜，所述玻片架的转轴、偏振分束棱镜以及所述保偏光纤的输出端位于同一光轴Z2，所述波片架的通光方向对应所述偏振分束棱镜的水平透振方向，所述玻片架用于使所述偏振分束棱镜沿所述光轴Z2转动。

3.根据权利要求2所述的用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置，其特征在于，所述玻片架的转动角精度优于1°。

4.根据权利要求2所述的用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴装置，其特征在于，所述偏振分束棱镜的消光比≥25dB。

5.一种用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述对轴装置，通过沿所述光轴Z1转动所述二分之一波片、沿所述光轴Z2转动所述非固定检偏器使所述功率计的示数为极小值，实现对轴。

6.根据权利要求5所述的用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将所述非固定检偏器沿所述光轴Z2转动，直至所述功率计的示数为最小值；

(2)沿第一方向，将所述二分之一波片沿所述光轴Z1转动第一角度，以改变输入激光的线偏振方向；

重复步骤(1)和(2)直至所述功率计的示数为极小值。

7.根据权利要求6所述的用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴方法，其特征在于，步骤(2)还包括：

将所述二分之一波片沿所述光轴Z1转动第二角度，然后将所述非固定检偏器沿所述光轴Z2连续转动，直至所述功率计的示数为最小值，判断转动所述第二角度后对应的最小值是否比转动所述第二角度之前对应的最小值小，若是，则将所述第二角度对应的转动方向确定为所述第一方向，若否，则将所述第二角度对应转动方向的相反方向作为所述第一方向。

8.根据权利要求6或7所述的用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴方法，其特征在于，所述第一角度为1-2°。

9.根据权利要求7所述的用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴方法，其特征在于，所述第二角度为4-6°。

10.根据权利要求6或7所述的用于自由空间光至保偏光纤耦合的对轴方法，其特征在于，所述第一角度为4-6°，所述的重复步骤(1)和(2)直至所述功率计的示数为极小值，包括：

重复步骤(1)和(2)直至步骤(1)得到的最小值变大，进行以下步骤：

(3)沿与所述第一方向相反的方向，将所述二分之一波片沿所述光轴Z1转动2-3°，以改变输入激光的线偏振方向；

(4)将所述非固定检偏器沿所述光轴Z2转动，直至所述功率计的示数为最小值；

重复步骤(3)和(4)直至步骤(4)得到的最小值变大，进行以下步骤：

(5)沿所述第一方向，将所述二分之一波片沿所述光轴Z1转动1°，以改变输入激光的线偏振方向；

(6)将所述非固定检偏器沿所述光轴Z2转动，直至所述功率计的示数为最小值；

重复步骤(5)和(6)直至步骤(6)得到的最小值变大，沿与所述第一方向相反的方向将所述二分之一波片沿所述光轴Z1转动1°，此时所述功率计的示数为极小值。