CN110987367A - 一种测量和控制纳米光纤偏振模式的装置和方法 - Google Patents

一种测量和控制纳米光纤偏振模式的装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110987367A
CN110987367A CN201911200614.3A CN201911200614A CN110987367A CN 110987367 A CN110987367 A CN 110987367A CN 201911200614 A CN201911200614 A CN 201911200614A CN 110987367 A CN110987367 A CN 110987367A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
polarization
nano optical
industrial camera
wave plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911200614.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110987367B (zh
Inventor
王鑫
张鹏飞
李刚
张天才
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanxi University
Original Assignee
Shanxi University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanxi University filed Critical Shanxi University
Priority to CN201911200614.3A priority Critical patent/CN110987367B/zh
Publication of CN110987367A publication Critical patent/CN110987367A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110987367B publication Critical patent/CN110987367B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/33—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter being disposed at one fibre or waveguide end-face, and a light receiver at the other end-face
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/024—Optical fibres with cladding with or without a coating with polarisation maintaining properties

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明属于微纳结构波导内部偏振模式测量和控制的技术领域；目前纳米光线偏振测量方法均为接触性测量，存在测量难度大，测量过程繁琐，测量精度较差等问题，同时可能对纳米光纤造成损坏，本发明提供一种测量和控制纳米光纤偏振模式的装置和方法，采用非接触式测量，偏振分光棱镜与工业相机对准纳米光纤待测偏振的位置，通过转动半波片和偏振补偿器获取工业相机像素点计数与半波片转动角度的正弦曲线关系图，并由此图确定并旋转纳米光纤水平或垂直偏振对应的半波片角度，实现对纳米光纤水平和垂直偏振模式的控制，真空及其他特殊环境下使用，对纳米光纤的结构及透射率不影响，测量及控制过程中无需耦合，简单易实现。

Description

一种测量和控制纳米光纤偏振模式的装置和方法
技术领域
本发明涉及微纳结构波导内部偏振模式测量和控制的技术，更具体的说，涉及一种测量和控制纳米光纤偏振模式的装置和方法。
背景技术
纳米光纤波导是指利用光纤拉锥得到的直径最小值为百纳米量级的圆柱对称结构波导，由于其直径在亚波长量级，纳米光纤内部和表面传输的电磁波场会被大大增强，其在纳米光纤表面外部径向半波长的范围内传输很强的电磁场分布，被称为倏势场。倏势场分布在纳米光纤外部，同时具有很高的功率密度；而光纤本身具有容易集成、可长距离低损耗传输光场等优势，使纳米光纤在光学科学研究、生物化学传感探测、环境检测、精密测量等方面有着重要的应用。
在利用纳米光纤进行精密耦合和传感探测等实验过程中，纳米光纤表面的倏势场应尽可能与待耦合或待测量物质重合；另外，纳米光纤中模式的空间分布是不均匀的，分布情况由纳米光纤中光的偏振模式决定，因此，这就需要对纳米光纤中的偏振模式进行精细的测量及控制；由于纳米光纤的结构特性，纳米光纤内部的偏振模式存在自发双折射效应，使光场矢量方向在空间各个取向均有分布；同时由于纳米光纤及倏势场的空间尺度只有百纳米量级，在微观尺度下要实现对纳米光纤偏振模式的非破坏性测量难度较大；同时测量过程应在短时间内完成以避免环境对纳米光纤的污染；另外，在真空、低温等特殊环境下，对纳米光纤的测量还需要是非接触性的。
在之前的相关实验中，一部分实验并未对纳米光纤中的偏振进行优化及补偿，所以得到的实验结果会以牺牲精度为代价；另一部分实验中涉及到的纳米光纤偏振测量方法均为接触性测量，存在测量难度大，测量过程繁琐，测量精度较差等问题，同时有可能对纳米光纤造成损坏；因此亟需一种成本低廉、非破坏性、快速测量及控制纳米光纤偏振模式的装置和方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种测量和控制纳米光纤偏振模式的装置和方法，该发明主要用于解决测量及控制纳米光纤偏振模式过程中对纳米光纤结构造成破坏、测量时间较长且测量精度不高等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种测量并控制纳米光线偏振模式的装置，包括激光器、偏振补偿器、半波片、纳米光纤、偏振分光棱镜、工业相机，偏振补偿器与半波片分别放置于纳米光纤的输入端之前，偏振分光棱镜与工业相机放置于与纳米光纤垂直方向，对准纳米光纤待测偏振的位置，偏振分光棱镜放置于纳米光纤与工业相机之间。
一种测量并控制纳米光纤偏振模式的方法，包括以下步骤：
S1. 在纳米光纤中通入激光，利用工业相机拍摄纳米光纤的图像，实时监控纳米光纤的图像，并且实时提取得到图像上各像素点所对应的灰度值，即各像素点计数。
S2. 旋转工业相机前方的偏振分光棱镜，偏振分光棱镜透射的垂直或水平偏振方向光进入工业相机。
S3. 实时记录工业相机图像中纳米光纤所对应的像素点计数的平均值。
S4. 转动纳米光纤输入端的半波片，使工业相机图像的像素点计数达到最大值或最小值。
S5. 转动偏振补偿器，使工业相机图像的像素点计数重新获得最大值或最小值。
S6. 再次转动半波片，使工业相机图像的像素点计数再次达到最大值或最小值。
S7. 重复步骤S4~S6五次以上，使工业相机图像的像素点的计数达最终达到最大值或最小值。
S8. 将半波片连续转动180°，并记录不同半波片在不同角度对应的工业相机图像的像素点计数，绘制出图像的像素点计数与半波片转动角度的正弦曲线关系图，实现对纳米光纤偏振模式的测量。
S9. 由正弦曲线关系图确定纳米光纤水平或垂直偏振对应的半波片角度，旋转半波片到对应角度，实现对纳米光纤水平和垂直偏振模式的控制。
进一步，工业相机探测到的图像为完全经过偏振分光棱镜的待测偏振位置处的纳米光纤的图像。
综上所述，发明具有以下有益效果：
本发明在科学研究或工业应用中，使纳米光纤内部的模式保持较高的线偏振度，实现对纳米光纤表面附近的微观物质与光场的精确耦合及操控；本发明采用非接触式测量，利用光学CCD摄像机对光纤本身的散射光进行收集和拍摄；在真空及其他特殊环境下使用，长距离无接触的测量和控制，同时对于纳米光纤的结构及透射率不会有任何破坏及影响；测量及控制过程中无需耦合，实验过程简单，更容易实现，实验装置体积更小。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；
图2为工业相机探测计数与偏振转动角度的关系曲线。
图中：1-激光器、2-偏振补偿器、3-半波片、4-纳米光纤、5-偏振分光棱镜、6-电子倍增工业相机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种测量并控制纳米光线偏振模式的装置，包括激光器1、偏振补偿器2、半波片3、纳米光纤4、偏振分光棱镜5、工业相机6，偏振补偿器2是一种光轴在空间三维取向内可任意转动的双折射晶体元件，用于不同激光频率下任意相位的补偿；半波片3是一种光轴在激光波前平面可转动的双折射晶体元件，与光轴垂直的偏振方向分量的相位会滞后半个波长；偏振分光棱镜5为一种偏振分光晶体，能够将入射激光相互垂直的两个偏振分量分开并透射和反射；工业相机6是一种用于弱光探测成像的工业相机，通过探测纳米光纤表面散射的微弱光实现对纳米光纤的成像。
偏振补偿器2与半波片3分别放置于纳米光纤4的输入端之前，偏振分光棱镜5与工业相机6放置于与纳米光纤4垂直方向，对准纳米光纤4待测偏振的位置，偏振分光棱镜5放置于纳米光纤4与工业相机6之间，工业相机6探测到的画面为待测偏振位置处的纳米光纤4，且画面完全经过偏振分光棱镜5。
一种测量并控制纳米光纤偏振模式的方法，包括以下步骤：
S1. 在纳米光纤4中通入激光，利用工业相机6拍摄纳米光纤4的图像，工业相机所拍摄的纳米光纤4的图像是通过偏振分光棱镜5后的纳米光纤4的图像，实时监控纳米光纤4的图像，并且实时提取得到图像上各像素点所对应的灰度值，即各像素点计数。
S2. 旋转工业相机4前方的偏振分光棱镜5，偏振分光棱镜5透射的垂直或水平偏振方向光进入工业相机6。
S3. 实时记录工业相机6图像中纳米光纤4所对应的像素点计数的平均值。
S4. 转动纳米光纤4输入端的半波片3，工业相机6图像的像素点计数会经历由大变小再变大或由小变大再变小的过程，在这个过程中使像素点计数达到最大值或最小值。
S5. 转动偏振补偿器2，在这个过程中使工业相机6图像的像素点计数重新获得最大值或最小值。
S6. 再次转动半波片3，在这个过程中使工业相机6图像的像素点计数再次达到最大值或最小值。
S7. 重复步骤S4~S6五次以上，使工业相机6图像的像素点的计数达最终达到最大值或最小值。
S8. 将半波片3连续转动180°，记录半波片3在不同角度对应的工业相机6所拍摄图像的像素点计数，绘制出图像的像素点计数与半波片3转动角度的正弦曲线关系图，如图2所示，更换不同的半波片绘制对应的正弦曲线关系图，根据偏振分光棱镜光轴的空间取向能够判断正弦曲线最大值及最小值分别对应的偏振模式，如偏振分光棱镜透射光偏振与光纤轴向垂直时，正弦曲线最大值所对应的偏振方向与光纤轴向垂直，实现对纳米光纤4偏振模式的测量。
S9. 由图2的正弦曲线关系图中的最大值及最小值确定对应的纳米光纤内部模式偏振方向，而最大值与最小值在测量过程中与半波片转动角度存在精确的对应关系，通过上述过程能够确定纳米光纤4水平或垂直偏振对应的波片角度，旋转半波片3到相应角度，实现对纳米光纤4水平和垂直偏振模式的控制。
本发明采用以上技术方案，原理为由于微纳加工技术的制作精度限制，实际制作出来的纳米光纤并非完美的柱对称结构，同时表面也存在纳米尺度的缺陷或不平整。在模式传输过程中，纳米光纤表面的缺陷会作为散射中心将光纤所传输的光场导出，散射进入自由空间，而垂直于纳米光纤放置的偏振分光棱镜会过滤散射光偏振，并由电子倍增工业相机探测成像；缺陷造成的模式散射为瑞利散射，故散射过程中模式偏振不会发生变化。纳米光纤输入端的偏振补偿器可以通过补偿纳米光纤中传输模式产生的双折射相位差来得到较高偏振度的线偏振模式，而半波片可以转动改变线偏振光的偏振方向。通过偏振分光棱镜后的散射光为只剩下确定方向的偏振分量，若转动半波片绘制出光子计数与转动角度的关系曲线，由关系图确定纳米光纤水平或垂直偏振对应的波片角度，旋转半波片到相应角度，可实现对纳米光纤水平和垂直偏振模式的控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种测量并控制纳米光线偏振模式的装置，包括激光器（1）、偏振补偿器（2）、半波片（3）、纳米光纤（4）、偏振分光棱镜（5）、工业相机（6），偏振补偿器（2）与半波片（3）分别放置于纳米光纤（4）的输入端之前，其特征在于：所述偏振分光棱镜（5）与工业相机（6）放置于与纳米光纤（4）垂直方向，对准纳米光纤（4）待测偏振的位置，偏振分光棱镜（5）放置于纳米光纤（4）与工业相机（6）之间。
2.一种测量并控制纳米光纤偏振模式的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1. 在纳米光纤（4）中通入激光，利用工业相机（6）拍摄纳米光纤（4）的图像，实时监控纳米光纤（4）的图像，并且实时提取得到图像上各像素点所对应的灰度值，即各像素点计数；
S2. 旋转工业相机（4）前方的偏振分光棱镜（5），偏振分光棱镜（5）透射的垂直或水平偏振方向光进入工业相机（6）；
S3. 实时记录工业相机（6）图像中纳米光纤（4）所对应的像素点计数的平均值；
S4. 转动纳米光纤（4）输入端的半波片（3），工业相机（6）图像的像素点计数达到最大值或最小值；
S5. 转动偏振补偿器（2），使工业相机（6）图像的像素点计数重新获得最大值或最小值；
S6. 再次转动半波片（3），使工业相机（6）图像的像素点计数再次达到最大值或最小值；
S7. 重复步骤S4~S6五次以上，使工业相机（6）图像的像素点的计数达最终达到最大值或最小值；
S8. 将半波片（3）连续转动180°，记录不同半波片（3）在不同角度对应的工业相机（6）图像的像素点计数，绘制出图像的像素点计数与半波片（3）转动角度的正弦曲线关系图，实现对纳米光纤（4）偏振模式的测量；
S9. 由正弦曲线关系图确定纳米光纤（4）水平或垂直偏振对应的半波片角度，旋转半波片（3）到对应角度，实现对纳米光纤（4）水平和垂直偏振模式的控制。
3.根据权利要求2所述的测量并控制纳米光线偏振模式的方法，其特征在于：所述工业相机（6）探测到的图像为完全经过偏振分光棱镜（5）的待测偏振位置处的纳米光纤（4）的图像。
CN201911200614.3A 2019-11-29 2019-11-29 一种测量和控制纳米光纤偏振模式的装置和方法 Active CN110987367B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911200614.3A CN110987367B (zh) 2019-11-29 2019-11-29 一种测量和控制纳米光纤偏振模式的装置和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911200614.3A CN110987367B (zh) 2019-11-29 2019-11-29 一种测量和控制纳米光纤偏振模式的装置和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110987367A true CN110987367A (zh) 2020-04-10
CN110987367B CN110987367B (zh) 2022-06-03

Family

ID=70088249

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911200614.3A Active CN110987367B (zh) 2019-11-29 2019-11-29 一种测量和控制纳米光纤偏振模式的装置和方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110987367B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113466187A (zh) * 2021-04-12 2021-10-01 清华大学 对荧光各向异性进行偏振超分辨成像的系统及方法
TWI814431B (zh) * 2022-01-10 2023-09-01 大陸商武漢華工激光工程有限責任公司 自動即時灰度值檢測及補償的方法和系統

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1668906A (zh) * 2002-07-19 2005-09-14 株式会社藤仓 光纤偏振波模式分散的测定方法及其测定装置
CN101672696A (zh) * 2009-09-14 2010-03-17 清华大学 一种光偏振检测仪
CN103884489A (zh) * 2014-03-07 2014-06-25 中国科学院上海光学精密机械研究所 光学元件测量装置和测量方法
CN107102447A (zh) * 2017-05-22 2017-08-29 中国科学院国家授时中心 保偏光纤线偏振光偏振态保持装置
CN107941468A (zh) * 2017-12-11 2018-04-20 中国人民解放军国防科技大学 一种光纤偏振态的可视化动态检测方法及装置
CN108332857A (zh) * 2018-03-13 2018-07-27 山西大学 一种测量纳米光纤中光偏振的装置及方法
CN110346304A (zh) * 2019-06-26 2019-10-18 华中科技大学 一种基于时隙复用的光纤偏振光谱分析系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1668906A (zh) * 2002-07-19 2005-09-14 株式会社藤仓 光纤偏振波模式分散的测定方法及其测定装置
CN101672696A (zh) * 2009-09-14 2010-03-17 清华大学 一种光偏振检测仪
CN103884489A (zh) * 2014-03-07 2014-06-25 中国科学院上海光学精密机械研究所 光学元件测量装置和测量方法
CN107102447A (zh) * 2017-05-22 2017-08-29 中国科学院国家授时中心 保偏光纤线偏振光偏振态保持装置
CN107941468A (zh) * 2017-12-11 2018-04-20 中国人民解放军国防科技大学 一种光纤偏振态的可视化动态检测方法及装置
CN108332857A (zh) * 2018-03-13 2018-07-27 山西大学 一种测量纳米光纤中光偏振的装置及方法
CN110346304A (zh) * 2019-06-26 2019-10-18 华中科技大学 一种基于时隙复用的光纤偏振光谱分析系统

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113466187A (zh) * 2021-04-12 2021-10-01 清华大学 对荧光各向异性进行偏振超分辨成像的系统及方法
CN113466187B (zh) * 2021-04-12 2022-11-08 清华大学 对荧光各向异性进行偏振超分辨成像的系统及方法
TWI814431B (zh) * 2022-01-10 2023-09-01 大陸商武漢華工激光工程有限責任公司 自動即時灰度值檢測及補償的方法和系統

Also Published As

Publication number Publication date
CN110987367B (zh) 2022-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110987367B (zh) 一种测量和控制纳米光纤偏振模式的装置和方法
KR100326302B1 (ko) 광섬유의 잔여 응력 및 포토일래스틱 효과 측정을 위한측정장치 및 그 방법
CN108629787B (zh) 基于光学自旋霍尔效应空间微分器的边缘提取方法及系统
CN101769821A (zh) 基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法及装置
CN102589428B (zh) 基于非对称入射的样品轴向位置跟踪校正的方法和装置
CN102426093A (zh) 一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪
CN102889862A (zh) 一种大直径光纤预制棒偏心率测试设备及其测试方法
WO2021184839A1 (zh) 基于Sagnac干涉系统的全偏振法拉第磁场传感器及调制方法
KR100350458B1 (ko) 광섬유 잔여 응력 및 포토일래스틱 효과를 측정하기 위한장치 및 그 방법
CN202693473U (zh) 一种测量平板型透明介质折射率的装置
KR100958185B1 (ko) 광섬유의 잔류응력 측정장치
CN202351017U (zh) 一种基于显微成像的聚合物平面波导光学参数测量仪
CN103940537A (zh) 材料的微区应力测试系统
JP2023155115A (ja) 固体原子スピンの幾何学的位相に基づく光学浮上角速度測定装置及び方法
CN202693451U (zh) 一种基于光散射的湿性颗粒形状参数在线测量系统
CN108770177A (zh) 空芯反共振光纤冷原子束流导引与通量探测方法及装置
CN112129410A (zh) 斯托克斯偏振测量装置、测量方法及超表面阵列构建方法
CN109375124B (zh) 一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器
CN105424325A (zh) 点衍射干涉波像差测量仪及光学系统波像差的检测方法
CN114812889A (zh) 一种大口径光学元件应力检测装置及其检测方法
Liu et al. Fiber SPR micro displacement sensor based on heterocore structure of graded index multimode fiber
CN109596214B (zh) 一种激光器输出功率检测系统及检测方法
CN105241820B (zh) 一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪
CN110986836A (zh) 基于环形芯光纤的高精度粗糙度测量装置
Luo et al. Refractive index measurement of uniform liquid using an improved laser speckle method

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant