CN111007594A - 一种等强度梁结构的具有温度补偿的光纤四分之一波片及制备 - Google Patents

一种等强度梁结构的具有温度补偿的光纤四分之一波片及制备 Download PDF

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Abstract

一种等强度梁结构的具有温度补偿的光纤四分之一波片及制备，属于光纤传感技术领域。该四分之一波片该波片包括两段高双折射光纤、等强度梁；所述的两段高双折射光纤由两高双折射光纤组成；所述等强度梁将较短的光纤段粘贴在等强度梁的上表面，较长的光纤段粘贴在下表面。所述两段高双折射光纤通过粘贴于等强度梁表面实现温度补偿。通过悬臂梁末端受力产生应变调节波片的相位差，使相位差为π/2，从而得到四分之一波片。本发明该四分之一波片有结构简单、稳定性高、相位差可调节、温度补偿功能的特点。

Description

一种等强度梁结构的具有温度补偿的光纤四分之一波片及 制备
技术领域
本发明涉及一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片及制备方法，属于光纤传感技术领域。
背景技术
在光纤电流传感系统中，光纤四分之一波片是其中的关键器件，被用于完成线偏振光和圆偏振光间的转换，使得外接电流信号转化为光波相位差，从而实现传感。
目前，在光纤电流系统中所采用的四分之一波片主要有三种方案：一是将与保偏光纤45°熔接的一段高双折射光纤，通过截取或研磨方式得到长度为其拍长L的1/4或3/4/或5/4的光纤段，从而制成光纤四分之一波片；二是在与传感光纤熔接的椭圆纤芯高双折射光纤上，距熔接点1/4拍长或1/2拍长的光纤段进行45°或90°扭转，从而制成光纤四分之一波片；三是截取一段4-5cm的变速spun光纤，控制spun光纤的旋转速度，在增速扭转段光纤上，其旋转速度会由零匀速增加到一定的速度。线偏振光通过这段增速扭转光纤后，其偏振态将变成圆偏振光，这段增速旋转光纤即为1/4波片。实际制造和应用过程中，采用截取法制作四分之一波片要求较高的截取精度、光纤端面平整度，成本较高，制作出的四分之一波片与其它器件进行连接时，难以采用熔接的方式，用法兰盘连接引入了较大的损耗。采用研磨法制作波片，需要在光纤研磨机上进行，研磨时光纤端面平整度要求较高，制作过程中，需要研磨-检测进行重复操作，增大了制作难度。熔接法和扭转法均是采用一段高双折射光纤进行制作，但是在制作过程中，光纤内部双折射分布不均匀，使得光纤四分之一波片的成品率不高；而且光纤内部双折射的温度不稳定性限制了波片的适用范围。通过变速spun法虽然可以得到比较精确的波片，但是其加工工艺相当复杂，成本非常高，很难普及。经过多年的努力，目前国内的康阔公司已研制成功并将其商品化，但其售价相当昂贵。然而将两段长度(近似)相等的高双折射光纤以轴间夹角90°熔接，然后通过调节熔接光纤的正交偏振光的相位差等于π/2，从而得到四分之一波片的方法却很少有人涉及。
发明内容
本发明的目的正是基于上述考虑，提出了一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片，该四分之一波片有结构简单、稳定性高、相位差可调节、温度补偿功能的特点。
为实现上述目的，本发明设计了一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片，其特征在于，包括两段正交熔接的双折射光纤、悬臂梁结构(3)及调谐装置；
所述的两段正交熔接的双折射光纤以它们的慢轴之间为90°的夹角进行正交熔接；该两段双折射光纤的长度应尽量相等，较长高双折射光纤(2)为L1，较短光纤为L2，△L＝L1-L2，两段光纤长度相差△L两个拍长以内。
较短的双折射光纤(1)粘贴在悬臂梁上表面，较长的双折射光纤(2)粘贴在悬臂梁下表面；所述的悬臂梁为平板结构；较长高双折射光纤为L1，较短光纤为L2，△L＝L1-L2，两段光纤长度相差△L两个拍长以内，优选长度差△L为0～5.2mm，测出高双折射光纤在粘贴时的温度偏移率k'和未粘贴时的温度偏移率k"，较长光纤粘贴长度为L3，较短光纤粘贴长度为L4，根据公式L3-L4＝△Lk"(k"-k')，得出两段光纤粘贴长度差，先将较长高双折射光纤粘贴任意长度，再根据粘贴长度差粘贴较短高双折射光纤；这样粘贴可以实现温度补偿。
双折射光纤的熔接点(7)位于悬臂梁平板结构的侧面，此侧面对应为A端，与A相对的一端为B端；
调谐装置包括一竖直固定结构(4)和一横向固定装置(5)，横向固定装置(5)的一端与竖直固定结构(4)的固定在一起，横向固定装置(5)的另一端设有轴竖直的螺母(6)；悬臂梁B端固定到竖直固定结构(4)上，悬臂梁A端与螺母(6)连接；悬臂梁与横向固定装置(5)平行且之间具有间距，通过调节螺母(6)，使得悬臂梁产生应力应变。
调节粘贴于悬臂梁上下表面的两段正交熔接的双折射光纤的长度，使得沿快、慢轴方向偏振的光经过这两段光纤后的相位差为90°，从而得到四分之一波片。
悬臂梁平板结构可以为三角形平板结构、梯形平板结构、菱形平板结构等任意形状的，可调节上下表面两双折射光纤黏贴长度差的平板结构。
同时，计算合适的光纤粘贴于悬臂梁上下表面的长度差，并以计算的长度分别将两段光纤粘贴于等强度梁的上、下表面，实现温度补偿。
所述的双折射光纤为高双折射光纤。
上述所述一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片的制作方法，包括以下步骤：
(1)任意截取两段长度近似相等的高双折射光纤，较长高双折射光纤为L1，较短光纤为L2，△L＝L1-L2，两段光纤长度相差△L两个拍长以内，优选长度差△L为0～5.2mm；
(2)将两段高双折射光纤进行正交熔接；
(3)将上述两段正交熔接的高双折射光纤接入3dB耦合器构成环镜；
(4)测出高双折射光纤在粘贴时的温度偏移率k'和未粘贴时的温度偏移率k"，较长光纤粘贴长度为L3，较短光纤粘贴长度为L4，根据公式L3-L4＝△Lk"(k"-k')，得出两段光纤粘贴长度差，先将较长高双折射光纤粘贴任意长度，再根据粘贴长度差粘贴较短高双折射光纤；这样粘贴可以实现温度补偿。
(5)通过调节螺母改变悬臂梁末端的位置，使其产生应变，从而调节粘贴在其表面的两段光纤的正交偏振的相位差；调节时，通过光谱仪检测环镜的透过率，对环镜透过率进行了归一化处理，通过分析透过率光谱在中心波长λ处的取值及对应的斜率值，当满足中心波长处透过率减半，.透过率的斜率达到最小，归一化频率不大于0.00051两个条件时，得到沿着快、慢轴方向偏振的光的相位差至90°，从而制作成功四分之一波片。
本发明具有如下有益效果：
1.采用两段正交熔接的高双折射光纤制作四分之一波片，改变了单段光纤制作四分之一波片时的复杂工序。
2.两段光纤四分之一波片通过在等强度梁结构波片采取双面粘贴方式，优化其粘贴长度提高波片的温度稳定性，实现温度补偿。
3.等强度梁结构较为紧凑，具有很强的实用性。
4.本发明方法无需使用昂贵的设备，成本低，制作方法简单，结构紧凑，制备效率高，相位差可调节，具有温度补偿功能。
附图说明
图1是本发明立体图；
图2是本发明两段高双折射光纤粘贴至等悬臂梁上下表面结构图；
图3是本发明两段高双折射光纤熔接结构图；
图4是本发明侧视图；
图5是本发明悬臂梁俯视图。
较短的双折射光纤1，较长双折射光纤2，悬臂梁结构3，竖直固定结构4，横向固定装置5，螺母6，熔接点7。
图6为实施例2相位差图。(a)-(f)分别对应相位差
Figure BDA0002142535360000051
为-3π/2，-π，-π/2，π/2，π，3π/2时的光谱图。
图7为实施例2波长随温度变化的漂移关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。高双折射光纤是一种能够保持线偏振光传输时偏振方向不发生变化的光纤，因此又称保偏光纤。以下实施例选用的高双折射光纤为中国电子科技集团公司第四十六所生产的熊猫型保偏光纤，中心波长为1550nm，拍长标识为2.6mm。本发明也可以采用其他的高双折射光纤。
实施例1：一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片的制作方法，包括以下步骤：
(1)任意截取两段长度近似相等的高双折射光纤。
(2)将两段高双折射光纤进行正交熔接。
(3)将上述两段正交熔接的高双折射光纤接入3dB耦合器构成环镜，利用光谱仪精确环镜的透过率，并按透过率数值计算两段光纤的长度差。
(4)较长高双折射光纤为L1较短光纤为L2，△L＝L1-L2，两段光纤长度相差△L两个拍长以内，优选长度差△L为0～5.2mm，测出高双折射光纤在粘贴时的温度偏移率k'和未粘贴时的温度偏移率k"，较长光纤粘贴长度为L3，较短光纤粘贴长度为L4，根据公式L3-L4＝△Lk"(k"-k')，得出两段光纤粘贴长度差，先将较长高双折射光纤粘贴任意长度，再根据粘贴长度差粘贴较短高双折射光纤；这样粘贴可以实现温度补偿。
(5)通过调节螺母改变悬臂梁末端的位置，使其产生应变，从而调节粘贴在其表面的两段光纤的正交偏振的相位差；调节时，通过光谱仪检测环镜的透过率，可根据透过率调节沿着快、慢轴方向偏振的光的相位差至90°，从而制作成功四分之一波片。即通过旋动调节螺母，使悬臂梁产生形变，从而实现对两高双折射光纤正交偏振方向的相位差的连续调节至π/2，从而得到四分之一波片。
实施例2：
截取较长的光纤段的长度为48.2cm，粘贴长度为24cm，较短的光纤段长度为47.7cm，粘贴长度为22.8cm。光纤λ/4波片的环镜透过率光谱曲线在扫描范围内近似为一条直线，光纤波片环镜的归一化透过率在相位差
Figure BDA0002142535360000061
为-3π/2，-π，-π/2，π/2，π，3π/2时的光谱图见图6。
当归一化透过率光谱在中心波长λ处的透过率为0.5时，光谱对应的斜率值分别为0.001520和-0.0005067，比值约为1:3，因此可通过斜率值来区分出高双折射光纤产生的不同的相位差值,。
此时对应的归一化透过率曲线在中心波长λ处的斜率约为-0.0005067。选用特定透过率值时对应的光波长作为参考波长，参考波长随温度变化的漂移关系如图7所示。
经过温度补偿后，光纤λ/4波片的温度稳定性有了明显的提升，在25℃～50℃的温度变化范围内，波片的温度漂移系数从-1.36nm/℃降为了-0.29nm/℃，线性拟合度为R2＝0.9954。

Claims (8)

1.一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片，其特征在于，包括两段正交熔接的双折射光纤、悬臂梁结构(3)及调谐装置；
所述的两段正交熔接的双折射光纤以它们的慢轴之间为90°的夹角进行正交熔接；该两段双折射光纤的长度应尽量相等，较长高双折射光纤(2)为L1，较短光纤为L2，△L＝L1-L2，两段光纤长度相差△L两个拍长以内。
2.按照权利要求1所述的一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片，其特征在于，较短的双折射光纤(1)粘贴在悬臂梁上表面，较长的双折射光纤(2)粘贴在悬臂梁下表面；所述的悬臂梁为平板结构；较长高双折射光纤为L1，较短光纤为L2，△L＝L1-L2，两段光纤长度相差△L两个拍长以内，优选长度差△L为0～5.2mm，测出高双折射光纤在粘贴时的温度偏移率k'和未粘贴时的温度偏移率k"，较长光纤粘贴长度为L3，较短光纤粘贴长度为L4，根据公式L3-L4＝△Lk"(k"-k')，得出两段光纤粘贴长度差，先将较长高双折射光纤粘贴任意长度，再根据粘贴长度差粘贴较短高双折射光纤；这样粘贴可以实现温度补偿。
3.按照权利要求1所述的一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片，其特征在于，所述的双折射光纤为高双折射光纤。
4.按照权利要求1所述的一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片，其特征在于，双折射光纤的熔接点(7)位于悬臂梁平板结构的侧面，此侧面对应为A端，与A相对的一端为B端；
调谐装置包括一竖直固定结构(4)和一横向固定装置(5)，横向固定装置(5)的一端与竖直固定结构(4)的固定在一起，横向固定装置(5)的另一端设有轴竖直的螺母(6)；悬臂梁B端固定到竖直固定结构(4)上，悬臂梁A端与螺母(6)连接；悬臂梁与横向固定装置(5)平行且之间具有间距，通过调节螺母(6)，使得悬臂梁产生应力应变。
5.按照权利要求1所述的一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片，其特征在于，调节粘贴于悬臂梁上下表面的两段正交熔接的双折射光纤的长度，使得快、慢轴方向的偏振光通过两段高双折射光纤之后的相位差为90°，从而得到四分之一波片。
6.按照权利要求1所述的一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片，其特征在于，悬臂梁平板结构可以为三角形平板结构、梯形平板结构、菱形平板结构等任意形状的，可调节上下表面两双折射光纤黏贴长度差的平板结构。
7.按照权利要求1所述的一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片，其特征在于，计算合适的光纤粘贴于悬臂梁上下表面的长度差，并以计算的长度分别将两段光纤粘贴于等强度梁的上、下表面，实现温度补偿。
8.按照权利要求1-7任一项所述的一种等强度梁结构的具有温度补偿功能的光纤四分之一波片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)任意截取两段长度近似相等的高双折射光纤，较长高双折射光纤为L1，较短光纤为L2，△L＝L1-L2，两段光纤长度相差△L两个拍长以内，优选长度差△L为0～5.2mm，；
(2)将两段高双折射光纤进行正交熔接；
(3)将上述两段正交熔接的高双折射光纤接入3dB耦合器构成环镜；
(4)测出高双折射光纤在粘贴时的温度偏移率k'和未粘贴时的温度偏移率k"，较长光纤粘贴长度为L3，较短光纤粘贴长度为L4，根据公式L3-L4＝△Lk"(k"-k')，得出两段光纤粘贴长度差，先将较长高双折射光纤粘贴任意长度，再根据粘贴长度差粘贴较短高双折射光纤；这样粘贴可以实现温度补偿；
通过调节螺母改变悬臂梁末端的位置，使其产生应变，从而调节粘贴在其表面的两段光纤的正交偏振的相位差；调节时，通过观察光谱仪检测环镜的透过率，对环镜透过率进行了归一化处理，通过分析透过率光谱在中心波长λ处的取值及对应的斜率值，当满足中心波长处透过率减半，.透过率的斜率达到最小，归一化频率不大于0.00051两个条件时，得到快、慢轴方向偏振光相位差等于π/2，从而制作成功四分之一波片。
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