CN111896222B - 一种保偏光纤拍长测量装置及测量方法 - Google Patents

一种保偏光纤拍长测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种保偏光纤拍长测量装置及测量方法，其中测量装置包括：压力机构由一对带V型槽的底座和球头千分尺组成，偏振分束干涉仪由分束棱镜1、1/4波片、参考镜1、测量镜1、检偏器和光电探测器1组成，稳频干涉仪由稳频He‑Ne激光器、分束棱镜2、参考镜2、测量镜2和光电探测器2组成，测量镜1和测量镜2放置于同一精密位移机构上，在保偏光纤拍长测量过程中，两者同步进行移动。本发明采用干涉技术测量保偏光纤两个应力点之间的几何长度和对应耦合点之间的光学长度，测量结果可溯源至光学波长标准，大幅提高了保偏光纤拍长的测量精度，并且适用于低双折射保偏光纤拍长的测量。

Description

一种保偏光纤拍长测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及保偏光纤测量技术领域，尤其涉及的是，一种保偏光纤拍长测量装置及测量方法。
背景技术
保偏光纤由于对线偏振光具有很强的偏振保持能力，并且与普通单模光纤有良好的相容性，广泛应用于光纤通信和光纤传感领域。目前，高双折射保偏光纤在光纤陀螺、光纤水听器以及保偏光纤器件等领域有着广泛的应用，而低双折射保偏光纤则在光纤电流传感领域有着重要的应用。
保偏光纤双折射是指保偏光纤两个偏振本征轴的折射率差，在实际应用中，一般使用拍长来表征保偏光纤的双折射。保偏光纤拍长的测量方法有很多种，目前测量精度较高的是压力移动、偏振外差干涉法，通过给被测保偏光纤施加一恒定的压力并沿光纤纵向移动，外差干涉仪输出的两路光束的相位差呈周期性变化，当变化一个周期时压力沿光纤移动的距离即为被测保偏光纤的拍长。现有技术方案的缺点在于拍长的测量范围受限于压力位移机构的行程，对于低双折射保偏光纤拍长的测量来说，需要较长行程的压力位移机构。与此同时，拍长的测量精度与压力位移机构的精度有关，但对于长行程的压力位移机构来说，其运动速度并不均匀，从而给拍长的测量带来较大的误差。
发明内容
本发明提供一种保偏光纤拍长测量装置及测量方法，用以解决不同双折射保偏光纤拍长的测量难题。
本发明的技术方案如下：一种保偏光纤拍长测量装置，包括：SLD光源、起偏器、压力机构、偏振分束干涉仪和稳频干涉仪；压力机构由一对带V型槽的底座和球头千分尺组成，用于对被测保偏光纤施加压力；偏振分束干涉仪由第一分束棱镜、两片1/4波片、第一参考镜、第一测量镜、检偏器和第一光电探测器组成，用于对被测保偏光纤内部的偏振耦合进行测量；稳频干涉仪由稳频He-Ne激光器、第二分束棱镜、第二参考镜、第二测量镜和第二光电探测器组成，用于测量耦合点之间的光学长度；其中，第一分束棱镜为偏振分束棱镜，第二分束棱镜为消偏分束棱镜，第一参考镜、第一测量镜和第二参考镜、第二测量镜为平面反射镜或角锥棱镜。
上述中，所述第一测量镜和所述第二测量镜放置于同一精密位移机构上，在被测保偏光纤拍长测量过程中，保证所述第一测量镜和第二测量镜同步进行移动。
一种保偏光纤拍长测量装置的测量方法，具体测量过程如下：SLD光源的输出光经起偏器后注入被测保偏光纤某一偏振主轴，被测保偏光纤平直放置于压力机构的V型槽内，由球头千分尺对被测保偏光纤施加压力，人为制造两个应力点，使得被测保偏光纤内的传输光在这两个应力点处产生大的偏振耦合；球头千分尺顶端为一个半径较小的圆弧，尽量使得与被测保偏光纤之间为点接触，两个球头千分尺与被测保偏光纤接触点之间的距离使用激光干涉仪进行测量，得到被测保偏光纤上两个应力点之间的几何长度L；
被测保偏光纤的输出光进入偏振分束干涉仪，由第一分束棱镜分为两束正交的偏振光，两个1/4波片与第一分束棱镜的光轴夹角均为45°，所述两束正交的偏振光通过两个1/4波片后分别经第一测量镜和第一参考镜反射，再次通过两个1/4波片，各自的偏振方向发生90°偏转，再次通过第一分束棱镜后合束出射；检偏器与第一分束棱镜光轴的夹角为45°，从第一分束棱镜出射的两束正交偏振光通过检偏器后发生干涉，由第一光电探测器接收测量；通过精密位移机构控制第一测量镜进行移动，对发生偏振耦合的两个偏振模式之间的光程差进行补偿，产生的白光干涉信号由第一光电探测器接收测量；
稳频He-Ne激光器的输出光由第二分束棱镜分为两束光，即参考光和测量光，分别经第二参考镜和第二测量镜反射后，再次进入第二分束棱镜合束干涉；通过精密位移机构控制第二测量镜进行移动，补偿所述参考光和所述测量光之间的光程差，产生的稳频干涉信号由第二光电探测器接收测量；
在测量过程中，第一测量镜和第二测量镜放置于同一精密位移机构上，两者同步进行移动，第一光电探测器测量得到的白光干涉信号和第二光电探测器测量得到的稳频干涉信号由数据采集卡同步采集，测量完成后，首先截取一段白光干涉信号，对其进行Hilbert变换，提取白光干涉包络，然后进行多项式拟合，精确得到两个偏振耦合点的峰值位置；
由于白光干涉信号和稳频干涉信号是同步测量和采集，在时间上存在着对应关系，根据两个偏振耦合点的峰值位置对稳频干涉信号进行截取，然后计算被截取的稳频干涉信号的周期数，通过干涉的方法准确计算得到两个偏振耦合点之间的光学长度；
稳频干涉数据周期数的计算包括整数周期数N和小数周期数n；整数周期数N是根据稳频干涉信号幅值的大小，通过设置一个固定的检测阈值，采用峰值检测的方法来计算得到；小数周期数n是采用采样点数细分的方法来间接计算，具体过程为：计算整个整数周期内总的采样点数S，然后除以整数周期数N，得到一个周期内采样点数的平均值；将截取的稳频干涉信号的总的采样点数减去整数周期内总的采样点数S，得到小数周期内的采样点数s，然后除以一个周期内采样点数的平均值即可得到小数周期数n，即
Figure BDA0002613043700000041
通过稳频干涉信号的整数周期数N和小数周期数n，得到耦合点之间的光学长度
Figure BDA0002613043700000042
其中λ为稳频He-Ne激光器的中心波长；
根据几何长度和光学长度的测量结果，计算保偏光纤拍长为公式1：
公式1：
Figure BDA0002613043700000043
公式1中：其中λ为SLD光源的中心波长，L为保偏光纤上两个应力点之间的几何长度，l为与应力点相对应的保偏光纤内两个耦合点之间的光学长度。
本发明采用干涉技术测量保偏光纤两个应力点之间的几何长度和对应耦合点之间的光学长度，测量结果可溯源至光学波长标准，大幅提高了保偏光纤拍长的测量精度，并且适用于低双折射保偏光纤拍长的测量；并且本发明：1)采用偏振分束干涉技术测量保偏光纤内的偏振耦合，无需使用长行程位移机构即可完成测量。2)采用稳频干涉技术测量偏振耦合点之间的光学长度，解决了位移机构运动速度不均匀带来的测量误差。
附图说明
图1为现有技术的保偏光纤拍长测量装置示意图。
图2为本发明实施例中保偏光纤拍长测量装置的示意图。
图3为本发明实施例中白光干涉与稳频干涉信号同步测量局部信号示意图。
图4为本发明实施例中截取的白光干涉信号示意图。
图5为本发明实施例中Hilbert变换后的白光干涉信号示意图。
图6为本发明实施例中多项式拟合后白光干涉信号示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明的一个实施例是，提供的保偏光纤拍长测量装置包括：SLD光源、起偏器101、压力机构103、偏振分束干涉仪和稳频干涉仪。压力机构103由一对带V型槽的底座和球头千分尺组成，用于对被测保偏光纤102施加压力。偏振分束干涉仪由第一分束棱镜104、两片1/4波片107、第一参考镜113、第一测量镜111、检偏器105和第一光电探测器110组成，用于对被测保偏光纤102内部的偏振耦合进行测量。稳频干涉仪由稳频He-Ne激光器115、第二分束棱镜108、第二参考镜109、第二测量镜112和第二光电探测器114组成，用于测量耦合点之间的光学长度。其中，第一分束棱镜104为偏振分束棱镜，第二分束棱镜108为消偏分束棱镜，第一参考镜113、第一测量镜111和第二参考镜109、第二测量镜112为平面反射镜或角锥棱镜。第一测量镜111和第二测量镜112放置于同一精密位移机构106上，在被测保偏光纤102拍长测量过程中，保证第一测量镜111和第二测量镜112同步进行移动。
具体测量过程如下：
SLD光源的输出光经起偏器101后注入被测保偏光纤102某一偏振主轴，被测保偏光纤102平直放置于压力机构103的V型槽内，由球头千分尺对被测保偏光纤102施加压力，人为制造两个应力点，使得被测保偏光纤102内的传输光在这两个应力点处产生大的偏振耦合。球头千分尺顶端为一个半径较小的圆弧，尽量使得与被测保偏光纤102之间为点接触，两个球头千分尺与被测保偏光纤102接触点之间的距离使用激光干涉仪进行测量，得到被测保偏光纤102上两个应力点之间的几何长度L。
被测保偏光纤102的输出光进入偏振分束干涉仪，由第一分束棱镜104分为两束正交的偏振光，两个1/4波片107与第一分束棱镜104的光轴夹角均为45°，所述两束正交的偏振光通过两个1/4波片107后分别经第一测量镜111和第一参考镜113反射，再次通过两个1/4波片107，各自的偏振方向发生90°偏转，再次通过第一分束棱镜104后合束出射。检偏器105与第一分束棱镜104光轴的夹角为45°，从第一分束棱镜104出射的两束正交偏振光通过检偏器105后发生干涉，由第一光电探测器110接收测量。通过精密位移机构106控制第一测量镜111进行移动，对发生偏振耦合的两个偏振模式之间的光程差进行补偿，产生的白光干涉信号由第一光电探测器110接收测量。
稳频He-Ne激光器115的输出光由第二分束棱镜108分为两束光，即参考光和测量光，分别经第二参考镜109和第二测量镜112反射后，再次进入第二分束棱镜108合束干涉。通过精密位移机构106控制第二测量镜112进行移动，补偿所述参考光和所述测量光之间的光程差，产生的稳频干涉信号由第二光电探测器114接收测量。
在测量过程中，第一测量镜111和第二测量镜112放置于同一精密位移机构106上，两者同步进行移动，第一光电探测器110测量得到的白光干涉信号和第二光电探测器114测量得到的稳频干涉信号由数据采集卡同步采集，图3为采集信号的局部图，其中上半部分为白光干涉信号，下半部分为稳频干涉信号。测量完成后，首先截取一段白光干涉信号数据，图4为截取的包括两个完整的偏振耦合峰的白光干涉信号，对其进行Hilbert变换，图5为Hilbert变换后的白光干涉包络曲线，然后进行多项式拟合，图6为多项式拟合后的白光干涉包络曲线，与拟合之前相比，峰值点处的曲线光滑，消除了原有的毛刺现象，可以精确得到两个偏振耦合点的峰值位置。
由于白光干涉信号和稳频干涉信号是同步测量和采集，在时间上存在着对应关系，根据两个偏振耦合点的峰值位置对稳频干涉信号进行截取，然后计算被截取的稳频干涉信号的周期数，从而可以通过干涉的方法准确计算得到两个偏振耦合点之间的光学长度，避免了由于精密位移机构运行速度不均匀，而在时域上均匀采样带来的耦合点之间光学长度的测量误差。
稳频干涉数据周期数的计算包括整数周期数N和小数周期数n。整数周期数N是根据稳频干涉信号幅值的大小，通过设置一个固定的检测阈值，采用峰值检测的方法来计算得到。小数周期数n是采用采样点数细分的方法来间接计算，具体过程为：计算整个整数周期内总的采样点数S，然后除以整数周期数N，得到一个周期内采样点数的平均值。将截取的稳频干涉信号的总的采样点数减去整数周期内总的采样点数S，得到小数周期内的采样点数s，然后除以一个周期内采样点数的平均值即可得到小数周期数n，即
Figure BDA0002613043700000071
通过稳频干涉信号的整数周期数N和小数周期数n，得到耦合点之间的光学长度
Figure BDA0002613043700000072
其中λ为稳频He-Ne激光器的中心波长。
根据几何长度和光学长度的测量结果，计算保偏光纤拍长为公式1：
公式1：
Figure BDA0002613043700000073
上述公式1中，其中λ为SLD光源的中心波长，L为保偏光纤上两个应力点之间的几何长度，l为与应力点相对应的保偏光纤内两个耦合点之间的光学长度。
本发明采用干涉技术测量保偏光纤两个应力点之间的几何长度和对应耦合点之间的光学长度，测量结果可溯源至光学波长标准，大幅提高了保偏光纤拍长的测量精度，并且适用于低双折射保偏光纤拍长的测量；并且本发明：1)采用偏振分束干涉技术测量保偏光纤内的偏振耦合，无需使用长行程位移机构即可完成测量。2)采用稳频干涉技术测量偏振耦合点之间的光学长度，解决了位移机构运动速度不均匀带来的测量误差。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种保偏光纤拍长测量装置，其特征在于，包括：SLD光源、起偏器、压力机构、偏振分束干涉仪和稳频干涉仪；压力机构由一对带V型槽的底座和球头千分尺组成，用于对被测保偏光纤施加压力；偏振分束干涉仪由第一分束棱镜、两片1/4波片、第一参考镜、第一测量镜、检偏器和第一光电探测器组成，用于对被测保偏光纤内部的偏振耦合进行测量；稳频干涉仪由稳频He-Ne激光器、第二分束棱镜、第二参考镜、第二测量镜和第二光电探测器组成，用于测量耦合点之间的光学长度；其中，第一分束棱镜为偏振分束棱镜，第二分束棱镜为消偏分束棱镜，第一参考镜、第一测量镜和第二参考镜、第二测量镜为平面反射镜或角锥棱镜；所述第一测量镜和所述第二测量镜放置于同一精密位移机构上，在被测保偏光纤拍长测量过程中，保证所述第一测量镜和第二测量镜同步进行移动。
2.一种如权利要求1所述的保偏光纤拍长测量装置的测量方法，其特征在于，具体测量过程如下：SLD光源的输出光经起偏器后注入被测保偏光纤某一偏振主轴，被测保偏光纤平直放置于压力机构的V型槽内，由球头千分尺对被测保偏光纤施加压力，人为制造两个应力点，使得被测保偏光纤内的传输光在这两个应力点处产生大的偏振耦合；球头千分尺顶端为一个半径较小的圆弧，尽量使得与被测保偏光纤之间为点接触，两个球头千分尺与被测保偏光纤接触点之间的距离使用激光干涉仪进行测量，得到被测保偏光纤上两个应力点之间的几何长度L；
被测保偏光纤的输出光进入偏振分束干涉仪，由第一分束棱镜分为两束正交的偏振光，两个1/4波片与第一分束棱镜的光轴夹角均为45°，所述两束正交的偏振光通过两个1/4波片后分别经第一测量镜和第一参考镜反射，再次通过两个1/4波片，各自的偏振方向发生90°偏转，再次通过第一分束棱镜后合束出射；检偏器与第一分束棱镜光轴的夹角为45°，从第一分束棱镜出射的两束正交偏振光通过检偏器后发生干涉，由第一光电探测器接收测量；通过精密位移机构控制第一测量镜进行移动，对发生偏振耦合的两个偏振模式之间的光程差进行补偿，产生的白光干涉信号由第一光电探测器接收测量；
稳频He-Ne激光器的输出光由第二分束棱镜分为两束光，即参考光和测量光，分别经第二参考镜和第二测量镜反射后，再次进入第二分束棱镜合束干涉；通过精密位移机构控制第二测量镜进行移动，补偿所述参考光和所述测量光之间的光程差，产生的稳频干涉信号由第二光电探测器接收测量；
在测量过程中，第一测量镜和第二测量镜放置于同一精密位移机构上，两者同步进行移动，第一光电探测器测量得到的白光干涉信号和第二光电探测器测量得到的稳频干涉信号由数据采集卡同步采集，测量完成后，首先截取一段白光干涉信号，对其进行Hilbert变换，提取白光干涉包络，然后进行多项式拟合，精确得到两个偏振耦合点的峰值位置；
由于白光干涉信号和稳频干涉信号是同步测量和采集，在时间上存在着对应关系，根据两个偏振耦合点的峰值位置对稳频干涉信号进行截取，然后计算被截取的稳频干涉信号的周期数，通过干涉的方法准确计算得到两个偏振耦合点之间的光学长度；
稳频干涉数据周期数的计算包括整数周期数N和小数周期数n；整数周期数N是根据稳频干涉信号幅值的大小，通过设置一个固定的检测阈值，采用峰值检测的方法来计算得到；小数周期数n是采用采样点数细分的方法来间接计算，具体过程为：计算整个整数周期内总的采样点数S，然后除以整数周期数N，得到一个周期内采样点数的平均值；将截取的稳频干涉信号的总的采样点数减去整数周期内总的采样点数S，得到小数周期内的采样点数s，然后除以一个周期内采样点数的平均值即可得到小数周期数n，即
Figure FDA0003509112620000031
通过稳频干涉信号的整数周期数N和小数周期数n，得到耦合点之间的光学长度
Figure FDA0003509112620000032
其中λ为稳频He-Ne激光器的中心波长；
根据几何长度和光学长度的测量结果，计算保偏光纤拍长为公式1：
公式1：
Figure FDA0003509112620000033
公式1中：其中λ为SLD光源的中心波长，L为保偏光纤上两个应力点之间的几何长度，l为与应力点相对应的保偏光纤内两个耦合点之间的光学长度。
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