CN112097925B - 基于偏振增强的光纤散斑波长计 - Google Patents

基于偏振增强的光纤散斑波长计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于偏振增强的光纤散斑波长计，包括保偏光纤、色散偏振调制件、光纤准直器、光散射波导件、CCD。待测波长光波依次经过保偏光纤、色散偏振调制件、光纤准直器、光散射波导件后形成散斑图像进入CCD，所述CCD用于解析散斑图像以确定待测波长光波的波长。色散偏振调制件使不同波长的入射光的偏振方向产生不同的偏转角。光散射波导件为各向异性的光波导。光波导可以增大不同偏振角的入射光激发的散斑形状与分布的差异、增强散斑对波长的敏感度。本发明不但将光纤长度减少了，同时还将波长分辨率的测量极限大幅的提高了，实验数据表明，与之前报道的基于多模光纤散斑的波长计相比本专利波长计提高了波长分辨率8倍左右。

Description

基于偏振增强的光纤散斑波长计
技术领域
本发明涉波长计领域，具体涉及一种基于基于偏振增强的光纤散斑波长计。
背景技术
波长是激光的重要性能指标之一，精确的波长测量在激光器制造、光通讯、光电传感领域都有着重要意义。
现有国际对波长计的研究中出现了一种基于散斑的测量手段，其基本原理是基于待测光通过散射介质后生成的散斑图像，通过获取和分析散斑形状与强度分布的变化逆向推算出入射光波长，目前被广泛采用的是使用多模光纤作为散射介质产生的散斑来测量入射光的波长。
利用多模光纤散斑测量波长的原理是：当待测的入射光在多模光纤中传播时，由于多模光纤的固有特性，光波以多种模式传输(多达上百个)，不同的模式具有不同的传播常数，因此从多模光纤射出后在像面干涉形成散斑，不同的波长产生的散斑图样不同，记录下来他们的差异特征。在测量波长时，将获取散斑图像进行处理并与之前的校准记录对照便能迅速识别出入射光波长。
在多模光纤中决定散斑形成的主要因素是不同模式间的相位差
Figure BDA0002743137540000011
Figure BDA0002743137540000012
为相位差，β为传播常数，L为光纤长度)。如果要让散斑随波长变化比较明显，就要提高模间相位差，让相位差
Figure BDA0002743137540000013
要大于180度。但多模光纤中传播常数的色散差(β1-βm)系数很小，所以要使不同波长下的散斑变化更明显，现有技术手段主要是增长光纤长度，因此之前所有相关研究中使用的多模光纤长度都在几十米量级。过长的光纤不利于设备的设计和制造，而且非常容易受到外界温度与振动的影响，进而影响最终散斑图像与测量结果的稳定性。同时，对于某一种多模光纤而言，其色散差(β1-βm)系数是固定的，本质上就决定了该种光纤散斑测量波长的灵敏度上限。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于偏振增强的光纤散斑波长计，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：
基于偏振增强的光纤散斑波长计，包括保偏光纤、色散偏振调制件、光纤准直器、光散射波导件、CCD。
待测波长光波依次经过保偏光纤、色散偏振调制件、光纤准直器、光散射波导件后形成散斑图像进入CCD，所述CCD用于解析散斑图像以确定待测波长光波的波长。
所述色散偏振调制件使不同波长的入射光的偏振方向产生不同的偏转角。
所述光散射波导件为各向异性的光波导。所述光波导可以增大不同偏振角的入射光激发的散斑形状与分布的差异、增强散斑对波长的敏感度。
进一步的：所述色散偏振调制件包括磁光晶体、磁铁、恒温套，所述磁铁包裹于磁光晶体外层以形成沿光线传播方向的磁场，所述恒温套包裹于所述磁铁外层。
进一步的：所述光散射波导件为具有矩形纤芯的光纤。
进一步的：所述光散射波导件为具有椭圆形纤芯的光纤。
进一步的：所述光散射波导件包括多模光纤。
本发明的技术效果是：
本发明中通过色散偏振调制件和光散射波导件在不增加光纤长度的基础上大大增强了散斑对波长的敏感度，不但将光纤长度减少了，同时还将波长测量的分辨率极限大幅的提高了，实验数据表明，与之前报道的基于多模光纤散斑的波长计相比本专利波长计提高了波长分辨率8倍左右。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是有偏振调制和无偏振调制的实验结果对比。
图3是本发明散斑图像分析流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
基于偏振增强的光纤散斑波长计，包括光源、保偏光纤、色散偏振调制件、光纤准直器、光散射波导件、CCD。
待测波长光波9从光源发出，依次经过保偏光纤1、色散偏振调制件、光纤准直器4、光散射波导件6后形成散斑图像进入CCD7，所述CCD用于解析散斑图像以确定待测波长光波的波长。
所述色散偏振调制件使不同波长的入射光的偏振方向产生不同的偏转角。优选的是，所述色散偏振调制件包括磁光晶体5、磁铁2、恒温套3，所述磁铁2包裹于磁光晶体5外层以形成沿光线传播方向的磁场B，所述恒温套3包裹于所述磁铁2外层。
在本发明中，恒温套避免受到温度影响。恒温套 的具体结构不做限定。
所述光散射波导件为各向异性的光波导。各向异性的所述光波导可以增大不同偏振角的入射光激发的散斑形状与分布的差异、增强散斑对波长的敏感度。
另外，在本发明中，对于各向异性的光波导不做限定，由于是使用“各向异性”这个限定条件，让散斑的分辨率出现更显著的差异，因此这个各向异性既包括材料本身以及折射率分布等因素的异形，同时也包括本发明中的形状异性；优选的是本发明中的非正圆形的光纤。
本发明中色散偏振调制件，其功能为让不同波长的入射光的偏振态产生不同的偏转角(如图1中偏振变化8所示)；然后经过本发明中的光散射波导件，光散射波导件为各向异性的光波导，其功能为将入射光散射并在出射端产生散斑，各向异性是指光导纤芯的横截面至少在某一方向是非对称的，比如矩形光纤的纤芯截面为长短边不同的矩形(再例如椭圆形光纤)。当不同偏振态的入射光耦合进非对称光波导中，激发出的光传输模式不一样，所以这些不同传输模式形成的散斑也会呈现出不一样的形状与强度分布。这显然增强了散斑在不同波长下的差异性，而这个差异性是跟入射偏振态以及入射光的波长紧密相关的，因此从总体效果来看，在色散偏振调制件和光散射波导件共同作用下增加了散斑对波长的敏感性，提高了波长分辨率，并减少了光纤长度。
综上所述，本发明中不需使用几十米长的多模光纤，提高了散斑对波长的敏感度，最后通过CCD完成了波长的解析。
如图2所示，在使用同样长度的矩形多模光纤的情况下，有偏振调制(b)和无偏振调制 (a)的实验结果对比。图2的横轴为不同输入光的频率差，也可转换为波长差，因为光频率是光波长的另一种表述形式；纵轴是向量角度，某一光频的向量角度越大代表其散斑图像的变化越大，波长也就更容易区分，与波长分辨率成正比。从上图可以看出，有偏振调制(b)是无偏振调制(a)的向量角度的8倍左右，显然其波长分辨率得到了大幅提升。
如图3所示，是本发明散斑的处理流程图。具体包括如下步骤：
(1)首先是标定过程：将已知波长的激光打入测量系统并获取其散斑图像，对图像进行处理后，选取特征点并向量化，接着提取矩阵的特征向量并建立传输矩阵。
(2)对待测光进行测量，包括如下步骤：
(21)通过保偏光纤、色散偏振调制件、光纤准直器、光散射波导件、CCD获取待测光的散斑图像；
(22)图像处理。去除散斑图像中的噪声，散斑图像在实际拍摄时会有少量的环境光进入到CCD，同时CCD也会受到周围温度的影响而产生热噪声。因此采用基于频域的高斯带通滤波方案，利用散斑本身和背景的空间频率的差异特征来滤除背景噪声，提高图像的信噪比，使散斑图形的边界更清晰。
上述对散斑图像的噪音处理，在现有技术的研究中并没有，这也使得本发明中散斑的分辨率进一步提高，让待测光波长的测量准确率提高。
特征点的选取。采用基于散斑统计特征的重采样方法来筛选出对波长变化敏感的像素位置。其方法主要是计算相邻两张图像中每个像素点的灰度值的变化量，再将满足条件的像素位置标记出来，并选取灰度变化最大的那些像素作为特征点。
而目前国内外研究中，通常采用的是平均重采样法，这种方法采样点的选取依据不明确，在实际采样中有可能漏掉对波长变化敏感的像素点，而选取了不敏感的像素点。因此本发明中图像上特征点的选取，可以避免漏掉对波长变化敏感的像素点，进一步提高波长测量的准确性。
(23)接下来是提取特征向量。采用基于COD完全正交分解的算法来构建光学传输矩阵，其内存占用量小，而且其解调精度比SVD方法高50％。
目前国内外研究中，一般采用SVD奇异值分解法来提取矩阵特征值并建立传输矩阵，但这种方法对计算机的性能有很高要求，当处理的图像数据量很大时，容易有内存溢出的问题。
专利中可以处理大量的数据，节省计算机内存，并且可以快速获得波长值。
综上，本发明通过基于光纤散斑的高精度波长计获得对波长敏感度高的散斑图像，对散斑图像进行处理后，选取特征点并向量化，接着提取矩阵的特征向量并建立传输矩阵。标定完成后就可以对待测光进行测量了，先获取其散斑图像，然后进行特征点选取并向量化并与传输矩阵相乘，最终得到波长值。
不但可以快速获得结果，同时结果准确率高，与普通的基于多模光纤散斑的波长计相比本波长计的波长分辨率高约8倍左右。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于偏振增强的光纤散斑波长计，其特征在于：包括保偏光纤、色散偏振调制件、光纤准直器、光散射波导件、CCD；
待测波长光波依次经过保偏光纤、色散偏振调制件、光纤准直器、光散射波导件后形成散斑图像进入CCD，所述CCD用于解析散斑图像以确定待测波长光波的波长；
所述色散偏振调制件使不同波长的入射光的偏振方向产生不同的偏转角；
所述光散射波导件为各向异性的光波导。
2.根据权利要求1所述的基于偏振增强的光纤散斑波长计，其特征在于：所述色散偏振调制件包括磁光晶体、磁铁、恒温套，所述磁铁包裹于磁光晶体外层以形成沿光线传播方向的磁场，所述恒温套包裹于所述磁铁外层。
3.根据权利要求1所述的基于偏振增强的光纤散斑波长计，其特征在于：所述光散射波导件为具有矩形纤芯的光纤。
4.根据权利要求1所述的基于偏振增强的光纤散斑波长计，其特征在于：所述光散射波导件为具有椭圆形纤芯的光纤。
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