CN114353778A - 在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位锁定的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法，包括以下：宽带光源输入消偏器得到两束不相干且正交的线偏振光；所述的线偏振光输入第一环形器，经过闭环光路结构或者开环光路结构得到逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光；逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光进行合束形成干涉光场，由第一环形器的输出端口输出；将光开关选通光电探测器通道，观察合成干涉光场的干涉信号，利用所述的闭环光路结构或开环光路结构的扰偏功能进行调节，并记录扰偏时的最大值和最小值；在静态的情况下调节电动偏振控制功能，使得合成干涉光场的光强位于扰偏功能工作时的最大值和最小值的正中间位置；给一个超声信号波形激励，同时光开关选通平衡探测器通道，利用偏振分束器和平衡探测器进行光强的差分探测。

Description

在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位锁定的方法 及装置

技术领域

本发明涉及光纤陀螺技术领域，更具体地，涉及一种在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法及装置。

背景技术

Sagnac干涉仪可作为多种物理量的传感器，例如激光超声检测[Ulrich R,Johnson M.Fiber-ring interferometer:polarization analysis[J].Optics Letters,1979,4(5):152-154]，具有许多潜在的应用价值，但目前技术发展不成熟，能够实用化并成为产品的技术并不多，尤其是对于非保偏型Sagnac干涉仪更是如此，因为其偏振态的改变具有随机性且难以控制，是目前难以克服的问题。

解决这个问题对Sagnac干涉仪在民用领域商业化并得到广泛应用具有重要意义，因为非保偏型Sagnac干涉仪成本相对要低的多。理想情况是干涉条纹的初始相位差为π/2，参与干涉的条纹对比度为最大值1，但是实际上由于干涉仪的两臂难以做到偏振态的改变完全等效，尤其是在非保偏光纤中，这种理想情况通常是难以实现的。为了解决这个问题，其它现有的方法包括使用宽带光源并且在干涉仪中加了Lyot型消偏器，这种方法解决了由于顺、逆时针光路非互易性导致的相位不稳定的问题，但是无法在理论上保证相位每次都能锁定在π/2，而更有可能是其它相位，从而导致灵敏度降低，另一方面它也无法保证条纹对比度达到最大值[Ulrich R,Johnson M.Fiber-ring interferometer:polarizationanalysis[J].Optics Letters,1979,4(5):152-154]。2014年，华盛顿大学Ivan Pelivanov[Pelivanov I,Buma T,Xia J,et al.A new fiber-optic non-contact compact laser-ultrasound scanner for fast non-destructive testing and evaluation ofaircraft composites[J].Journal of Applied Physics,2014]等人提出了一种全保偏型的Sagnac干涉仪用于激光超声检测，其思想是使用全保偏光纤迫使参与干涉的两束光的偏振态正交，虽然这样会使得在使用单个探头的时候条纹消失，但是当使用了偏振分束器(PBS)并用平衡探测器(BD)进行差分探测的时候，却能够实现最大的条纹对比度。中国专利公开号：CN111337009A，公开日：2020-06-26，公开了在非保偏型Sagnac干涉仪中通过调节多个偏振控制器，使用PBS和BD进行差分探测，也可以同时实现π/2的初始相位差和最大条纹对比度，从而使传感器系统工作在最优化的状态，但调节方法较为复杂。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中存在的一个问题，提供了一种在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法及装置，其能实现差分光强的π/2相位锁定，该方法的抗干扰能力强、稳定性好、灵敏度高、调节过程简单，具有实用价值。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法，所述的方法包括以下：

宽带光源沿着消偏器的快轴或慢轴输入一线偏振光，得到两束不相干且正交的线偏振光；

两束所述的线偏振光输入第一环形器，经过闭环光路结构或者开环光路结构得到逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光；所述的闭环光路结构、开环光路结构均具有扰偏、电动偏振控制、超声信号波形激励的功能；

逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光进行合束形成干涉光场，由第一环形器的输出端口输出；

将光开关选通光电探测器通道，观察合成干涉光场的干涉信号，利用所述的闭环光路结构或开环光路结构的扰偏功能进行调节，并记录扰偏时的最大值和最小值；

在静态的情况下调节电动偏振控制功能，使得合成干涉光场的光强位于扰偏功能工作时的最大值和最小值的正中间位置；所述的静态的情况下是指扰偏功能和超声信号波形激励功能均不工作的情况下；

给一个超声信号波形激励，同时光开关选通平衡探测器通道，利用偏振分束器和平衡探测器进行光强的差分探测，调节偏振控制器，使之满足条件：θ₁-θ₃＝-(θ₂-θ₄)＝±π/2，其中θ₁、θ₂、θ₃、θ₄为未知的自变量，此时干涉条纹对比度达到最大，从而实现最佳控制。

优选地，利用琼斯矢量表达两束不相干且正交的线偏振光，如下：

其中，a²+b²＝1，a、b表示琼斯矢量对应的两个分量，并且为实数。

进一步地，所述的逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光对入射光的作用效果都是一个幺正矩阵，具有如下形式：

其中，

且r₁、r₂为实数；0≤φ₁<2π，0≤φ₂<2π。

再进一步地，按照消偏器分成的两束不相干且正交的线偏振光以及逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光进行分类，存在四种类型的光，分别如下：

其中，L_CW表示顺时针的琼斯矩阵，L_CCW表示逆时针的琼斯矩阵，Δs是传感量；

光纤中的琼斯矩阵L和算符RT满足如下对易关系

[RT，L]＝0 (8)

式中，R表示90度旋转算符，

T表示时间反演算符，T＝*，*表示复共轭操作；

线偏振光E₀、线偏振光E_e对应的干涉光场E_o,INT、E_e,INT是CW光和CCW光之和，并且由对易关系可以得到如下关系：

其中，

其中c₁ ²+c₂ ²＝c₃ ²+c₄ ²＝1，c₁≥0、c₂≥0、c₃≥0、c₄≥0，且0≤θ₁≤2π、0≤θ₂≤2π、0≤θ₃≤2π、0≤θ₄≤2π；定义A＝c₁ ²；式(12)、式(13)中，总是能够找到至少一个坐标系，使得c₁＝c₃，c₂＝c₄，选定该坐标系作为x，y轴；定义A＝c₁ ²，B＝c₂ ²，且A+B＝1；

把式(12)、式(13)代入式(10)、式(11)中，并且将E_o，INT和E_e，INT投影到所定义的x，y坐标轴上，可得到：

可得光电探测器对应的合成干涉光场和平衡探测器对应的差分光场的表达式：

(I_o，INT，x+I_e，INT，x)+(I_o，INT，y+I_e，INT，y)

＝1+[A cos(θ₁-θ₃)+B cos(θ₂-θ₄)]cos(Δs) (18)

(I_o，INT，x+I_e，INT，x)-(I_o，INT，y+I_e，INT，y)

＝[-A sin(θ₁-θ₃)+B sin(θ₂-θ₄)]sin(Δs) (19)

式(18)、式(19)表明，经过消偏器的作用以后，一方面，合成干涉光场的相位被锁定在π，而差分光场的相位被锁定在π/2。

一种在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定方法的装置，所述的装置包括宽带光源、消偏器、第一环形器、第一1*2耦合器、具有扰偏、电动偏振控制、超声信号波形激励功能的闭环结构或具有扰偏、电动偏振控制、波形激励功能的开环结构、偏振控制器、偏振分束器、1*2光开关、光电探测器、平衡探测器；

所述的宽带光源、消偏器、第一环形器依次相连，所述环形器的双向端口与第一1*2耦合器的输入端口连接；

所述的第一1*2耦合器与闭环结构连接，或所述的第一1*2耦合器与开环结构连接；

所述的第一环形器的输出端口依次与偏振控制器、1*2光开关的输入端口连接；

所述的1*2光开关的一个输出端口与光电探测器连接；

所述的1*2光开关的另一个输出端口依次与偏振分束器、平衡探测器连接。

优选地，所述的开环光路结构包括第二1*2耦合器、长臂光纤、具有扰偏和电动偏振控制的扰偏器、具有超声信号波形激励的声光调制器AOM、掺铒光纤放大器EDFA、第二环形器、第三环形器、样品探头；

所述的第一1*2耦合器的一个输出端口与第二1*2耦合器的一个输入端口连接，所述的第一1*2耦合器的另一个输出端口通过长臂光纤与第二1*2耦合器的另一个输入端口连接；

所述的第二1*2耦合器的输出端口与第二环形器的双向端口连接；

所述的第二环形器的输入端口直接与第三环形器的输出端口连接；

所述的第二环形器的输出端口依次通过声光调制器AOM、掺铒光纤放大器EDFA与第三环形器的输入端口连接；

所述的第三环形器的双向端口与所述样品探头相连。

进一步地，所述的开环光路结构包括长臂光纤、具有扰偏和电动偏振控制的扰偏器、具有超声信号波形激励的声光调制器AOM、样品探头、第二1*2耦合器；

所述的第一1*2耦合器的一个输出端口与第二1*2耦合器的一个输入端口连接，所述的第一1*2耦合器的另一个输出端口通过长臂光纤、扰偏器与第二1*2耦合器的另一个输入端口连接；

所述的第二1*2耦合器的输出端口与声光调制器AOM的任一端口连接；

所述的声光调制器AOM的另一端口与所述样品探头相连。

再进一步地，所述的闭环光路结构包括长臂光纤、具有扰偏和电动偏振控制的扰偏器、具有波形激励的声光调制器AOM；

所述的第一1*2耦合器的一个输出端口依次与长臂光纤、扰偏器、声光调制器AOM、第一1*2耦合器的另一个输出端口连接。

再进一步地，所述的第二环形器、第三环形器构成的单向光强放大环形回路，从第二耦合器出来的光按照顺序先经过第二环形器的双向端口进入输出端，然后经过光调制器AOM和掺铒光纤放大器EDFA放大，从第三环形器的输入端口输入，然后经过第三环形器的双向端口输出，经由样品探头收集背向散射光返回光纤，然后再依次经过样品探头，第三环形器、第二环形器返回由第一1*2耦合器、第二1*2耦合器组成的Sagnac环路；

对于Sagnac环路中的顺时针方向的CW光和逆时针方向的CCW光都是如此。

再进一步地，从第一环形器的输出端口出射的光，经过一个偏振控制器后，经过偏振分束器分光后，进入平衡探测器，平衡探测器得到的信号包括正输入端口的光强和负输入端口的光强以及正负端口相减放大后得到的差分光强；

所述的光开关用于选通干涉光场进入平衡探测器或光电探测器的任一通道，从而实现合成光强和差分光强探测的按需切换。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1本发明实现了差分光强的π/2相位锁定，即便对于平衡探测器的某个输入端光强相位差偏离了π/2，差分光强仍然是π/2相位锁定的。并且可以做到同时实现π/2相位初始相位差和高对比度的两个目标，因此具有高灵敏度的特点。

2.本发明的调节过程简单，实际使用中只需使用进行对扰偏器和偏振控制器先后进行一次调节，且调节的方向十分明确，而且该过程可以实现完全自动化。

3.本发明采用了独特的双环形器和EDFA的结构对光强进行放大，只有一小段光纤是需要承受大功率光强的，因此大大降低了光纤非线性效应，同时在样品端得到大功率的光强输出，以便在粗糙或低反射样品的情况下也能收集足够多的背向散射光，使之更具实用价值。

附图说明

图1是实施例2所述的实现π/2初始相位差锁定的装置的具体结构连接示意图。

图2是实施例2所述的消偏器的工作原理图。

图3是实施例3所述的实现π/2初始相位差锁定的装置的具体结构连接示意图。

图4是实施例4所述的实现π/2初始相位差锁定的装置的具体结构连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法，所述的方法包括以下：

宽带光源沿着消偏器的快轴或慢轴输入一线偏振光，得到两束不相干且正交的线偏振光；两束不相干且正交的线偏振光也称为消偏后的宽带光；

两束所述的线偏振光输入第一环形器，经过闭环光路结构或者开环光路结构得到逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光；所述的闭环光路结构、开环光路结构均具有扰偏、电动偏振控制、超声信号波形激励的功能；

利用第一耦合器将逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光进行合束形成干涉光场，由第一环形器的输出端口输出；

将光开关选通光电探测器通道，观察合成干涉光场的干涉信号，利用所述的闭环光路结构或开环光路结构的扰偏功能进行调节，并记录扰偏时的最大值和最小值；

在静态(即扰偏功能和超声信号波形激励功能均不工作)的情况下调节电动偏振控制功能，使得合成干涉光场的光强位于扰偏功能工作时的最大值和最小值的正中间位置；

给一个超声信号波形激励，同时光开关选通平衡探测器通道，利用偏振分束器和平衡探测器进行光强的差分探测，调节偏振控制器，使之满足条件：θ₁-θ₃＝-(θ₂-θ₄)＝±π/2，其中θ₁、θ₂、θ₃、θ₄为未知的自变量，此时干涉条纹对比度达到最大，从而实现最佳控制。

本实施例，利用琼斯矢量表达两束不相干且正交的线偏振光，记作o光和e光，表达式分别如下：

其中，a²+b²＝1，a、b表示琼斯矢量对应的两个分量，并且为实数。

在一个具体的实施例中，在干涉仪中参与干涉的两束光由于两臂不对称，偏振态和光程差都是不同的。特别地，对于非保偏型Sagnac干涉仪系统来说；所述的逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光对入射光的作用效果都是一个幺正矩阵，具有如下形式：

其中，

r₁、r₂为实数；0≤φ₁<2π，0≤φ₂<2π。

在一个具体的实施例中，按照消偏器分成的两束不相干且正交的线偏振光以及逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光进行分类，存在四种类型的光，分别如下：

其中，L_CW表示顺时针对应的琼斯矩阵，L_CCW表示逆时针对应的琼斯矩阵，Δs是传感量；

光纤中的琼斯矩阵L和算符RT满足如下对易关系

[RT，L]＝0 (8)

式中，R表示90度旋转算符，

T表示时间反演算符，T＝*，*表示复共轭操作；

线偏振光E₀、线偏振光E_e对应的干涉光场E_o，INT、E_e，INT是CW光和CCW光之和，并且由对易关系可以得到如下关系：

其中，

其中，c₁ ²+c₂ ²＝c₃ ²+c₄ ²＝1，c₁≥0、c₂≥0、c₃≥0、c₄≥0，且0≤θ₁≤2π、0≤θ₂≤2π、0≤θ₃≤2π、0≤θ₄≤2π；式(12)、式(13)中，总是能够找到至少一个坐标系，使得c₁＝c₃，c₂＝c₄，选定该坐标系作为x，y轴；定义A＝c₁ ²，B＝c₂ ²，且A+B＝1；

把式(12)、式(13)代入式(10)、式(11)中，并且将E_o，INT和E_e，INT投影到所定义的x，y坐标轴上，可得到：

可得光电探测器对应的合成干涉光场和平衡探测器对应的差分光场的表达式：

(I_o，INT，x+I_e，INT，x)+(I_o，INT，y+I_e，INT，y)

＝1+[A cos(θ₁-θ₃)+B cos(θ₂-θ₄)]cos(Δs) (18)

(I_o，INT，x+I_e，INT，x)-(I_o，INT，y+I_e，INT，y)

＝[-A sin(θ₁-θ₃)+B sin(θ₂-θ₄)]sin(Δs) (19)

式(18)、式(19)表明，经过消偏器的作用以后，一方面，合成干涉光场的相位被锁定在π，而差分光场的相位被锁定在π/2。

因此，在非保偏型的Sagnac干涉仪中，使用消偏后的宽带光源，并使用偏振分束器和平衡探测器进行光强的差分探测，就可以实现π/2的相位锁定。通过调节扰偏器和偏振控制器以满足：θ₁-θ₃＝-(θ₂-θ₄)＝±π/2的条件，此时干涉条纹对比度达到最大，从而实现最佳控制。

综上所述，本实施例所述的实现π/2初始相位差锁定的方法，如下：

首先将光开关选通光电探测器通道，用示波器观察合成光场的干涉信号，用扰偏器的扰偏功能，使之遍历琼斯矩阵所有可能的参数。然后需要在静态(即AOM和扰偏器的扰偏功能不工作)的情况下调节扰偏器的电动偏振控制功能使得公式(18)中合成光强余弦分量前面的系数为0，当合成光强位于扰偏器功能工作时的最大值和最小值的正中间位置时就能满足此约束条件。

在满足公式(18)中合成光强中的余弦分量前面的系数为0的约束条件下，使用AOM给一个较大幅度的波形激励。将光开关选通平衡探测器通道，然后调节偏振控制器，使之满足θ₁-θ₃＝-(θ₂-θ₄)＝±π/2的条件，这时在示波器上将会看到平衡探测器对应的两个条纹对比度同时接近理论最大值的干涉条纹对比度，光路开环时的对比度V＝0.5，光路闭环时的对比度为V＝1。

经过以上步骤可以得到最大条纹对比度，由于在非保偏结构中采用了消偏宽带光和PBS配合平衡探测器对光强进行差分探测的方法，相位差是自动锁定在±π/2的。此时系统位于传感器工作的最佳状态。

以上步骤可以也采用全电控和嵌入式编程，或者结合控制闭环系统的方法实现，从而实现测量仪器的自动化使用。

实施例2

基于实施例1所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法，本实施例提供了一种在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定方法的装置，如图1所示，所述的装置包括宽带光源消偏器、第一环形器、第一1*2耦合器、具有扰偏、电动偏振控制、超声信号波形激励功能的开环结构、偏振控制器、偏振分束器、1*2光开关、光电探测器、平衡探测器；

所述的宽带光源、消偏器、第一环形器依次相连，所述环形器的其中双向端口与第一1*2耦合器的输入端口连接；

所述的第一1*2耦合器与开环结构连接；

所述的第一环形器的输出端口依次与偏振控制器、1*2光开关的输入端口连接；

所述的1*2光开关的一个输出端口与光电探测器连接；

所述的1*2光开关的另一个输出端口依次与偏振分束器、平衡探测器连接。

所述的开环光路结构包括第二1*2耦合器、长臂光纤、具有扰偏和电动偏振控制的扰偏器、具有超声信号波形激励的声光调制器AOM、掺铒光纤放大器EDFA、第二环形器、第三环形器、样品探头；

所述的第一1*2耦合器的一个输出端口(记附图中的1*2耦合器左侧端口为输入端口，右侧端口为输出端口)与第二1*2耦合器的一个输入端口连接，所述的第一1*2耦合器的另一个输出端口通过长臂光纤与第二1*2耦合器的另一个输入端口连接；

所述的第二1*2耦合器的输出端口与第二环形器的双向端口连接；

所述的第二环形器的输入端口直接与第三环形器的输出端口连接；

所述的第二环形器的输出端口依次通过声光调制器AOM、掺铒光纤放大器EDFA与第三环形器的输入端口连接；

所述的第三环形器的双向端口与所述样品探头相连。

所述的宽带光源发出的宽带光首先经过第一环形器，然后经过第一耦合器和第二耦合器。两个耦合器构成了干涉仪的长臂和短臂，其中长臂和短臂之间还有长臂光纤、扰偏器等器件。所述的长臂光纤的作用是控制长臂和短臂之间的长度差，扰偏器同时具有扰偏功能和电动偏振控制功能。从第二耦合器出来的光，依次经过第二环形器、EDFA、样品探头、第三环形器，构成一个逆时针的小环路以收集样品的背向散射光。经样品散射的光再次到达第二耦合器的端口，然后再次经过第二耦合器、第一耦合器、环形器和偏振控制器，然后到达1*2光开关。1*2光开关可以选通光电探测器那一路，也可以选通带有偏振分束器PBS的平衡探测器的那一路。

注意到这样的光路可以将光束分成四种情况，包括两次都经过长臂和两次都经过短臂，还有先走长臂后走短臂(沿逆时针方向，称为CCW光)或先走短臂后走长臂(顺时针方向，称为CW光)。由光学低相干原理可知，只有CW光和CCW光两者之间会发生干涉，而任意其它的两束光均不发生干涉。

本实施例所述的光源为宽谱光源，包括但不限于SLED、SLD、LED、ASE。实施例所述的消偏器，包括但不限于Lyot型消偏器。

本实施例利用第一1*2耦合器、第一1*2耦合器构成Sagnac干涉仪的长臂和短臂，并组成Sagnac干涉仪的环路，其中长臂光纤用了一捆长光纤，两个耦合器中间还有一个具有电动偏振功能的扰偏器，其能同时起到扰偏和电控偏振态的作用。

在一个具体实施例中，所述的第二环形器、第三环形器构成的单向光强放大环形回路，从第二耦合器出来的光按照顺序先经过第二环形器的双向端口进入输出端，然后经过声光调制器AOM和掺铒光纤放大器EDFA放大，从第三环形器的输入端口输入，然后经过第三环形器的双向端口输出，经由样品探头收集背向散射光返回光纤，然后再依次经过样品探头，第三环形器、第二环形器返回由第一1*2耦合器、第二1*2耦合器组成的Sagnac环路；

对于Sagnac环路中的顺时针方向的CW光和逆时针方向的CCW光都是如此。

在一个具体的实施例中，从第一环形器的输出端口出射的光，经过一个偏振控制器后，经过偏振分束器分光后，进入平衡探测器，平衡探测器得到的信号包括正输入端口的光强和负输入端口的光强以及正负端口相减放大后得到的差分光强；

所述的光开光用于选通干涉光场进入平衡探测器或光电探测器的任一通道，从而实现合成光强和差分光强探测的按需切换。

所述样品探头采用准直器加透镜的结构聚焦样品，实现携带样品表面超声信息的光信号返回光路。

实施例3

基于实施例1所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法，本实施例提供了一种在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定方法的装置，如图3所示，所述的装置包括宽带光源、消偏器、第一环形器、第一1*2耦合器、具有扰偏、电动偏振控制、超声信号波形激励功能的开环结构、偏振控制器、偏振分束器、1*2光开关、光电探测器、平衡探测器；

所述的宽带光源、消偏器、第一环形器依次相连，所述环形器的输出端口与第一1*2耦合器的输入端口连接；

所述的第一1*2耦合器与开环结构连接；

所述的第一环形器的输出端口依次与偏振控制器、1*2光开关的输入端口连接；

所述的1*2光开关的一个输出端口与光电探测器连接；

所述的1*2光开关的另一个输出端口依次与偏振分束器、平衡探测器连接；

所述的开环光路结构包括长臂光纤、具有扰偏和电动偏振控制的扰偏器、具有超声信号波形激励的声光调制器AOM、样品探头、第二1*2耦合器；

所述的第一1*2耦合器的一个输出端口与第二1*2耦合器的一个输入端口连接，所述的第一1*2耦合器的另一个输出端口通过长臂光纤、扰偏器与第二1*2耦合器的另一个输入端口连接；

所述的第二1*2耦合器的输出端口与声光调制器AOM的任一端口连接；

所述的声光调制器AOM的另一端口与所述样品探头相连。

实施例4

基于实施例1所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法，本实施例提供了一种在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定方法的装置，如图4所示，所述的装置包括光源、消偏器、第一环形器、第一1*2耦合器、具有扰偏、电动偏振控制、超声信号波形激励功能的闭环结构、偏振控制器、偏振分束器、1*2光开关、光电探测器、平衡探测器；

所述的宽带光源、消偏器、第一环形器依次相连，所述环形器的双向端口与第一1*2耦合器的输入端口连接；

所述的第一1*2耦合器与闭环结构连接；

所述的第一环形器的输出端口依次与偏振控制器、1*2光开关的输入端口连接；

所述的1*2光开关的一个输出端口与光电探测器连接；

所述的1*2光开关的另一个输出端口依次与偏振分束器、平衡探测器连接。

所述的闭环光路结构包括长臂光纤、具有扰偏和电动偏振控制的扰偏器、具有超声信号波形激励的声光调制器AOM；

所述的第一1*2耦合器的一个输出端口依次与长臂光纤、扰偏器、声光调制器AOM、第一1*2耦合器的另一个输出端口连接。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (10)

1.一种在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法，其特征在于：所述的方法包括以下：

宽带光源沿着消偏器的快轴或慢轴输入一线偏振光，得到两束不相干且正交的线偏振光；

两束所述的线偏振光输入第一环形器，经过闭环光路结构或者开环光路结构得到逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光；所述的闭环光路结构、开环光路结构均具有扰偏、电动偏振控制、超声信号波形激励的功能；

逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光进行合束形成干涉光场，由第一环形器的输出端口输出；

将光开关选通光电探测器通道，观察合成干涉光场的干涉信号，利用所述的闭环光路结构或开环光路结构的扰偏功能进行调节，并记录扰偏时的最大值和最小值；

在静态的情况下调节电动偏振控制功能，使得合成干涉光场的光强位于扰偏功能工作时的最大值和最小值的正中间位置；所述的静态的情况下是指扰偏功能和超声信号波形激励功能均不工作的情况下；

给一个超声信号波形激励，同时光开关选通平衡探测器通道，利用偏振分束器和平衡探测器进行光强的差分探测，调节偏振控制器，使之满足条件：θ₁-θ₃＝-(θ₂-θ₄)＝±π/2，其中θ₁、θ₂、θ₃、θ₄为未知的自变量，此时干涉条纹对比度达到最大，从而实现最佳控制。

2.根据权利要求1所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法，其特征在于：利用琼斯矢量表达两束不相干且正交的线偏振光，记作o光和e光，表达式如下：

其中，a²+b²＝1，a、b表示琼斯矢量对应的两个分量，并且为实数。

3.根据权利要求2所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法，其特征在于：所述的逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光对入射光的作用效果都是一个幺正矩阵，具有如下形式：

其中，

r₁、r₂为实数；0≤φ₁＜2π，0≤φ₂＜2π。

4.根据权利要求3所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定的方法，其特征在于：按照消偏器分成的两束不相干且正交的线偏振光以及逆时针方向的CCW光和顺时针方向的CW光进行分类，存在四种类型的光，分别如下：

其中，L_CW表示顺时针对应的琼斯矩阵，L_CCW表示逆时针对应的琼斯矩阵，Δs是传感量；

光纤中的琼斯矩阵L和算符RT满足如下对易关系

[RT，L]＝0 (8)

式中，R表示90度旋转算符，

T表示时间反演算符，T＝*，*表示复共轭操作；

线偏振光E₀、线偏振光E_e对应的干涉光场E_o，INT、E_e，INT是CW光和CCW光之和，并且由对易关系可以得到如下关系：

其中，

其中c₁ ²+c₂ ²＝c₃ ²+c₄ ²＝1，c₁≥0、c₂≥0、c₃≥0、c₄≥0，且0≤θ₁≤2π、0≤θ₂≤2π、0≤θ₃≤2π、0≤θ₄≤2π；定义A＝c₁ ²，B＝c₂ ²，且A+B＝1；(12)，(13)式中，总是能够找到至少一个坐标系，使得c₁＝c₃，c₂＝c₄，选定该坐标系作为x，y轴；

把式(12)、式(13)代入式(10)、式(11)中，并且将E_o，INT和E_e，INT投影到所定义的x，y坐标轴上，可得到：

可得光电探测器对应的合成干涉光场和平衡探测器对应的差分光场的表达式：

(I_o，INT，x+I_e，INT，x)+(I_o，INT，y+I_e，INT，y)

＝1+[Acos(θ₁-θ₃)+Bcos(θ₂-θ₄)]cos(Δs) (18)

(I_o，INT，x+I_e，INT，x)-(I_o，INT，y+I_e，INT，y)

＝[-Asin(θ₁-θ₃)+Bsin(θ₂-θ₄)]sin(Δs) (19)

式(18)、式(19)表明，经过消偏器的作用以后，一方面，合成干涉光场的相位被锁定在π，而差分光场的相位被锁定在π/2。

5.一种基于权利1～4任一项所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定方法的装置，其特征在于：所述的装置包括宽带光源，消偏器，第一环形器，第一1*2耦合器，具有扰偏、电动偏振控制、超声信号波形激励功能的闭环结构或具有扰偏、电动偏振控制、超声信号波形激励功能的开环结构，偏振控制器，偏振分束器，1*2光开关，光电探测器，平衡探测器；

所述的宽带光源、消偏器、第一环形器依次相连，所述环形器的双向端口与第一1*2耦合器的输入端口连接；

所述的第一1*2耦合器与闭环结构连接，或所述的第一1*2耦合器与开环结构连接；

所述的第一环形器的输出端口依次与偏振控制器、1*2光开关的输入端口连接；

所述的1*2光开关的一个输出端口与光电探测器连接；

所述的1*2光开关的另一个输出端口依次与偏振分束器、平衡探测器连接。

6.根据权利要求5所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定方法的装置，其特征在于：所述的开环光路结构包括第二1*2耦合器、长臂光纤、具有扰偏和电动偏振控制的扰偏器、具有超声信号波形激励的声光调制器AOM、掺铒光纤放大器EDFA、第二环形器、第三环形器、样品探头；

所述的第一1*2耦合器的一个输出端口与第二1*2耦合器的一个输入端口连接，所述的第一1*2耦合器的另一个输出端口通过长臂光纤与第二1*2耦合器的另一个输入端口连接；

所述的第二1*2耦合器的输出端口与第二环形器的双向端口连接；

所述的第二环形器的输入端口直接与第三环形器的输出端口连接；

所述的第二环形器的输出端口依次通过声光调制器AOM、掺铒光纤放大器EDFA与第三环形器的输入端口连接；

所述的第三环形器的双向端口与所述样品探头相连。

7.根据权利要求5所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定方法的装置，其特征在于：所述的开环光路结构包括长臂光纤、具有扰偏和电动偏振控制的扰偏器、具有超声信号波形激励的声光调制器AOM、样品探头、第二1*2耦合器；

所述的第一1*2耦合器的一个输出端口与第二1*2耦合器的一个输入端口连接，所述的第一1*2耦合器的另一个输出端口通过长臂光纤、扰偏器与第二1*2耦合器的另一个输入端口连接；

所述的第二1*2耦合器的输出端口与声光调制器AOM的任一端口连接；

所述的声光调制器AOM的另一端口与所述样品探头相连。

8.根据权利要求5所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定方法的装置，其特征在于：所述的闭环光路结构包括长臂光纤、具有扰偏和电动偏振控制的扰偏器、具有波形激励的声光调制器AOM；

所述的第一1*2耦合器的一个输出端口依次与长臂光纤、扰偏器、声光调制器AOM、第一1*2耦合器的另一个输出端口连接。

9.根据权利要求6所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定方法的装置，其特征在于：所述的第二环形器、第三环形器构成的单向光强放大环形回路，从第二耦合器出来的光按照顺序先经过第二环形器的双向端口进入输出端，然后经过声光调制器AOM和掺铒光纤放大器EDFA放大，从第三环形器的输入端口输入，然后经过第三环形器的双向端口输出，经由样品探头收集背向散射光返回光纤，然后再依次经过样品探头，第三环形器、第二环形器返回由第一1*2耦合器、第二1*2耦合器组成的Sagnac环路；

对于Sagnac环路中的顺时针方向的CW光和逆时针方向的CCW光都是如此。

10.根据权利要求6～9任一项所述的在非保偏的Sagnac型干涉仪中实现π/2初始相位差锁定方法的装置，其特征在于：从第一环形器的输出端口出射的光，经过一个偏振控制器后，经过偏振分束器分光后，进入平衡探测器，平衡探测器得到的信号包括正输入端口的光强和负输入端口的光强以及正负端口相减放大后得到的差分光强；

所述的光开光用于选通干涉光场进入平衡探测器或光电探测器的任一通道，从而实现合成光强和差分光强探测的按需切换。

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