CN115371959A - 一种保偏光纤五指旁瓣特征值定轴法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保偏光纤五指旁瓣特征值定轴法。将五指型光强分布曲线的两个旁瓣的波峰波谷作为特征点,设其中一个旁瓣波峰的相对光强值为t1,波谷的相对光强值为t2;另一旁瓣波峰的相对光强值为t3,波谷的相对光强值为t4,令旁瓣特征值T=t1+t2‑t3‑t4,旁瓣特征值T接近零时,五指型光强分布曲线接近对称,也就是旁瓣特征值T接近零时的偏振方位角的方向为保偏光纤慢轴的方向,与保偏光纤慢轴垂直的方向为保偏光纤块轴的方向,此时偏振方位角θ=0°。该方法能够实现精确定轴且数据采集点少,图像处理简单,定轴精度高,定轴精度达0.5°。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域,涉及一种保偏光纤五指旁瓣特征值定轴法。
背景技术
保偏光纤对于线偏振光有着良好的保持偏振能力,在相干通信和光纤传感领域得到广泛应用。如何准确探测保偏光纤的偏振方位角实现精确定轴具有重要意义。
国内外科研人员对保偏光纤的定轴提出了多种方案,根据通光和观测方向可分为端面成像和侧视成像两大类。
基于端面成像的主要有消光比法、光弹效应法和白光干涉法,上述方法检测设备复杂、易受环境干扰,操作难度大。
爱立信公司的基于侧视成像PO(Poarization of Observation by ens-effectTracing)法,该方法已在光纤熔接机上得到应用,但在0°或90°附近时定轴精度有待提高,国内科研人员不断探索新的方法,包括五点特征值法和五指型九点特征值法,其通过增加特征点,提高在0°或90°精度,但其数据采集点多,图像处理复杂,数据处理不够简便。
发明内容
为了解决现有技术保偏光纤定轴方法中快轴θ=0°或慢轴θ=90°附近时定轴精度不高,图像处理复杂,数据处理烦琐的问题,本发明提供一种保偏光纤五指旁瓣特征值定轴法,将侧视成像法的五指型光强曲线的两个旁瓣的光强作为特征点进行数据分析,计算其旁瓣特征值T以旁瓣特征值定轴,该方法能够实现精确定轴且数据采集点少,图像处理简单,定轴精度高。
本发明的技术方案是:一种保偏光纤五指旁瓣特征值定轴法,包括以下步骤:
第一步,准备保偏光纤:将光纤中间部分的涂覆层剥除,得到裸保偏光纤作为待定轴保偏光纤;
第二步,获取图像:使用非相干平行光侧照到待定轴保偏光纤上,在待定轴保偏光纤的观测面上形成光强分布图像;
第三步,图像处理:通过显微镜将第二步获取的光强分布图像放大后,用CCD相机记录下此时待定轴保偏光纤的光强分布图像,并将光强分布图像传送至数据处理器;
第四步,获得光强分布曲线:数据处理器将接收到的经过放大的光强分布图像进行数值化处理,经过处理后的光强分布图像上的各点变成待定轴保偏光纤内部各部位相对光强值,光强分布图像转化为光强分布曲线;
第五步,采集数据:调整待定轴保偏光纤的偏振方位角,观察光强分布曲线变化,当光强分布曲线呈现五指型分布时开始以固定的间隔调整待定轴保偏光纤的偏振方位角,得到一系列光强分布曲线,将所有的光强分布曲线作序号标记;
第六步,数据分析:将光强分布曲线的两个旁瓣的波峰波谷作为特征点,设其中一个旁瓣的波峰Ⅰ的相对光强值为t1,波谷Ⅰ相对光强值为t2;另一旁瓣的波峰Ⅱ的相对光强值为t3,波谷Ⅱ的相对光强值为t4,共4个特征点,分别为t1、t2、t3、t4,令旁瓣特征值T=t1+t2-t3-t4,计算出第五步所采集的不同偏振方位角对应的光强分布曲线的旁瓣特征值T,绘制出不同偏振方位角和旁瓣特征值T的离散型实验曲线,此时的离散型实验曲线的纵坐标是旁瓣特征值T,横坐标是光强分布曲线的序号标记;
第七步,定轴:第六步所得的离散型实验曲线上距离旁瓣特征值T等于零时最近的点所对应的光强分布曲线的偏振方位角为待定轴保偏光纤慢轴的方向,与待定轴保偏光纤慢轴垂直的方向为待定轴保偏光纤快轴的方向;令此时的偏振方位角θ=90°,以此为基准,推算每一条光强分布曲线所对应的偏振方位角的θ值,将离散型实验曲线的横坐标改为偏振方位角的度数。
在上述技术方案中,按以下方法获取图像:将待定轴保偏光纤固定在夹具上,夹具上装有电机进行保偏光纤旋转和升降,用以调整偏振方位角和调节待定轴保偏光纤观测面的位置,非相干平行光源发出非相干平行光侧照到待定轴保偏光纤上,侧照光从待定轴保偏光纤的侧面入射,经过待定轴保偏光纤的应力区Ⅰ、应力区Ⅱ、纤芯和包层,光线在待定轴保偏光纤内各区域的分界面发生折射和反射,在光纤纤芯的观测面上形成光强分布图像,完成获取图像;光线穿过纤芯、应力区Ⅰ和应力区Ⅱ的虚线为待定轴保偏光纤的慢轴方向,虚线与非相干平行光的夹角为偏振方位角。
在上述技术方案中,按以下方法采集数据:调整偏振方位角,当光强分布曲线呈现五指型时,开始按以下方法采集数据:调节电机的电动旋转夹,调整待定轴保偏光纤的偏振方位角,以0.5°为间隔进行变化,得到了一系列的光强分布曲线。
本发明的有益效果是:本发明以旁瓣特征值T为判断基础提出了一种新的定轴方法,称为五指旁瓣特征值定轴法,其实验精确角度可达0.5°,与POL法相比较,在90°或0°附近的特征值变化幅度明显偏大,因此定轴灵敏度高,特别适合对定轴精度要求高的情况。
五点特征值法每条光强曲线需取五个特征点,九点特征值法每条光强曲线需取九个特征点,与五点特征值法和五指型九点特征值法相比,本发明的五指旁瓣特征值定轴法所需数据采集点少,数据处理量明显减少,图像处理简单,信息处理速度更快。
附图说明
图1为本发明获取图像示意图;
图2为本发明实验装置示意图;
图3为本发明的五指旁瓣特征值法光强分布曲线图;
图4为本发明偏振轴方位角和旁瓣特征值关系图;
图5为本发明与POL法、五点特征值法的光强特征值对比曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不限定本发明。
一种保偏光纤五指旁瓣特征值定轴法,按如下步骤操作:
第一步,准备保偏光纤:选用熊猫型保偏光纤,使用光纤剥线钳将光纤中间部分的涂覆层剥除,得到裸保偏光纤作为待定轴保偏光纤5。
第二步,获取图像:如图1、图2所示,待定轴保偏光纤5固定在夹具10上,夹具10上装有电机11进行保偏光纤旋转和升降,以调整偏振方位角4和调节待定轴保偏光纤5观测面7的位置,非相干平行光源1发出非相干平行光2侧照到待定轴保偏光纤5上,侧照光从待定轴保偏光纤5的侧面入射,每根待定轴保偏光纤5包括应力区Ⅰ61、应力区Ⅱ62、纤芯63和包层64,因待定轴保偏光纤5应力区Ⅰ61、应力区Ⅱ62、纤芯63和包层64的折射率不同,光线在光纤内各区域的分界面发生折射和反射,待定轴保偏光纤5起到柱面透镜的作用,穿过纤芯和两个应力区的虚线3为保偏光纤慢轴方向,虚线3与非相干平行光2的夹角为偏振方位角4,此时在待定轴保偏光纤5的观测面7上形成光强分布图像,完成获取图像;
第三步,图像处理:通过显微镜8将第二步获取的光强分布图像放大后,CCD相机9进行图像采集,CCD相机9记录下此时待定轴保偏光纤5的光强分布图像,初次图像比较模糊,需要调节观测面距离,在观测面距离为143μm时,调整偏振方位角4,可得到清晰的光强分布图像;
第四步,获得光强分布曲线:CCD相机9采集到的图像会有光学畸变、电子噪声、随机噪声等,数据处理器12接收到CCD相机9采集到的图像后,通过Hacon机器视觉软件对原始图像进行灰度化处理和中值滤波,对获得的图像进行光强数值化处理,经过处理后的图像的光强值变成待定轴保偏光纤5内部各部位相对光强值,提取出光强分布曲线,光强分布曲线显示在数据处理器显示屏上,纵坐标表示相对光强值,横坐标表示光纤内部位置;
第五步,采集数据:对于保偏光纤,理论上讲,偏振方位角4θ=90°的方位是待定轴保偏光纤5的慢轴方向,此时的光强分布曲线是对称的五指型,因此光强分布曲线仅在偏振方位角4为90°附近才呈现明显的五指型;重复前三步,调整偏振方位角4,获取不同方位的光强分布曲线,当光强分布曲线呈现清晰的如图3所示五指型时,开始按以下方法采集数据:调节电机11的电动旋转夹,调整待定轴保偏光纤5偏振方位角4,以0.5°为间隔进行变化,得到了一系列的光强分布曲线,将所有的光强分布曲线作序号标记;
第六步,数据分析,计算旁瓣特征值T:取光强分布曲线左右旁瓣四个特征点,设其中一个旁瓣波峰Ⅰ01的相对光强值为t1,波谷Ⅰ02的相对光强值为t2;另一旁瓣波峰Ⅱ03的相对光强值为t3,波谷Ⅱ04的相对光强值为t4,令旁瓣特征值T=t1+t2-t3-t4;计算不同方位的旁瓣特征值T,表1列举部分不同方位的四个特征点值及旁瓣特征值T;将所有旁瓣特征值T在坐标系中绘制成实验曲线,此时的离散型实验曲线的纵坐标是旁瓣特征值T,横坐标是光强分布曲线的序号标记;
表1:不同方位的四个特征点值以及旁瓣特征值T
偏振方位角 | t1 | t2 | t3 | t4 | T |
89° | 6.56 | 5.32 | 6 | 7.02 | -1.14 |
89.5° | 6.55 | 5.33 | 5.73 | 7.03 | -0.88 |
90° | 6.74 | 5.56 | 5.60 | 6.75 | -0.05 |
90.5° | 7.01 | 5.74 | 5.30 | 6.56 | 0.89 |
91° | 7.03 | 6.03 | 5.33 | 6.57 | 1.16 |
第七步,定轴:由于保偏光纤在制备时的应力区Ⅰ61、应力区Ⅱ62的折射率难以完全一致,导致在本实验中光强分布曲线难以完全对称,即五指型光强分布曲线的旁瓣特征值T难以等于零,因此在实际测试过程中,选取旁瓣特征值T最接近零的光强分布曲线所对应的偏振方位角4的方向为待定轴保偏光纤5慢轴的方向,此时偏振方位角4θ接近90°;与待定轴保偏光纤5慢轴垂直的方向为待定轴保偏光纤5快轴的方向;令待定轴保偏光纤5慢轴的方向θ=90°,以此为基准,推算每一条光强分布曲线所对应的偏振方位角4的θ值,绘制出旁瓣特征值T与偏振方位角4对应关系的实验曲线,用Tracepro软件模拟相同条件下的仿真计算曲线,图4记录了瓣特征值T与偏振方位角4之间的对应关系,虚线为实验曲线,实线为相同条件下的仿真计算曲线,由图4可以看出,实际实验所确定的保偏光纤慢轴与模拟计算出的慢轴方向相差很小,因此用五指旁瓣特征值法定轴是可靠的。
一般用90°附近特征值的变化量来评价定轴方法的灵敏度,在同样的偏振方位角变化范围内,特征值变化量越大,说明定轴灵敏度越高。在图5中,将本发明与POL法、五点特征值法的光强特征值对比,在90°或0°附近的特征值变化幅度明显偏大;根据表1中的数据可以算出,在89°到91°之间,本发明旁瓣特征值T的变化量为2.3,而五点特征值法和POL法的变化量在图5中几乎不可分辨;从曲线的波动程度看,在89.5°到90.5°之间,也就是慢轴方向附近,POL法和五点特征法特征值的曲线平缓,而旁瓣特征值的曲线有明显的波动,也就是说,在90°附近,旁瓣特征值T的光强特征值变化量比POL法和五指型特征值法的变化量大,因此灵敏度高。本发明以旁瓣特征值T为判断基础提出了一种新的定轴方法,称为五指型旁瓣特征值定轴法,由于实验中可取最小旋转间隔是0.5°,因此其实验精确角度可达0.5°。
Claims (3)
1.一种保偏光纤五指旁瓣特征值定轴法,其特征在于:包括以下步骤:
第一步,准备保偏光纤:将光纤中间部分的涂覆层剥除,得到裸保偏光纤作为待定轴保偏光纤(5);
第二步,获取图像:使用非相干平行光(2)侧照到待定轴保偏光纤(5)上,在待定轴保偏光纤(5)的观测面(7)上形成光强分布图像;
第三步,图像处理:通过显微镜(8)将第二步获取的光强分布图像放大后,用CCD相机(9)记录下此时待定轴保偏光纤(5)的光强分布图像,并将光强分布图像传送至数据处理器(12);
第四步,获得光强分布曲线:数据处理器(12)将接收到的光强分布图像进行数值化处理,经过处理后的光强分布图像上的各点变成待定轴保偏光纤(5)内部各部位相对光强值,光强分布图像转化为光强分布曲线;
第五步,采集数据:调整待定轴保偏光纤(5)的偏振方位角(4),观察光强分布曲线变化,当光强分布曲线呈现五指型分布时开始以固定的间隔调整待定轴保偏光纤(5)的偏振方位角(4),得到一系列光强分布曲线,将所有的光强分布曲线作序号标记;
第六步,数据分析:将光强分布曲线的两个旁瓣的波峰波谷作为特征点,设其中一个旁瓣的波峰Ⅰ(01)的相对光强值为t1,波谷Ⅰ(02)相对光强值为t2;另一旁瓣的波峰Ⅱ(03)的相对光强值为t3,波谷Ⅱ(04)的相对光强值为t4,共4个特征点,分别为t1、t2、t3、t4,令旁瓣特征值T=t1+t2-t3-t4,计算出第五步采集的不同偏振方位角(4)对应的光强分布曲线的旁瓣特征值T,绘制出不同偏振方位角(4)和旁瓣特征值T的离散型实验曲线,此时的离散型实验曲线的纵坐标是旁瓣特征值T,横坐标是光强分布曲线的序号标记;
第七步,定轴:第六步所得的离散型实验曲线上距离旁瓣特征值T等于零时最近的点所对应的偏振方位角的方向为待定轴保偏光纤(5)慢轴的方向,与待定轴保偏光纤(5)慢轴垂直的方向为待定轴保偏光纤(5)快轴的方向;令待定轴保偏光纤(5)慢轴方向对应的偏振方位角(4)θ=90°,以此为基准,推算每一条光强分布曲线所对应的偏振方位角(4)的θ值,将离散型实验曲线的横坐标改为偏振方位角的度数。
2.如权利要求1所述的一种保偏光纤五指旁瓣特征值定轴法,其特征在于:按以下方法获取图像:
将待定轴保偏光纤(5)固定在夹具(10)上,夹具(10)上装有电机(11)进行保偏光纤旋转和升降,用以调整偏振方位角(4)和调节待定轴保偏光纤(5)观测面(7)的位置,非相干平行光源(1)发出非相干平行光(2)侧照到待定轴保偏光纤(5)上,侧照光从待定轴保偏光纤(5)的侧面入射,经过待定轴保偏光纤(5)的应力区Ⅰ(61)、应力区Ⅱ(62)、纤芯(63)和包层(64),光线在待定轴保偏光纤(5)内各区域的分界面发生折射和反射,在待定轴保偏光纤(5)的观测面(7)上形成光强分布图像,完成获取图像;光线穿过纤芯(63)、应力区Ⅰ(61)和应力区Ⅱ(62)的虚线(3)为待定轴保偏光纤(5)的慢轴方向,虚线(3)与非相干平行光(2)的夹角为偏振方位角(4)。
3.如权利要求1所述的一种保偏光纤五指旁瓣特征值定轴法,其特征在于:按以下方法采集数据:调整偏振方位角(4),当光强分布曲线呈现五指型时,开始按以下方法采集数据:调节电机(11)的电动旋转夹,调整待定轴保偏光纤(5)的偏振方位角(4),以0.5°为间隔进行变化,得到了一系列的光强分布曲线。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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