专利名称：消光比及有关参数的测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学测量技术领域，特别涉及使用可控旋转起偏器和电子电路运算测量光的偏振特性的测量装置。
背景技术：
光偏振相关参数对光束或光信号的影响非常重大，光偏振消光比(ER)特性是衡量光纤系统和光信息传输相关系统性能的重要参数；会直接影响这些设备的运行。
消光比是描述偏振光在不同方向上的偏振程度，是光学元器件或光学设备偏振相关性能好坏的重要参数。消光比通过光束主偏振方向光强和与主偏振方向垂直方向的光强的比值来确定，具体公式为ER＝101g(Pmax/Pmin)其中ER是以dB为单位的消光比值，Pmax最强光信号强度，Pmin最小光信号强度；101g为以10为底对括号中的数求对数的10倍；光束的传播会受到其偏振特性的影响；一束自然光11的偏振特性是各个方向偏振分量完全相同，当其通过起偏器12的时候，无论起偏器转动到任何角度，它通过起偏器以后的光的强度都相同，所以以dB为单位的消光比的值ER为零，如图1所示。
在光信息传输技术领域，所使用的光通常都具有偏振特性，当光具有了偏振特性，在它通过起偏器的时候，随着起偏器主轴方向的不同，通过的光强度会发生变化。如果是一束理想的线偏振光21，在它通过起偏器22的时候，当光的振动方向平行于起偏器22的主轴23方向(平行纸面的方向)，则透过起偏器光强最大，如图2所示；如果线偏振光31振动方向(平行纸面的方向)垂直于起偏器32的主轴方向33(垂直纸面的方向)，则透过起偏器的光强为零如图3所示。
通常来说，现实中的线偏振光不存在上述的理想状态，在通过起偏器的时候，在主偏振方向垂直于起偏器的主轴方向的时候，透过光强不可能为零；也就是说现实中的线偏振光，在其垂直主振动方向上总是会有在这个方向上的光强存在。因此，线偏振光主振动方向平行于起偏器时透过起偏器的光强，与垂直透过时的强的比值就是这束线偏振光的消光比。多数情况下，线偏振光在垂直主振动方向上都会有一定的光强，随着这个方向上的光强与主振动方向的光强相对值的增减，产生不同的消光比。
在实际情况中，很多时候偏振光是呈椭圆偏振态出现，在椭圆偏振态的情况下，其消光比由椭圆的长轴和短轴之比来确定；对于椭圆偏振态的一个特例——圆偏振态，其长短轴的比值为1，所以，其以dB为单位的消光比和自然光一样为零。
目前常用的测量消光比的方法，主要通过搭建一个临时系统来测量，该测量系统的结构如图4所示，包括一个可手工转动的起偏器42，一个光电探测器43，一个毫伏表45。这三个器件均设置在同一光轴上并依次排列。
其主要测量过程包括以下步骤1、入射光41穿过起偏器42入射到光电探测器43上，光电探测器43产生一个对应的电信号44，在毫伏表45上显示出对应的信号强度；2、手工往复转动起偏器42，人眼观察毫伏表43的数值变化，选择最大值Pmax抄录下来；3、再次转动起偏器42，人眼观察毫伏表(43的数值变化，选择最小值Pmin抄录下来；4、通过公式ER＝101g(Pmax/Pmin)，手工计算出消光比值ER。
这种测量方法有如下缺点1、测量时间长需要反复旋转起偏器，并通过抄录的方式记录；2、测量精度低手工转动和毫伏表的误差均会造成测量误差；同时开放的系统也会受到各种外界因素的干扰，使得测量重复精度降低；3、系统不易移动由于是搭建的系统，通常集成性很差，无法整体搬动，不利于随时随地的测量要求；4、只能单一测量消光比参数。
发明内容
本实用新型的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种消光比及有关参数的测量装置，该装置不但可以快速、准确地测量光学零件、光学系统和光学设备的消光比参数；还可同时测量出其它参数，且具有结构紧凑，可独立工作，操作简便，便于移动的特点。
本实用新型设计的消光比及有关参数的测量装置，其特征在于，该装置包括一个整体机箱，在所述机箱上安装有用户界面，该界面包括让使用者操控该装置的控制机构、显示测量信息及设置信息的显示装置和光输入端口；在该机箱内安装有一可控旋转的起偏器及其控制电路、光电探测器、放大电路、A/D转换电路、CPU运算电路、数据存储器，以及电源电路和外围接口电路；各器件的连接关系为所述起偏器和光电探测器依次设置在光输入端口内侧，所述A/D转换电路设置在该光电探测器的输出端，所述控制电路、数据存储器，电源电路、外围接口电路，以及显示装置和控制机构均分别与所述CPU运算电路相连。
本实用新型的主要特点及效果1、本实用新型为用户提供了一个方便快捷的消光比测试工具，且具有结构紧凑，可独立工作，操作简便，便于移动的特点。
2、直接显示消光比结果；本装置通过运算电路，可以将被测光由于起偏器的旋转产生的光强变化逐一记录下来，经过比较、分析和运算，可以把消光比数值直接显示在屏幕上；这就充分解决了目前光电子领域所采用的方法存在的精度低、重复精度低、测量速度慢、使用不方便等问题。
3、精度高；由于采用了电路直接运算和起偏器自动旋转，可以获得很高的测量精度；还可以自行设定测量精度，从而可以在保证测量需求的情况下，选择最快的测量速度。
4、多种测量模式，用户可以根据自己的需要，设定工作模式和测量模式，可得到所需要的消光比数值以及光主偏振方向、光功率等其它参数。
5、通过采用宽波段起偏器件，本装置可以在1310nm和1550nm两个光波长通用。
图1为一束自然光通过起偏器示意图；图2为一束理想线偏振光通过起偏器示意图，此时其偏振方向与起偏器主轴方向平行；图3为一束理想线偏振光通过起偏器示意图，此时其偏振方向与起偏器主轴方向垂直；图4为目前常用的测量消光比参数的光学装置示意图；图5为本实用新型外形示意图；图6为本实用新型内部组成结构及工作原理图；图7为本实用新型控制面板实施例布局图。
图8为本实用新型可旋转起偏器示意图；具体实施方式
本实用新型的上述内容结合附图及实施例进一步详细说明如下本实用新型设计的消光比及有关参数的测量装置，组成结构如图5、6所示，本装置包括一个整体机箱51，在机箱的前面板上安装有由显示屏52、控制面板53和光输入端口54组成的用户界面，如图5所示。在机箱内安装一机械装置盒61和一电路板62，其中，机械装置盒61内安装一具有旋转支架的起偏器、光电探测器、与该旋转支架相连的电动机。起偏器和光电探测器共轴排列放置在机械装置盒61内与光输入端口54连接。电路板62上安装有控制起偏器旋转的电路，信号放大电路、A/D转换电路，以及由CPU运算电路、数据存储器，以及电源电路和外围接口电路，如图6所示。
本装置的各部分器件的功能及实施例分别说明如下机械装置盒用来将被测光不断变换方向进行起偏，并转换成电信号；其中起偏器的实施例采用普通商用产品(1260～1600nm偏振片)，它放置在一由电动机驱动的可旋转支架上，用于对被测光不断变换方向进行起偏；电动机的实施例采用微型电动机(HennkwellHG37C系列直流电机)，用于带动与其相连的旋转支架转动；光电探测器的实施例采用(InGaAs光电探测器)，用于接收通过起偏器后的光信号，并将光信号转换成电信号。
电路板用来接收探测信号，并将数据存储和运算，同时可以接受控制信号的设置，并控制电机的运转；其中信号放大电路的实施例采用常规的线性放大电路或对数放大电路，A/D转换电路的实施例采用(利用Cygnal公司C8051系列自带A/D)，用于将光电探测器输出的模拟电信号转换成数字信号；CPU运算电路的实施例采用(Cygnal公司C8051系列)，电机控制电路的实施例采用(National Semiconductor驱动芯片按常规设计的控制电路)，可以由用户通过设定，选择测量精度；同时还可以选择测量模式；存储电路的实施例采用(Winbond M28F)；电源电路的实施例采用常规电路，用于为整个装置供电；外围接口电路的实施例采用基于RS232、USB和以太网接口的常规电路，可以将有关测量数据输出到其他显示设备或者提供给其他控制机构利用这些数据进行其他有用的控制。
本实用新型前面板上的用户界面的光输入端口的实施例采用光纤，用来将被测光输入到机械装置盒当中。显示屏的实施例采用一个条形商用LCD显示屏(YUSUNG HY系列82.8mm×18.4mm)用来显示测量和设置数据；控制面板上安装的控制机构的实施例采用控制信号输入按键(采用常规产品)构成的控制装置和调节装置，通过按键对整个测量装置进行设置，并控制测量过程。
本实用新型的用户界面布局实施例如图7所示，控制面板70为长方形，其中，一个条形LCD显示屏71设置在面板的中部上方；一个电源开关72和一个电源指示灯73安装在面板的左部下方；光输入端口74，用来插入光纤接头将被测光输入机箱中；由九个功能按键组成的控制信号的控制装置75位于面板中部下方，用来选择整个装置的设置和工作模式；四个调节按键组成的调节装置76，用来与功能按键配合调整设置的具体数值。
上述各个按键使用方式如下POWER键接通/断开电源。
AUTO键按AUTO键，进入自动采集模式，在液晶屏上可显示每个周期的消光比值ER，相对角度值θ，参考角度值θr，光功率值P。
CYCLE键为n圈求平均值的工作模式键，n可以通过调节按键来设定。对n圈的ER，θ，P求平均值，此模式下可以降低部分噪声的影响。
操作过程按下CYCLE键，通过调节按键设定要取平均值的圈数(最多100圈)，然后按ENTER键，进入CYCLE工作模式。
MANUAL键按下此键进入手工设定角度测量瞬时值的模式。先通过调节按键设定要测角度的值，然后每按一次ENTER键，测量的角度增加一次，同时液晶屏显示一次。
REF键设置参考角度，以所设定的角度作为相对零点。
STOP键停止正在进行的测试。
STORE键存储当前显示屏上的数据，最多可存储15条。
RECALE键查看已存储的记录，按确定键后起偏器转到相应的位置。
STORE和RECALL键的操作相同按下按键后，通过调节按键设定存储/查看的记录的号(ID号)，然后确认即可。
SPEED键用来选择电机速度，通过调节按键的上、下键修改，选择后按ENTER。共有4种速度可以选择0.1S，0.2S，0.4S，1.0S。速度对精度会有一定影响，速度越快，精度相对要低。
四个调节按键左、右按键用来移动光标，选择需要调节的数值；上下按键用来增减所选定的数值。
本实用新型的可旋转支架的实施例的具体结构如图8所示，包括一支撑架81，在该支架上安装有轴承82和电动机83，在轴承上安装有可装夹偏振片的从动齿轮84，带有一与从动齿轮相配合的主动齿轮85，该主动齿轮套固在电动机的主轴上。
本实用新型有三种工作模式(1)AUTO模式AUTO模式下起偏器开始旋转同时以15KHz的采样率进行数据采集，当完成一个周期时计算并显示一次ER，Angle，Power；然后继续进行下一周期的采集。
在进入此模式前，可以通过SPEED来选择电机速度，还可以通过REF来设定参考角度。要停止时按STOP键。
(2)CYCLE模式CYCLE模式下通过调节按键设定了要求平均值的圈数n后，按ENTER键，起偏器开始旋转同时开始数据采集，并记录每个周期的最大值和最小值，当完成n个周期后计算并显示一次平均值；以后，每完成一个周期都计算和显示一次平均值，这个平均值是该周期以前的n个周期的平均。通过求平均值的方法可以降低部分噪声的影响。
在进入此模式前，可以通过SPEED来选择电机速度，还可以通过REF来设定参考角度。要停止此模式按STOP键。
(3)MANUAL模式在MANUAL模式下，通过调节按键设定了每次要转过的角度后，按ENTER键，起偏器转过一圈，在此过程中记录下设定角度处的瞬时值和这个周期的最小值，然后计算并显示。当再次按下ENTER键时，重复以上过程，只是瞬时值时在原来角度的基础上增加一次设定的角度。
在进入此模式前，可以通过SPEED来选择电机速度，还可以通过REF来设定参考角度。
本实用新型的工作过程如下1、被测光由光纤引入机箱内通过起偏器，进入到光电探测器；2、电动机由电动机控制电路控制工作并通过旋转支架使起偏器旋转一周或一周以上，从而使光电探测器测到的光强随被测光的偏振而发生变化；3、光电探测器产生一个与光强相对应的模拟电信号；此信号通过A/D转换电路转换成数字电信号输入到CPU运算电路；4、CPU运算电路将这些电信号的信息分成若干数量的点逐一记录，并存入数据存储器中，并记录下各点电信号对应的光的强度，也存入数据存储器中；5、CPU运算电路将存储器的光信号强度逐一比较，从中选出强度最大的光信号和强度最小的光信号；
6、CPU运算电路按照消光比计算公式计算出消光比数值，并显示在显示屏上7、在运算出消光比值的同时，CPU运算电路通过提取电动机上提取的信号，判断出最大光强所对应的旋转角度，从而计算出被测光束的主偏振方向，并显示在显示屏上。
本实用新型的主要用途之一，是可以在少于1秒的时间内，准确测量出输入光束的消光比；具体工作过程如下1、输入光通过可旋转起偏器，进入光电探测器，光电探测器接收后产生一个电信号2、电动机带动可旋转起偏器转动一周；光电探测器依次将接收到的不同强度的光信号转变成对应强度的电信号；3、光电探测器后的电路将将电信号按极短间隔时段逐点转换成数字信号并存储记录；4、运算电路对所有电信号进行比较，选出最大值和最小值；根据公式ER＝101g(Pmax/Pmin)计算出消光比值；5、显示电路实时将消光比值显示在显示屏上；本实用新型的主要用途之二，是能够在测量输入光的消光比值的同时，测定输入光的主偏振方向，其工作过程如下1、在以上测量步骤第三项，存储数字信号的同时，记录每一个信号所对应的起偏器旋转角度；2、选择信号最大值所对应的角度，并显示在显示屏上；本实用新型的主要用途之三，是能够在测量输入光的消光比值的同时，测定输入光的主偏振方向，其工作过程如下1、在进行到主要用途之一的第4步的时候，计算出光功率值；2、显示电路实时将光功率值显示在显示屏上；
权利要求1.一种消光比及有关参数的测量装置，其特征在于，该装置包括一个整体机箱，在所述机箱上安装有用户界面，该界面包括让使用者操控该测量装置的控制机构、显示测量信息及设置信息的显示装置和光输入端口；在该机箱内安装有一可控旋转的起偏器及其控制电路、光电探测器、放大电路、A/D转换电路、CPU运算电路、数据存储器，以及电源电路和外围接口电路；各器件的连接关系为所述起偏器和光电探测器依次设置在光输入端口内侧，所述A/D转换电路设置在该光电探测器的输出端，所述控制电路、数据存储器，电源电路、外围接口电路，以及显示装置和控制机构均分别与所述CPU运算电路相连。
2.如权利要求1所述的消光比及有关参数的测量装置，其特征在于，可控旋转的起偏器由一电动机，旋转支架和偏振片或晶体起偏镜所组成，其中，所述电动机与旋转支架相连，所述偏振片固定在旋转支架上。
3.如权利要求1所述的消光比及有关参数的测量装置，其特征在于，所述控制机构包括控制装置和调节装置；所述控制装置可用来进入自动采集模式、进入n圈求平均值的工作模式、手工设定角度测量瞬时值模式、设置参考角度、停止正在进行的测试、存储当前显示屏上的数据、查看已存储的记录、选择电机速度、确认当前设置；所述的调节装置用来与控制装置配合调整设置的具体数值。
4.如权利要求1所述的消光比及有关参数的测量装置，其特征在于，所述显示装置、控制装置、可控旋转起偏器、光电探测器、供电电源电路均可通过线缆与整体机箱从外部连接。
5.如权利要求1所述的消光比及有关参数的测量装置，其特征在于，所述的放大电路为线性放大电路。
6.如权利要求1所述的消光比及有关参数的测量装置，其特征在于，所述的放大电路为对数放大电路。
7.如权利要求1所述的消光比及有关参数的测量装置，其特征在于，所述的起偏器使用的偏振片或晶体起偏镜采用波长范围在1260～1600nm之间的偏振片。
8.如权利要求1所述的消光比及有关参数的测量装置，其特征在于，所述的起偏器使用的偏振片或晶体起偏镜采用波长范围在1260～1600nm之间的晶体起偏镜。
专利摘要本实用新型涉及消光比及有关参数的测量装置，属于光学测量技术领域。该装置包括一个整体机箱，在所述机箱上安装有用户界面，该界面包括控制机构、显示装置和光输入端口；在该机箱内安装有一可控旋转的起偏器及其控制电路、光电探测器、放大电路、A/D转换电路、CPU运算电路、数据存储器，以及电源电路和外围接口电路；其中起偏器和光电探测器依次设置在光输入端口内侧，A/D转换电路设置在该光电探测器的输出端，控制电路、数据存储器，电源电路、外围接口电路，以及显示装置和控制机构均分别与所述CPU运算电路相连。该装置不但可以快速、准确地测量消光比参数和其它参数，且具有结构紧凑，可独立工作，操作简便，便于移动的特点。
文档编号G01J4/00GK2911623SQ20062000830
公开日2007年6月13日 申请日期2006年3月17日 优先权日2006年3月17日
发明者姚晓天 申请人:北京高光科技有限公司