空间偏振光消光比测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种空间偏振光消光比测量装置及方法，涉及空间偏振光消光比测量领域，该测量装置包括光分路器、光功率测量系统、消光比测量系统、信号处理系统和数据接口显示系统，光分路器分别与光功率测量系统、消光比测量系统相连，光功率测量系统、消光比测量系统均与信号处理系统相连，信号处理系统与数据接口显示系统相连；消光比测量探头与消光比测量主机分离。本发明中测量装置的结构简单、成本低、测量结果稳定，既能测量空间偏振光消光比，又能测量光纤内的偏振光消光比。
【专利说明】空间偏振光消光比测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间偏振光消光比测量领域，具体是涉及一种空间偏振光消光比测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]PER (Polarizat1n Extinct1n Rat1n,偏振消光比)是指沿偏振主态方向分解的两个正交偏振分量之间大小关系，对于光源来说，消光比越高，输出光越接近线偏振光。对于偏振器来说，消光比越高，将输入光变成线偏振光的能力越强。对保偏光纤耦合来说，消光比是用来表征偏振光藕合到各种元器件时的藕合质量的，在耦合过程中，少量的偏振光强不可避免地会出现在非入射轴向上，这称为偏振交叉对话效应，消光比就是用来对其量化的。消光比越大，藕合质量就越好。
[0003]消光比特性参数的测量主要采用旋转偏振器法，假设偏振器的消光比足够高，大于光源的消光比，并且可以连续旋转。当偏振器的起偏方向与输入光偏振主态方向重合时，功率计探测到的最大功率为Pmax ;当偏振器的起偏方向与输入光偏振主态方向正交时，功率计探测到的最小功率为Pmin，这样偏振消光比就可以通过下式计算得出:
[0004]PLR = \0\g
[0005]其中，PER是偏振消光比，Pmax是最大功率，Pmin是最小功率。
[0006]国内外研究人员对消光比测试装置进行了大量研究，一体化的光源和自动化程度很高的消光比测试仪已经商用化，普遍采用微透镜和光纤准直器等元件，将光路调整并固定好，光源和测试仪上都配有标准的光纤连接器，将被测光纤的两端插入活动连接器，接到光源和测试仪上，最后在显示屏上直接显示出消光比，偏振器转动一周，可以测得消光比的四个最大值，且相邻两个最大值所在的偏振器角度互相垂直，这些角度就是偏振保持光纤的快轴和慢轴的所在位置。美国通用光电、加拿大OZ Optics公司、韩国fiberpro公司、日本santec公司都有这类产品，但是，这类产品的价格非常昂贵，不便于大规模使用；并且，这些公司生产的消光比测试仪器只能对保偏光纤内的偏振光进行消光比测量，如果要测量光源的消光比，则必须要将光源发出的偏振光导入保偏光纤内，才能对其消光比进行测量，这样就限制了这些仪器的应用；此外，这些产品的准确性易受到光纤端面的切割质量、聚焦位置和夹持的松紧程度的影响，测量结果不稳定。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为了克服上述【背景技术】的不足，提供一种空间偏振光消光比测量装置及方法，测量装置的结构简单、成本低、测量结果稳定，既能测量空间偏振光消光比，又能测量光纤内的偏振光消光比。
[0008]本发明提供一种空间偏振光消光比测量装置，包括光分路器、光功率测量系统、消光比测量系统、信号处理系统和数据接口显示系统，光分路器分别与光功率测量系统、消光比测量系统相连，光功率测量系统、消光比测量系统均与信号处理系统相连，信号处理系统与数据接口显示系统相连，所述光功率测量系统包括顺次相连的第一聚焦透镜、第一光电转换器、第一信号放大器、第一 A/D转换器,所述消光比测量系统包括可旋转的偏振器、第二聚焦透镜、第二光电转换器、第二信号放大器、第二 A/D转换器、电机和电机控制器，偏振器、第二聚焦透镜、第二光电转换器、第二信号放大器、第二 A/D转换器顺次相连，偏振器的控制端与电机相连，电机与电机控制器相连；
[0009]所述光分路器、第一聚焦透镜、第一光电转换器、偏振器、第二聚焦透镜、第二光电转换器和电机均位于消光比测量探头上，第一信号放大器、第一 A/D转换器、第二信号放大器、第二 A/D转换器、电机控制器、信号处理系统和数据接口显示系统均位于消光比测量主机上，消光比测量探头与消光比测量主机分离；
[0010]所述信号处理系统包括微处理运算器、电源控制器和数据存储器，电源控制器、数据存储器均与微处理运算器相连，微处理运算器还分别与第一 A/D转换器、第二 A/D转换器、电机控制器相连；
[0011]所述数据接口显示系统包括有机发光二极管OLED显示器、按键和各种通用接口，OLED显示器、按键、各种通用接口均与微处理运算器相连；
[0012]待测偏振光通过光分路器分成两束待测偏振光，一束待测偏振光进入光功率测量系统，另外一束待测偏振光 进入消光比测量系统；
[0013]一束待测偏振光进入光功率测量系统，经第一聚焦透镜聚焦后进入第一光电转换器，第一光电转换器将待测偏振光转换为电信号，电信号进入第一信号放大器，第一信号放大器将电信号放大，放大后的电信号进入第一 A/D转换器，第一 A/D转换器将放大后的电信号转换为数字信号，数字信号进入信号处理系统中的微处理运算器，微处理运算器通过检测电信号的大小，求出待测偏振光的光功率；
[0014]另外一束待测偏振光进入消光比测量系统，首先进入按着一定速率旋转的偏振器中，偏振器将该待测偏振光分解为透射光ο光和透射光e光这两束光,透射光e光经第二聚焦透镜聚焦后进入第二光电转换器，第二光电转换器将透射光e光转换成电信号,第二光电转换器输出的电信号进入第二信号放大器，第二信号放大器将该电信号放大，放大后的电信号进入第二 A/D转换器，第二 A/D转换器将放大后的电信号转换为数字信号，数字信号进入信号处理系统中的微处理运算器，微处理运算器通过检测电信号的大小，来测量透射光e光的光强；微处理运算器控制电机控制器，电机控制器控制电机，电机控制偏振器按一定速率的速度转动，以电机旋转一周的时间为一周期，消光比测量系统测出透射光e光的功率在一个周期内有四个极值:两个极大值和两个极小值,且相邻两个最大值所在的偏振器角度互相垂直，微处理运算器通过消光比公式，求出待测偏振光的消光比。
[0015]在上述技术方案的基础上，所述消光比测量系统采用脉冲编码式、闭环反馈控制，根据实时测量的消光比的变化趋势，调整偏振器的旋转方向，旋转角度的调节由大到小逐步细调，当偏振器的起偏方向与输入光偏振主态方向重合时，消光比测量系统探测到透射光e光的最大功率Pmax ;当偏振器的起偏方向与输入光偏振主态方向正交时，消光比测量系
统探测到透射光e光的最小功率Pmin，然后微处理运算器通过公式PM = 1 Ig ^计
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算出待测偏振光的消光比，其中，PER是偏振消光比，Pmax是透射光e光的最大功率，Pmin是透射光e光的最小功率。
[0016]在上述技术方案的基础上，所述光分路器与待测偏振光之间固定有光纤法兰盘。
[0017]在上述技术方案的基础上，所述电机为伺服电机或者步进电机。
[0018]在上述技术方案的基础上，所述消光比测量系统中的电机为实心转轴电机或者空心转轴电机。
[0019]在上述技术方案的基础上，所述消光比测量系统中的电机为实心转轴电机时，消光比测量系统中的偏振器通过轴承固定在消光比测量探头的外壳上，偏振器可绕消光比测量探头的中心轴进行360°旋转，偏振器包括偏振棱镜和偏振棱镜支架，偏振棱镜固定在偏振棱镜支架上；消光比测量系统中的第二光电转换器固定在消光比测量探头的外壳上；实心转轴电机的主轴上固定有主动齿轮，偏振器上固定有与主动齿轮匹配的从动齿轮，实心转轴电机与偏振器之间通过主动齿轮和从动齿轮的哨合传动；实心转轴电机旋转，带动主动齿轮旋转；主动齿轮旋转，带动从动齿轮旋转；从动齿轮旋转，带动偏振器旋转；消光比测量系统测出透射光e光的最大功率和最小功率，微处理运算器求出待测偏振光的消光比。
[0020]在上述技术方案的基础上，所述消光比测量系统中的电机为空心轴电机时，消光比测量系统中的第二光电转换器固定在消光比测量探头的外壳上，空心轴电机包括空心轴，偏振器固定在空心轴电机的空心轴一端的内部，第二光电转换器固定在空心轴的另一端,空心轴内设置有挡板,偏振器通过空心轴内的挡板固定,空心轴通过轴承与空心轴电机相连；空心轴转动，带动偏振器转动，消光比测量系统测出透射光e光的最大功率和最小功率，微处理运算器求出待测偏振光的消光比。
[0021]本发明还提供一种基于上述测量装置的空间偏振光消光比测量方法，包括以下步骤:
[0022]待测偏振光通过光分路器分成两束待测偏振光，一束待测偏振光进入光功率测量系统，另外一束待测偏振光进入消光比测量系统；
[0023]一束待测偏振光进入光功率测量系统，经第一聚焦透镜聚焦后进入第一光电转换器，第一光电转换器将待测偏振光转换为电信号，电信号进入第一信号放大器，第一信号放大器将电信号放大，放大后的电信号进入第一 A/D转换器，第一 A/D转换器将放大后的电信号转换为数字信号，数字信号进入信号处理系统中的微处理运算器，微处理运算器通过检测电信号的大小，求出待测偏振光的光功率；
[0024]另外一束待测偏振光进入消光比测量系统，首先进入按着一定速率旋转的偏振器中，偏振器将该待测偏振光分解为透射光ο光和透射光e光这两束光,透射光e光经第二聚焦透镜聚焦后进入第二光电转换器，第二光电转换器将透射光e光转换成电信号,第二光电转换器输出的电信号进入第二信号放大器，第二信号放大器将该电信号放大，放大后的电信号进入第二 A/D转换器，第二 A/D转换器将放大后的电信号转换为数字信号，数字信号进入信号处理系统中的微处理运算器，微处理运算器通过检测电信号的大小，来测量透射光e光的光强；微处理运算器控制电机控制器，电机控制器控制电机，电机控制偏振器按一定速率的速度转动，以电机旋转一周的时间为一周期，消光比测量系统测出透射光e光的功率在一个周期内有四个极值:两个极大值和两个极小值,且相邻两个最大值所在的偏振器角度互相垂直，微处理运算器通过消光比公式，求出待测偏振光的消光比。[0025]在上述技术方案的基础上，所述消光比测量系统采用脉冲编码式、闭环反馈控制，根据实时测量的消光比的变化趋势，调整偏振器的旋转方向，旋转角度的调节由大到小逐步细调，当偏振器的起偏方向与输入光偏振主态方向重合时，消光比测量系统探测到透射光e光的最大功率Pmax ;当偏振器的起偏方向与输入光偏振主态方向正交时，消光比测量系
统探测到透射光e光的最小功率Pmin，然后微处理运算器通过公式
【权利要求】
1.一种空间偏振光消光比测量装置，包括光分路器、光功率测量系统、消光比测量系统、信号处理系统和数据接口显示系统，光分路器分别与光功率测量系统、消光比测量系统相连，光功率测量系统、消光比测量系统均与信号处理系统相连，信号处理系统与数据接口显示系统相连，其特征在于:所述光功率测量系统包括顺次相连的第一聚焦透镜、第一光电转换器、第一信号放大器、第一 A/D转换器,所述消光比测量系统包括可旋转的偏振器、第二聚焦透镜、第二光电转换器、第二信号放大器、第二 A/D转换器、电机和电机控制器，偏振器、第二聚焦透镜、第二光电转换器、第二信号放大器、第二 A/D转换器顺次相连，偏振器的控制端与电机相连，电机与电机控制器相连； 所述光分路器、第一聚焦透镜、第一光电转换器、偏振器、第二聚焦透镜、第二光电转换器和电机均位于消光比测量探头上，第一信号放大器、第一 A/D转换器、第二信号放大器、第二 A/D转换器、电机控制器、信号处理系统和数据接口显示系统均位于消光比测量主机上，消光比测量探头与消光比测量主机分离； 所述信号处理系统包括微处理运算器、电源控制器和数据存储器，电源控制器、数据存储器均与微处理运算器相连，微处理运算器还分别与第一 A/D转换器、第二 A/D转换器、电机控制器相连； 所述数据接口显示系统包括有机发光二极管OLED显示器、按键和各种通用接口，OLED显示器、按键、各种通用接口均与微处理运算器相连； 待测偏振光通过光分路器分成两束待测偏振光，一束待测偏振光进入光功率测量系统，另外一束待测偏振光进入消光比测量系统； 一束待测偏振光进入光功率测量系统，经第一聚焦透镜聚焦后进入第一光电转换器，第一光电转换器将待测偏振光转换为电信号，电信号进入第一信号放大器，第一信号放大器将电信号放大，放大后的电信号进入第一 A/D转换器，第一 A/D转换器将放大后的电信号转换为数字信号，数字信号进入信号处理系统中的微处理运算器，微处理运算器通过检测电信号的大小，求出待测偏振光的光功率； 另外一束待测偏振光进入消光比测量系统，首先进入按着一定速率旋转的偏振器中，偏振器将该待测偏振光分解为透射光ο光和透射光e光这两束光,透射光e光经第二聚焦透镜聚焦后进入第二光电转换器，第二光电转换器将透射光e光转换成电信号,第二光电转换器输出的电信号进入第二信号放大器，第二信号放大器将该电信号放大，放大后的电信号进入第二 A/D转换器，第二 A/D转换器将放大后的电信号转换为数字信号，数字信号进入信号处理系统中的微处理运算器，微处理运算器通过检测电信号的大小，来测量透射光e光的光强；微处理运算器控制电机控制器，电机控制器控制电机，电机控制偏振器按一定速率的速度转动，以电机旋转一周的时间为一周期，消光比测量系统测出透射光e光的功率在一个周期内有四个极值:两个极大值和两个极小值，且相邻两个最大值所在的偏振器角度互相垂直，微处理运算器通过消光比公式，求出待测偏振光的消光比。
2.如权利要求1所述的空间偏振光消光比测量装置，其特征在于:所述消光比测量系统采用脉冲编码式、闭环反馈控制，根据实时测量的消光比的变化趋势，调整偏振器的旋转方向，旋转角度的调节由大到小逐步细调，当偏振器的起偏方向与输入光偏振主态方向重合时，消光比测量系统探测到透射光e光的最大功率Pmax ;当偏振器的起偏方向与输入光偏振主态方向正交时，消光比测量系统探测到透射光e光的最小功率Pmin，然后微处理运算器通过公式= 1 Ig ^ 计算出待测偏振光的消光比，其中，PER是偏振消光比，Pmax是
mm透射光e光的最大功率，Pmin是透射光e光的最小功率。
3.如权利要求1所述的空间偏振光消光比测量装置，其特征在于:所述光分路器与待测偏振光之间固定有光纤法兰盘。
4.如权利要求1所述的空间偏振光消光比测量装置，其特征在于:所述电机为伺服电机或者步进电机。
5.如权利要求1至4中任一项所述的空间偏振光消光比测量装置，其特征在于:所述消光比测量系统中的电机为实心转轴电机或者空心转轴电机。
6.如权利要求5所述的空间偏振光消光比测量装置，其特征在于:所述消光比测量系统中的电机为实心转轴电机时，消光比测量系统中的偏振器通过轴承固定在消光比测量探头的外壳上，偏振器可绕消光比测量探头的中心轴进行360°旋转，偏振器包括偏振棱镜和偏振棱镜支架，偏振棱镜固定在偏振棱镜支架上；消光比测量系统中的第二光电转换器固定在消光比测量探头的外壳上；实心转轴电机的主轴上固定有主动齿轮，偏振器上固定有与主动齿轮匹配的从动齿轮，实心转轴电机与偏振器之间通过主动齿轮和从动齿轮的啮合传动；实心转轴电机旋转，带动主动齿轮旋转；主动齿轮旋转，带动从动齿轮旋转；从动齿轮旋转，带动偏振器旋转；消光比测量系统测出透射光e光的最大功率和最小功率，微处理运算器求出待测偏振光的消光比。
7.如权利要求5 所述的空间偏振光消光比测量装置，其特征在于:所述消光比测量系统中的电机为空心轴电机时，消光比测量系统中的第二光电转换器固定在消光比测量探头的外壳上，空心轴电机包括空心轴，偏振器固定在空心轴电机的空心轴一端的内部，第二光电转换器固定在空心轴的另一端，空心轴内设置有挡板，偏振器通过空心轴内的挡板固定，空心轴通过轴承与空心轴电机相连；空心轴转动，带动偏振器转动，消光比测量系统测出透射光e光的最大功率和最小功率，微处理运算器求出待测偏振光的消光比。
8.基于权利要求1至7中任一项所述测量装置的空间偏振光消光比测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 待测偏振光通过光分路器分成两束待测偏振光，一束待测偏振光进入光功率测量系统，另外一束待测偏振光进入消光比测量系统； 一束待测偏振光进入光功率测量系统，经第一聚焦透镜聚焦后进入第一光电转换器，第一光电转换器将待测偏振光转换为电信号，电信号进入第一信号放大器，第一信号放大器将电信号放大，放大后的电信号进入第一 A/D转换器，第一 A/D转换器将放大后的电信号转换为数字信号，数字信号进入信号处理系统中的微处理运算器，微处理运算器通过检测电信号的大小，求出待测偏振光的光功率； 另外一束待测偏振光进入消光比测量系统，首先进入按着一定速率旋转的偏振器中，偏振器将该待测偏振光分解为透射光ο光和透射光e光这两束光,透射光e光经第二聚焦透镜聚焦后进入第二光电转换器，第二光电转换器将透射光e光转换成电信号,第二光电转换器输出的电信号进入第二信号放大器，第二信号放大器将该电信号放大，放大后的电信号进入第二 A/D转换器，第二 A/D转换器将放大后的电信号转换为数字信号，数字信号进入信号处理系统中的微处理运算器，微处理运算器通过检测电信号的大小，来测量透射光e光的光强；微处理运算器控制电机控制器，电机控制器控制电机，电机控制偏振器按一定速率的速度转动，以电机旋转一周的时间为一周期，消光比测量系统测出透射光e光的功率在一个周期内有四个极值:两个极大值和两个极小值，且相邻两个最大值所在的偏振器角度互相垂直，微处理运算器通过消光比公式，求出待测偏振光的消光比。
9.如权利要求8所述的空间偏振光消光比测量方法，其特征在于:所述消光比测量系统采用脉冲编码式、闭环反馈控制，根据实时测量的消光比的变化趋势，调整偏振器的旋转方向，旋转角度的调节由大到小逐步细调，当偏振器的起偏方向与输入光偏振主态方向重合时，消光比测量系统探测到透射光e光的最大功率Pmax ;当偏振器的起偏方向与输入光偏振主态方向正交时，消光比测量系统探测到透射光e光的最小功率Pmin，然后微处理运算器通过公式^计算出待测偏振光的消光比，其中，PER是偏振消光比，Pfflax是透射光e光的最大功率，Pmin是透射光e光的最小功率。
10.如权利要求8或9所述的空间偏振光消光比测量方法，其特征在于:所述消光比测量系统中的电机为实心转轴电机或者空心转轴电机； 所述消光比测量系统中的电机为实心转轴电机时，消光比测量系统中的偏振器通过轴承固定在消光比测量探头的外壳上，偏振器可绕消光比测量探头的中心轴进行360°旋转，偏振器包括偏振棱镜和偏振棱镜支架，偏振棱镜固定在偏振棱镜支架上；消光比测量系统中的第二光电转换器固定 在消光比测量探头的外壳上；实心转轴电机的主轴上固定有主动齿轮，偏振器上固定有与主动齿轮匹配的从动齿轮，实心转轴电机与偏振器之间通过主动齿轮和从动齿轮的啮合传动；实心转轴电机旋转，带动主动齿轮旋转；主动齿轮旋转，带动从动齿轮旋转；从动齿轮旋转，带动偏振器旋转；消光比测量系统测出透射光e光的最大功率和最小功率，微处理运算器求出待测偏振光的消光比； 所述消光比测量系统中的电机为空心轴电机时，消光比测量系统中的第二光电转换器固定在消光比测量探头的外壳上，空心轴电机包括空心轴，偏振器固定在空心轴电机的空心轴一端的内部，第二光电转换器固定在空心轴的另一端，空心轴内设置有挡板，偏振器通过空心轴内的挡板固定，空心轴通过轴承与空心轴电机相连；空心轴转动,带动偏振器转动，消光比测量系统测出透射光e光的最大功率和最小功率，微处理运算器求出待测偏振光的消光比。
【文档编号】G01M11/02GK104034513SQ201410218391
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】陈帮, 谢德权, 杨奇 申请人:武汉邮电科学研究院