一种基于单缝检测的光涡旋光纤电流传感器的制作方法

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种基于单缝检测的光涡旋光纤电流传感器。

背景技术：

光纤电流传感器在电力系统中具有重要的应用，因为其天然绝缘，抗干扰能力强，体积小，重量轻，测量动态范围大，不存在磁饱和等现象一直是国内外研究和应用的热点。近年来，光涡旋作为一种特殊结构的光束越来越得到大家的广泛关注，在光学复用通信、光学微操控、超分辨光学检测等领域得到了广泛的应用。光涡旋光束具有螺旋相位分布，与其偏振分布特性相结合在电流磁场检测领域得到了新的应用。典型的研究报道有中国科技大学的s.shi等人提出在不同的磁场强度下，用空间的复合光涡旋光束经过rb原子蒸气，通过输出瓣状光斑的旋转可以实现电流磁场的检测。但是这种方法必须在rb原子加热条件下才能实现，限制了其实用性（参考文献：s.shi,d.-s.ding,z.-y.zhou,y.li,w.zhang,andb.-s.shi,"magnetic-field-inducedrotationoflightwithorbitalangularmomentum,"appl.phy.lett.,vol.106,no.26,pp.261110,2015.）。之后上海大学s.yu等提出以复用光涡旋光束通过bi4ge3o12(bgo)磁光晶体来进行电流磁场的测量，但这种方法用也是基于空间光学器件，易受到外界扰动的影响。（参考文献：s.yu,f.pang,h.liu,x.li,j.yang,andt.wang,"compositingorbitalangularmomentumbeamsinbi4ge3o12crystalformagneticfieldsensing,"appl.phy.lett.,vol.111,no.9,pp.091107,2017）。鉴于空间光涡旋光束在电流磁场检测应用的问题，上海大学庞拂飞等人提出了一种基于光纤的复合光涡旋光纤电流传感器，通过偏振分束、错位熔接方法在光纤中激发复合光涡旋模式，输出采用了红外ccd对瓣状光斑旋转进行观测，该方案主要问题复合光涡旋激发器件复杂，红外探测器件成本高，且检测光斑旋转参量灵敏度低（参考文献：庞拂飞.光涡旋模式全光纤电流传感器:中国,cn201711426275.1[p].2017-12-26）。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有的光纤光涡旋模式电流传感器检测技术难题，提出一种基于单缝检测的光涡旋光纤电流传感器，利用线检偏片与单缝光阑相结合实现光涡旋法拉第磁光效应的检测，具有高灵敏度、检测结构简单、可靠性强、易于实用化等优点。

为达到上述目的，本发明的构思是：

当外界电流变化引起磁场变化作用于光涡旋光纤上时，基于法拉第磁光效应，具有左、右旋圆偏振态的复合光涡旋模式之间会产生相位差，为了方便实用的检测出这种变化，在光纤输出端放置了一个线检偏片和单缝光阑，透过单缝光阑的光强与相位差成正比，因此，根据光强变化就可测得所施加电流的大小。得到这种全新的基于单缝检测的光纤光涡旋电流传感器具有检测可靠、灵敏度高、性能稳定、成本低等便等优点，在电流测量领域有广泛的应用前景。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于单缝检测的光涡旋光纤电流传感器，包括线偏振激光器、单模光纤、偏振控制器、光涡旋光纤、光纤光栅、线检偏片、单缝光阑和光探测器。所述线偏振激光器发出的线偏振光通过单模光纤并经过偏振控制器后，与光涡旋光纤进行熔接，光在光涡旋光纤中间芯传输，经过光纤光栅实现复合光涡旋模式的激发，复合光涡旋模式在光涡旋光纤环形芯中传输，复合光涡旋模式在光涡旋光纤输出呈现环形光斑，通过线检偏片后，呈现瓣状光斑，之后通过单缝光阑对光斑进行空间滤波，并利用光探测器进行光强探测。在光纤光栅之后的光涡旋光纤上施加电流磁场作用，基于法拉第磁光效应，光涡旋光纤内传输的复合光涡旋模式之间产生相位差，从线检偏片输出瓣状光斑将旋转，通过单缝光阑的光强将发生变化，光强变化量与电流大小成正比，因此，根据光强变化就可测得所施加电流的大小。

本发明的工作原理

本发明利用线检偏片对传感光涡旋光纤输出的复合光涡旋光斑进行偏振选择滤波，得到瓣状光斑输出，之后再用单缝光阑进行光强空间滤波，将瓣状光斑的旋转变化转换为透过单缝光阑的光强变化，当外界电流变化引起磁场变化作用于光涡旋光纤上时，基于法拉第磁光效应，具有左、右旋圆偏振态的复合光涡旋模式之间会产生相位差，经线检偏片输出瓣状光斑将发生旋转，通过单缝光阑的光强将发生变化，光强变化量与电流大小成正比，因此，根据光强变化就可测得所施加电流的大小。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

本发明的基于单缝检测的光纤光涡旋电流传感器，所述的这种全新的基于单缝检测的光纤光涡旋电流传感器具有检测可靠、灵敏度高、性能稳定、成本低等便等优点，为光涡旋光纤电流传感器提供了新的检测方案，在高阶模式的电流测量等传感领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明的基于单缝检测的光涡旋光纤电流传感器示意图。

图2是本发明的光涡旋光纤的端面显微照片。

图3是本发明的复合光涡旋模式环形光斑图。

图4是本发明的复合光涡旋模式经过线检偏片后的瓣状光斑图。

图5是本发明的在不同单缝宽度与光斑直径比参量下，光阑输出光强变化与施加电流的关系曲线。

具体实施方法

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

参见图1，本基于单缝检测的光涡旋光纤电流传感器，包括线偏振激光器1、单模光纤2、偏振控制器3、光涡旋光纤4、光纤光栅5、线检偏片6、单缝光阑7和光探测器8。所述线偏振激光器1发出的线偏振光通过单模光纤2并经过偏振控制器3后，输出偏振态可调的偏振光，与光涡旋光纤4进行熔接，光在光涡旋光纤4中间芯传输。

光涡旋光纤4的端面显微照片参见图2，此涡旋光纤为三包层光纤，从内到外分别是纤芯、低折射率层、高折射率层、包层。其中纤芯直径为3µm，折射率为1.461；低折射率环，环宽为1.45µm，折射率为1.4378；高折射率环，环宽为1.5µm，折射率为1.4716；最外层为包层，光纤总直径为105µm。正是因为高折环与低折环之间大的折射率差0.0338，使得he21、te01、tm01模式之间折射率差大于10^-4，则he21模式能与te01、tm01模式有效分离，能够产生环形光斑的he21模式。

利用光纤光栅器件可实现中间芯高斯基模与环形芯he21奇模或偶模模式耦合，即为复合光涡旋模式。因此，经过光纤光栅5实现了复合光涡旋模式的激发，复合光涡旋模式在光纤光栅之后的光涡旋光纤4环形芯中传输，所述光纤光栅可以采用机械光纤、微弯光栅或co2激光写入光栅或紫外激光写入光栅。

复合光涡旋模式在光涡旋光纤输出呈现环形光斑，参见图3，通过线检偏片6后，呈现瓣状光斑，参见图4，之后通过单缝光阑7对光斑进行空间滤波，并利用光探测器8进行光强探测。在光纤光栅之后光涡旋光纤4上施加电流磁场作用，基于法拉第磁光效应，光涡旋光纤4内传输的复合光涡旋模式之间产生相位差，输出瓣状光斑将旋转，通过单缝光阑7的光强将发生变化，光强变化量与电流大小正比，因此，根据光强变化就可测得所施加电流的大小，参见图5。关于单缝宽度的取值，我们可以定义单缝宽度与光斑直径比（光斑直径为光强下降到1/e²位置对应直径）的参量σ，该参量对电流磁场传感灵敏度有较大影响，存在近似抛物线关系，为了确保传感灵敏度（下降至最优灵敏度的99%），参量σ可取0.32-0.37。

以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，同等替换或改进等，均包含在本发明的保护范围之内。