一种含磁光光纤利用光纤光栅激光拍频测量旋光角的方法
【专利摘要】本发明公开了一种含磁光光纤利用光纤光栅激光拍频测量旋光角的方法，首先磁光光纤在室温环境中电流设定值的条件下，980nm泵浦光源经过光纤谐振腔输出拍频信号，记录、存储此时的实验数据，经数字信号处理器进行处理，并通过理论计算值进行校正作为参考值，然后将磁光光纤处于室温环境中不同电流条件下，经频谱分析仪观察拍频信号的变化，并记录、存储相对应电流条件下的拍频信号，最终得到拍频信号与电流的对应关系并依据该拍频信号与电流的对应关系实现待测磁光光纤旋光角的测量。本发明测量过程简化，方便迅速，有效克服了传统旋光角测量方法中存在的繁琐流程。
【专利说明】
一种含磁光光纤利用光纤光栅激光拍频测量旋光角的方法
技术领域
[0001] 本发明属于光拍频测旋光角技术领域，具体涉及一种含磁光光纤利用光纤光栅激 光拍频测量旋光角的方法。
【背景技术】
[0002] 光拍频技术作为相干检测技术的一种十分重要的手段，自1955年发现以来尤其是 I960年激光出现以来得到迅速的发展。它对工业技术发展及科学研究起着非常重要的作 用。在民用方面，光拍频在现代光学测量技术中有着重要的应用，它是一种检测微小频率差 的特别灵敏和比较简单的方法。在军事方面，利用光拍频技术对多普勒测速雷达进行干扰 的技术已成为现代电子战争中非常关键的技术。光拍频技术作为相干检测的重要手段进入 测试技术领域以来，已从工业测试发展到大长度无导轨测量及小尺寸的超高精度测量，以 及一些物理量的测量。它的优点及潜力吸引着许多研究人员进行开发性研究。磁光光纤是 具有较强磁光效应的光纤，它的优点是灵敏度高、抗干扰性强、高绝缘、成本低。目前测量磁 光光纤旋光角的方法已有很多，并且取得了多项研究成果，但也存在许多亟待解决的问题。 现有的测量磁光光纤旋光角的方法普遍对光源、光纤的性能要求严格、光路复杂，需考虑很 多因素，对传感器灵敏度要求高，旋光角测量分辨率低，光路系统稳定性差，这些因素导致 测量成本高且对旋光角的测量没有保障。我们将光拍频技术应用于磁光光纤旋光角的测 量，成功解决掉了这些技术上的难题。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决测量磁光光纤旋光角系统的稳定性差、分辨率低和成本高等问题而 提供了一种含磁光光纤利用光纤光栅激光拍频测量旋光角的方法，该方法通过分析、研究 在光纤光栅激光拍频结构下磁光光纤在不同电流环境中输出相应的激光拍频来实现磁光 光纤旋光角的测量。
[0004] 本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种含磁光光纤利用光纤光栅激 光拍频测量旋光角的方法，其特征在于由980nm栗浦光源、980/1550nm波分复用器、第一光 纤光栅、掺铒光纤、带通电线圈的磁光光纤、第二光纤光栅、隔离器、光电探测器和频谱分析 仪构成利用光拍频技术测量磁光光纤旋光角系统，其中沿光线传输方向依次设有通过光纤 相连的980nm栗浦光源、980/1550nm波分复用器、第一光纤光栅、掺铒光纤、带通电线圈的磁 光光纤、第二光纤光栅、隔离器和光电探测器，光电探测器与频谱分析仪通过导线相连，具 体测旋光角过程为:第一光纤光栅、掺铒光纤、带通电线圈的磁光光纤和第二光纤光栅组成 光纤谐振腔，980nm栗浦光源经过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔，光纤谐振腔中设 有非线性增益的掺铒光纤，当栗浦频率达到阈值，光在光纤谐振腔中被激发出左旋、右旋模 式的偏振光，在光纤光栅处进行混频，在频谱分析仪上看到激光拍频信号，首先磁光光纤在 室温环境中电流设定值的条件下，980nm栗浦光源经过光纤谐振腔输出拍频信号，记录、存 储此时的实验数据，经数字信号处理器进行处理，并通过理论计算值进行校正作为参考值， 然后将磁光光纤处于室温环境中不同电流条件下，经频谱分析仪观察拍频信号的变化，并 记录、存储相对应电流条件下的拍频信号，最终得到拍频信号与电流的对应关系并依据该 拍频信号与电流的对应关系实现待测磁光光纤旋光角的测量。
[0005] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0006] (1)利用激光拍频理论，光信号在光纤谐振腔中多次循环放大溢出，通过频谱分析 仪记录、测量数据并利用数字信号处理模块对数据进行快速处理，同时可进行计算校准，提 高了测量精度；
[0007] (2)本发明利用光纤偏振特性的双折射，其具有的高灵敏度，使旋光角的测量精确 更尚；
[0008] (3)本发明利用磁光光纤具有较强磁光效应、灵敏度高、抗干扰性强和高绝缘的优 点，大大降低光路搭建的成本，系统结构简单，可以实现对不同电流下旋光角的精确测量；
[0009] (4)测量过程简化，方便迅速，有效克服了传统旋光角测量方法中存在的繁琐流 程。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明中利用光拍频技术测量磁光光纤旋光角系统的光路原理图。
[0011 ]图中：1、980nm栗浦光源，2、980/1550nm波分复用器，3、第一光纤光栅，4、掺铒光 纤，5、带通电线圈的磁光光纤，6、第二光纤光栅，7、隔离器，8、光电探测器，9、频谱分析仪， 10、光纤，11、导线。
【具体实施方式】
[0012] 以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本 发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发 明的范围。
[0013] (1)利用光拍频技术测量磁光光纤旋光角系统
[0014] 由980nm栗浦光源1，980/1550nm波分复用器2、第一光纤光栅3、掺铒光纤4、带通电 线圈的磁光光纤5、第二光纤光栅6、隔离器7、光电探测器8和频谱分析仪9构成磁光光纤测 旋光角系统，其中沿光线传输方向依次设有通过光纤10相连的980nm栗浦光源1、980/ 1550nm波分复用器2、第一光纤光栅3、掺铒光纤4、带通电线圈的磁光光纤5和第二光纤光栅 6,隔离器7和光电探测器8,频谱分析仪10通过导线11与光电探测器8相连。
[0015] (2)磁光光纤旋光角的测量
[0016] 第一光纤光栅、掺铒光纤、带通电线圈的磁光光纤和第二光纤光栅组成一个光纤 谐振腔，980nm栗浦光源通过980/1550nm波分复用器进入光纤谐振腔，光纤谐振腔中设有非 线性增益的掺铒光纤，当栗浦频率达到阈值，光在光纤谐振腔中被激发出左旋、右旋模式的 偏振光，在光纤光栅处进行混频，在频谱分析仪上可以清楚的看到激光拍频信号。首先磁光 光纤在室温环境中电流设定值的条件下，980nm栗浦光源经过光纤谐振腔输出拍频信号，记 录、存储此时的实验数据，经数字信号处理器进行处理，并通过理论计算值进行校正，作为 参考值，然后将磁光光纤处于室温环境中不同的电流条件下，经频谱分析仪观察拍频信号 的变化，并记录、存储不同温度环境下的拍频信号，测量磁光光纤旋光角的系统结构如图1 所示。
[0017] (3)数据采集和处理
[0018]观察频谱分析仪显示的拍频信号的同时，对输出的拍频信号经数字信号处理器进 行数据采集、存储并处理，利用同一段磁光光纤，室温条件下改变传感部分电流的大小得到 不同的拍频信号曲线，记录拍频信号与电流的对应关系并依据该拍频信号与电流的对应关 系实现待测磁光光纤旋光角的测量。
[0019] 光通过光纤光栅、掺铒光纤、传感部分和啁嗽光纤组成一个光纤激光谐振腔，光在 其中包含两个左旋、右旋的偏振态，用高速光电探测器监测拍频信号，则光纤激光谐振腔产 生的拍频可以表示为：
[0021 ]其中VL，VR分别为两个左旋、右旋偏振态的激光频率，c为光在真空中的传播速度，0 是光纤双折射常数，k。是光纤的传播常数，nR和nL分别是光纤右旋偏振光和左旋 偏振光的折射率，A。是光纤激光谐振腔产生的激光波长，n。是光纤的平均折射率。
[0022] 保持光路系统处于同样的室温条件下，改变磁光光纤周围电流大小，由于磁光光 纤在磁场中的磁光效应，通过频谱仪观察到的拍频结果也不同。
[0023] 当光通过磁场中的磁光光纤时，会产生一个旋光角梁_，称为法拉第效应旋转角。根 据法拉第磁光效应可知，旋光角中为：
[0025]式中A。为激光谐振腔激发出来的波长，L为磁场中有效相互作用的磁光光纤长度。 [0026]由公式(1)、（2)可知拍频的变化量与旋光角-的关系为：
[0028] 由公式(3)可知，当磁场中有效相互作用的磁光光纤长度一定时，拍频变化量与旋 光角成线性关系，改变磁光光纤外线圈中电流的大小，可得到不同的拍频输出曲线和值，记 录不同电流下的拍频输出值，从而得到被测旋光角与拍频变化量的对应关系，最后经过与 理论计算值的校准得到不同电流值下被测磁光光纤旋光角的大小。
[0029] 以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该 了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入 本发明保护的范围内。
【主权项】
1. 一种含磁光光纤利用光纤光栅激光拍频测量旋光角的方法，其特征在于由980nm栗 浦光源、980/1550nm波分复用器、第一光纤光栅、掺铒光纤、带通电线圈的磁光光纤、第二光 纤光栅、隔离器、光电探测器和频谱分析仪构成利用光拍频技术测量磁光光纤旋光角系统， 其中沿光线传输方向依次设有通过光纤相连的980nm栗浦光源、980/1550nm波分复用器、第 一光纤光栅、掺铒光纤、带通电线圈的磁光光纤、第二光纤光栅、隔离器和光电探测器，光电 探测器与频谱分析仪通过导线相连，具体测旋光角过程为:第一光纤光栅、掺铒光纤、带通 电线圈的磁光光纤和第二光纤光栅组成光纤谐振腔，980nm栗浦光源经过980/1550nm波分 复用器进入光纤谐振腔，光纤谐振腔中设有非线性增益的掺铒光纤，当栗浦频率达到阈值， 光在光纤谐振腔中被激发出正交模式的偏振光，在光纤光栅处进行混频，在频谱分析仪上 看到激光拍频信号，首先磁光光纤在室温环境中电流设定值的条件下，980nm栗浦光源经过 光纤谐振腔输出拍频信号，记录、存储此时的实验数据，经数字信号处理器进行处理，并通 过理论计算值进行校正作为参考值，然后将磁光光纤处于室温环境中不同电流条件下，经 频谱分析仪观察拍频信号的变化，并记录、存储相对应电流条件下的拍频信号，最终得到拍 频信号与电流的对应关系并依据该拍频信号与电流的对应关系实现待测磁光光纤旋光角 的测量。
【文档编号】G01M11/02GK106052594SQ201610304051
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】王芳, 杨琳琳, 宋艳, 孙云娟, 王明远, 刘玉芳
【申请人】河南师范大学