专利名称：零温度系数光学波片与偏振态变换器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子学与信息系统中之敏感电子学与传感器领域，以及电工学科之高 电压与大电流测量领域，具体涉及具有零温度系数的各种光学波片，特别是光纤波片，这类 波片适用于需要对光的偏振态进行分析与控制的各种光学系统，比如各种光纤传感器，各 种全光纤式光学或光电测量系统等。在这样的光学或光电系统中，这种光学波片，比如可用 作其中的光偏振态变换器，光偏振面旋转器，光隔离器，分光可变的分光器，光衰减器，光开 关等。
背景技术：
波片广泛应用于需要对光的偏振态进行分析与控制的各种光学系统，比如各种光 纤传感器，各种光学或光电测量系统等。在这样的光学或光电系统中，波片可用作其中的光 偏振态变换器，光偏振面旋转器，光隔离器，分光可变的分光器，光衰减器，光开关等[1]，还 可在传输光子偏振态信息的卫星光量子通信中，跟踪光子偏振态，实现量子密钥编码[2]。传统的块状媒质波片，制作时控制波片尺寸与光轴方向困难，使用时与光纤、集成 光波导器件的耦合困难，不便于在日益盛行的纤维光学系统中采用，为此开发出了光纤波 片。光纤波片可由一段合适长度的高线双折射光纤(简称HiBi光纤)制成，也可由一 段合适长度的高圆双折射光纤制成。前者见文献[3]、[4]、[5]，以及有关光纤电流/电压 传感器的国内外专利，如中国专利01801947. 1,01101389. 3,01812641. 3,03825967. 2 (申 请号),200510076617. 2 (申请号)>200810056486. 5 (申请号)等，美国专利 5953121、 6628869B2、6636321B2、6734657B2、7046867B2、7075286B2、7339680B2、5644397、5987195、 6023331、6122415、6122425、6166816、618881IBl、6307632B1、6356351B1、7038786B2、 6281672B1、6831749B2、7102757B2 等；后者见中国专利 01112680. 9,80107389 (申请号)、 91107430. 9 (申请号),200710111969. 6 (申请号)，美国专利 4943132、5096312、7206468、 8810789 等。以HiBi光纤波片为例。设HiBi光纤慢轴、快轴折射率差为An，则偏振方向分别 平行于光纤快轴、慢轴的两束光传播单位长度后，慢轴方向光滞后于快轴方向光的相位差 (以下称为相位延迟(retardation))，即这种光纤的双折射δ为
权利要求
一种相位延迟θ的温度系数为零的光纤波片或光波偏振态变换器(以下统称FWP)，包括一段双折射光纤HB1，以及另一段双折射光纤HB2；所述HB1光纤段的长度为L1，热膨胀系数为KL1，拍长为LB1，拍长的温度系数为KB1；所述HB2光纤段的长度为L2，热膨胀系数为KL2，拍长为LB2，拍长的温度系数为KB2；所述HB2的快轴垂直于所述HB1的快轴熔接成一段长度为L＝L1+L2的FWP，所述HB1光纤段的长度L1与所述HB2光纤段的长度L2分别由以下公式确定 <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>θ</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow></mfrac><mfrac> <msub><mi>K</mi><mn>2</mn> </msub> <mrow><msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><msub> <mi>L</mi> <mrow><mi>B</mi><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>θ</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow></mfrac><mfrac> <msub><mi>K</mi><mn>1</mn> </msub> <mrow><msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><msub> <mi>L</mi> <mrow><mi>B</mi><mn>2</mn> </mrow></msub> </mrow>式中，K1＝KB1 KL1，K2＝KB2 KL2。
2.一种相位延迟θ的温度系数为零的FWP，包括一段双折射光纤ΗΒρ，以及另一段双 折射光纤HBn ；所述HBp光纤段的长度为Lp，热膨胀系数为&p，拍长为Lbp，拍长的温度系数 为Kbp > 0 ；所述HBn光纤段的长度为Ln，热膨胀系数为Kta，拍长为LBn，拍长的温度系数为 (-KBn) < 0 ；HBn的快轴平行于HBp的快轴熔接成一段长度为L = Lp+Ln的FWP，所述HBp光 纤段的长度Lp与所述HBn光纤段的长度Ln分别由以下公式确定
3.如权利要求1所述的FWP，其特征在于所述光纤段HB1、HB2的拍长的温度系数Kbi与 Kb2均为负值。
4.如权利要求1所述的FWP，其特征在于所述光纤段HB1、HB2的拍长的温度系数Kbi与 Kb2均为正值。
5.如权利要求1-3任一项所述的FWP构成的温度系数为零的λ/4波片，其特征在于相 位延迟θ = (2η+1)Χ90°，其中η为整数，偏振方向与所述波片的快轴成45°角的线偏光 通过所述波片后，出射光为左圆偏光；左圆偏光通过所述波片后，出射光为偏振方向与所述 波片的快轴成45°角的线偏光。
6.如权利要求1-3任一项所述的FWP构成的温度系数为零的λ/4波片，其特征在于相 位延迟θ =-(2η+1)Χ90°，其中η为整数，偏振方向与所述波片的快轴成45°角的线偏 光通过所述波片后，出射光为右圆偏光；右圆偏光通过所述波片后，出射光为偏振方向与所 述波片的快轴成45°角的线偏光。
7.如权利要求1-3任一项所述的FWP构成的温度系数为零的半波片，其特征在于相位 延迟θ = (2η+1)Χ180°，其中η为整数，所述波片的快轴与X或Y方向成45°角时，X或 Y方向的线偏光通过所述波片后，出射光为Y方向或X方向的线偏光。
8.如权利要求1-3任一项所述的FWP构成的温度系数为零的光波偏振态变换器，其特 征在于相位延迟θ兴士(2η+1)Χ90°和士(2η+1)Χ180°，其中η为整数，所述光波偏振 态变换器能根据不同的相位延迟值，将不同方向的线偏光转变为不同椭圆度、不同长轴或2短轴方向的椭圆偏振光，或将不同椭圆度、不同长轴或短轴方向的椭圆偏振光转变为不同 偏振方向的线偏光。
9.如权利要求1或4所述的FWP其成的温度系数为零的λ/4波片，其特征在于相位延 迟θ = (2n+l)X90°，其中η为整数，偏振方向与所述波片的快轴成45°角的线偏光通过 所述波片后，出射光为左圆偏光；左圆偏光通过所述波片后，出射光为偏振方向与所述波片 的快轴成45°角的线偏光。
10.如权利要求1或4所述的FWP构成的温度系数为零的λ/4波片，其特征在于相位 延迟θ =-(2n+l)X90°，其中η为整数，偏振方向与所述波片的快轴成45°角的线偏光 通过所述波片后，出射光为右圆偏光；右圆偏光通过所述波片后，出射光为偏振方向与所述 波片的快轴成45°角的线偏光。
11.如权利要求1或4所述的FWP构成的温度系数为零的半波片，其特征在于相位延迟 θ = (2η+1)Χ180°，其中η为整数，所述波片的快轴与X或Y方向成45°角时，X或Y方 向的线偏光通过所述波片后，出射光为Y方向或X方向的线偏光。
12.如权利要求1或4所述的FWP构成的温度系数为零的光波偏振态变换器，其特征在 于相位延迟θ兴士(2η+1)Χ90°和士(2η+1)Χ180°，其中η为整数，所述光波偏振态变 换器能根据不同的相位延迟值，将不同方向的线偏光转变为不同椭圆度、不同长轴或短轴 方向的椭圆偏振光，或将不同椭圆度、不同长轴或短轴方向的椭圆偏振光转变为不同偏振 方向的线偏光。
13.一种由权利要求5或6所述的温度系数为零的λ/4波片、线偏光起偏器(linear polarizer)和光反射器组成的线偏光隔离器，其特征在于所述λ/4波片位于所述起偏器 与所述光反射器之间，所述起偏器的偏振方向与所述的λ/4波片的快轴成45°角；任何方 向的线偏光进入所述光隔离器后，返回的出射光的幅度均为零。
14.一种由权利要求9或10所述的温度系数为零的λ/4波片、线偏光起偏器(linear polarizer)和光反射器组成的线偏光隔离器，其特征在于所述λ/4波片位于所述起偏器 与所述光反射器之间，所述起偏器的偏振方向与所述的λ/4波片的快轴成45°角；任何方 向的线偏光进入所述光隔离器后，返回的出射光的幅度均为零。
15.一种由半波片构成的将左园偏光变换换为右园偏光，或右园偏光变换为左园偏光 的光波偏振态变换器，其特征在于所述半波片是权利要求7、11中所述的温度系数为零的 半波片。
16.如权利要求1所述的温度系数为零的光学波片，其特征在于其中的ΗΒ1、ΗΒ2是光 轴互相垂直的块状光学媒质，并且都是正光轴晶体。
17.如权利要求1所述的所述温度系数为零的光学波片，其特征在于其中的ΗΒ1、ΗΒ2 是光轴互相垂直的块状光学媒质，并且都是负光轴晶体。
18.如权利要求1所述的温度系数为零的光学波片，其特征在于其中的ΗΒ1、ΗΒ2是光 轴互相平行的块状光学媒质，并且HBl是负(正)晶体，ΗΒ2是正(负)晶体。
19.一种相位延迟θ的温度系数为零的复合FWP，包括η个如权利要求1-15任一项 所述的温度系数为零的单个FWP，所述相位延迟θ是η个单个FWP的相位延迟= 1， 2，···η)之和，其中η为整数。
20.一种相位延迟θ的温度系数为零的光学波片，包括η个如权利要求16-18任一项所述的温度系数为零的单个波片，所述相位延迟θ是η个单个波片的相位延迟9i(i = l， 2，···η)之和，其中η为整数。
21.—种环路式Sagnac干涉仪型光纤电流传感器，其特征在于其中包括如权利要求 5，或权利要求6，或权利要求9，或权利要求10所述的温度系数为零的λ/4波片。
22.一种反射式Sagnac干涉仪型光纤电流传感器，其特征在于其中包括如权利要求 5，或权利要求6，或权利要求9，或权利要求10所述的温度系数为零的λ /4波片。
23.一种反射型光纤电压传感器，其特征在于其中包括如权利要求16，或权利要求 17，或权利要求18所述的温度系数为零的λ/4波片。
24.一种反射型光纤电压传感器，其特征在于其中包括如权利要求16，或权利要求 17，或权利要求18所述的温度系数为零的λ/4波片。
25.一种光纤-块状媒质混合型电压传感器，其特征在于其中包括如权利要求16，或 权利要求17，或权利要求18所述的温度系数为零的λ /4波片。
26.一种块状媒质混合电压传感器，其特征在于其中包括权利要求16，或权利要求 17，或权利要求18所述的温度系数为零的λ /4波片。
全文摘要
本发明提供了多种零温度系数光学波片或光波偏振态变换器。这种光学波片或光波偏振态变换器由两段快轴互相垂直或平行的双折射光学媒质HB1与HB2熔接或连接在一起组成。其中HB1的长度为L1、拍长为LB1、拍长的温度系数为KB1，偏振方向分别平行于HB1快轴、慢轴的线偏光通过HB1后的相位延迟为φ1；HB2的长度为L2、拍长为LB2、拍长的温度系数为KB2，偏振方向分别平行于HB2快轴、慢轴的线偏光通过HB2后的相位延迟为φ2；HB1、HB2按所述方法构成的光学波片、光波偏振态变换器的长度为L＝L1+L2，相位延迟为0＝φ1-φ2，或θ＝φ1+φ2。当KB1不同于KB2时，按本发明提供的方法设计的光学波片、光波偏振态变换器，具有温度系数为零的相位延迟θ。
文档编号G02B6/10GK101975975SQ20101028825
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者刘占元, 尹树杰, 陈硕, 陈祥训, 雷林绪 申请人:中国电力科学研究院