专利名称：高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种可进行自动化控制的工业用光学精密测量仪，特别是涉及了一种利用光纤耦合原理，结合计算机控制的高精度高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪及其计算机自动控制方法。
背景技术：
在光学测量领域中，保偏光纤因具有对其内部传播光束的偏振状态的保持能力，使光的偏振态在光纤的输出端保持一致，而广泛应用于航空、航天和军事等精密测量领域。保偏光纤用于精密测量领域所依据的原理是保偏光纤内部发射出光信号，其偏振态对外界的干扰非常敏感。当外界的干扰强度不断增加且不以光纤轴对称时，保偏光纤内部光信号将会发生偏振模式耦合现象，即在保偏光纤中一种偏振态的能量将会耦合进另外一种偏振态中。这种偏振模式耦合现象在各种系统中将表现为噪声、信号漂移、信号衰减等现象。在实际测量应用中，通过仪器检测到光纤内部偏振模耦合现象及其变化，即可实现对外界温度、压力、电磁场等微小变化的高精度检测。
现有技术中，对于偏振模耦合的检测方法有以下几种光学相干偏振检测仪、偏振光时域反射仪、马赫-泽德干涉仪。其中，偏振光时域反射仪和马赫-泽德干涉仪测试结构复杂，测试光纤长度较长，过长的光纤造成的信号衰减及测量的损耗；光学相干偏振监测仪测试结构简单但测试的长度较短。
而采用本发明所提出的保偏光纤弱模耦合测量仪，目前国际上尚没有类似的专利。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪及控制方法，通过偏振态调整机构调整对进入测量仪的输入光束的偏振态，经保偏的光纤进入干涉仪，将光信号转换为电信号后，连接至计算机进行控制。
本发明提出的一种高精度高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪，包括测量光纤、偏振态调整机构(20)和扫描干涉仪(30)；其特征在于所述偏振调整机构包括可旋半波片(21)、分光棱镜(22)、第一会聚透镜、步进电机(25)和第一光电探测器(24)，所述扫描干涉仪(30)包括分束棱镜(31)、第一棱镜(32)第二棱镜(33)和第三棱镜(34)、扫描直角棱镜(35)、第二会聚透镜(36)、第二光电探测器37以及第二步进电机(38)，光束进入双折射保偏光纤中，经过扩束透镜后进入偏振态调整机构(20)，由设置在所述偏振态调整机构(20)中的第一步进电机(25)带动可旋半波片(21)转动，得到偏振光束；偏振光束在第一分光棱镜(22)的作用下，分成两束光，一束进入扫描干涉仪(30)，另一束则通过第一会聚透镜(23)，进入第一会聚透镜(23)的平行光信号会聚后，被第一光电探测器(24)接收，该电信号传送至计算机(40)进行数据采集和处理，另一束到达扫描干涉仪(30)的光信号，被分束棱镜(31)分成两束光，一路经过第一棱镜(32)和第二棱镜(33)的反射后到达第二会聚透镜(36)，由该第二会聚透镜(36)将光束会聚在第二光电探测器(37)上；另一路经过扫描直角棱镜(35)和第三棱镜(34)的反射后到达第二会聚透镜(36)；两束光在第二光电探测器(37)上形成干涉条纹，扫描直角棱镜(35)设置于精密导轨(39)上，步进电机(38)启动精密导轨(39)平行移动扫描直角棱镜，改变两条干涉光路的光程差，测量双折射率光纤中偏振耦合点。
本发明提出的双折射保偏光纤弱模耦合测量仪具有测量精度高，灵敏度高的特点，可广泛用于工业、军事和民用中传感、检测领域，具有广阔的应用前景。
下面将结合实施例，并参照附图进行详细说明，以便对本发明进行更深入的说明。
图1为本发明高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪的设备连接示意图。
图2为本发明高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪的光路示意图。
图3为本发明高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪的计算机控制流程示意图。
图4为本发明高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪的电路连接示意图。
具体实施例方式
本发明所提出的高精度高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪及其控制方法，其主要结构包括扫描干涉仪和偏振态调整机构偏振态调整机构用来对输入光束进行偏振态的调整，由两个线偏振器、扩束透镜和一段双折射保偏光纤组成；扫描干涉仪用于对保偏光纤进行光学干涉处理，其中包括分束棱镜，定长干涉臂(由棱镜组成)，扫描干涉臂和干涉信号探测系统；如图1所示，为本发明高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪的设备示意图该设备主要由前端的输入信号部分、以及两个各具功能的偏振态调整机构和扫描干涉仪机构。其中，位于前端的输入信号部分包括超辐射发光二极管(SLD)1、光纤绕组2、扩束透镜3；偏振态调整机构10包括可旋半波片11，分光棱镜(本发明中采用GRAN棱镜)12、第一会聚透镜13、第一光电探测器14和第一步进电机15；扫描干涉仪20包括分束器21、第一棱镜22、第二棱镜23、第三棱镜24、扫描直角棱镜25、第二会聚透镜26、第二光电探测器27、第二步进电机28以及精密导轨29；最后，还包括用于计算机处理的数据采样和处理模块30。该设备的工作原理简述如下从超辐射发光二极管(SLD)1发射出来的光束进入双折射保偏光纤2中，光束经过扩束透镜3后进入偏振态调整机构20，此时，无论输入光束是何种状态的偏振形式，在可旋转半波片21和GRAN棱镜22的作用下，都将被调整为确定可进入测量仪中光信号的偏振态；其中可旋半波片的旋转由步进电机25带动，实现半波片角度的变化，从而保证输入光束的偏振光线符合要求；偏振光束在分光棱镜(Gran棱镜)22的作用下，分成两束光，一束进入扫描干涉仪30，以便测量偏振态的耦合点；另一束则通过第一会聚透镜23。
进入第一会聚透镜23的平行光信号会聚后，被第一光电探测器24接收，接收到的光信号被转换为电信号，该电信号传送至计算机，以便确定光纤绕组中的偏振态，在偏振态调整机构中，利用光电探测器24探测光束的偏振角以便调整输入光信号的偏振态。
另一束到达扫描干涉仪30的光信号，首先经过分束棱镜31分成两束光，一路经过第一棱镜32和第二棱镜的33的反射后到达第二会聚透镜36，其作用是将光束会聚在第二光电探测器37上；另一路经过扫描直角棱镜35和第三棱镜34的反射后也到达第二会聚透镜；两束光在第二光电探测器37上形成干涉条纹。扫描直角棱镜35的移动，改变两条干涉光路(光路1和光路2)的光程差，便可以测量双折射率光纤中偏振耦合点。其中扫描直角棱镜放在一精密导轨39上，由第二步进电机38控制。这里计算机40起到控制步进电机和显示光电探测器采集到的信号的作用。
本发明的光路设计如图2所示超辐射发光二极管a发出的光经过线偏振器b后耦合进入测量光纤c中，待测光纤在应力场下产生偏振模式耦合。光经过扩束透镜d和线偏振器e后进入扫描干涉仪中；在分束棱镜f的作用下，光束分为两束光；一束在棱镜g的作用下折返，为扫描干涉仪的固定臂；另一束光在扫描干涉仪的扫描臂(由棱镜h和i组成)中折返，该折返棱镜可以是一个可以几个棱镜的组合；通过扫描直角棱镜的移动，在透镜j的位置前形成干涉，透镜j的作用是会聚两束干涉光。干涉图由探测器k接收，经过数据采样和处理模块在计算机中实时再现干涉图谱，完成测量过程，得到测量数据。
在扫描干涉仪中光路1中的第一棱镜22和第二棱镜23可用平面镜或类似的光反射装置代替；光路2中的扫描直角棱镜25和第三棱镜24同样可以用平面镜或类似的光反射装置代替。
光电探测器可采用PIN或APD光电二极管，其型号为PDS363等。
精密导轨是整个干涉仪的关键部件，它采用高精度线性导轨，其类型为滚珠丝杆结构，型号为THK公司KL2602A或上海联谊公司精制导轨等。
本发明还利用计算机完成信号的采样和分析，以及工作过程的自动控制，这些措施都视为了更好地保证测量仪的测试精度，测试仪的控制流程示意图参见图3所示，该流程包括以下步骤首先，计算机分别连接至上述测量仪的两个光电探测器，步骤301；对接收到的光电信号进行译码处理，步骤302；然后该译码后的光信号进行信号采集，同时完成A/D转换，步骤303；判断此时是否需要调整偏振信号的角度，步骤304；如果需要，则启动测量仪中的第一步进电机，步骤305；驱动半波片转动，步骤306；返回步骤301，将改变角度后的新的光信号接续送入计算机，此时，如果不需要再改变偏振角度，则表明此时没有新的信号处理，流程结束；若需要采集的光信号尚未采集完成，步骤307；则需要通过计算机启动第二步进电机，步骤308；驱动精密导轨，步骤309；通过改变扫描直角棱镜的位置，取得不同的干涉条纹信号，以便完成整个测量过程。此流程中，计算机的主要用途就是接收光信号，并进行信号类型的转换，以便进行计算机可执行的数据处理，以及通过程序控制两台步进电机，分别影响光路的偏振态调整和扫描干涉条纹的形成。
下面以一具体实施例，具体说明本发明中测量仪与计算机之间的工作过程。
本发明整个仪器的单元框图设计如图4所示。整个电路主要包括偏振调整机构部分和扫描干涉仪部分，并且通过其中的PCI接口和PCI数据采集卡与计算机相连，进行数据采集和处理，该部份包括PCI接口芯片S5933、主控芯片FPGA和总线驱动器与总线缓冲器；总线驱动器与总线缓冲器分别控制偏振调整机构和扫描干涉仪中的步进电机，同时又收集分别来自偏振调整机构和扫描干涉仪的两个光电采集模块的光电信号，给计算机作处理。整个电路与计算机之间的连接依靠PCI总线接口完成。
其中S5933和FPGA是电路的核心控制芯片。S5933选用AMCC公司，FPGA选用AlTERA公司的FLEX10KA系列等。
以上所述，仅为本发明的实施例，并不用来限定本发明的技术方案，因此，凡是不脱离本发明设计理念而为的相似设计或者任何等量变换，均被认为已落入本发明所要保护权利范围内。
权利要求
1.一种高精度高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪，包括测量光纤、偏振态调整机构(20)和扫描干涉仪(30)；其特征在于所述偏振调整机构包括可旋半波片(21)、分光棱镜(22)、第一会聚透镜、步进电机(25)和第一光电探测器(24)，所述扫描干涉仪(30)包括分束棱镜(31)、第一棱镜(32)第二棱镜(33)和第三棱镜(34)、扫描直角棱镜(35)、第二会聚透镜(36)、第二光电探测器37以及第二步进电机(38)，所述偏振调整机构(20)和扫描干涉仪(30)分别通过光电探测器与计算机的PCI接口相连接；其中光束进入双折射保偏光纤中，经过扩束透镜后进入偏振态调整机构(20)，由设置在所述偏振态调整机构(20)中的第一步进电机(25)带动可旋半波片(21)转动，得到偏振光束；偏振光束在第一分光棱镜(22)的作用下，分成两束光，一束进入扫描干涉仪(30)，另一束则通过第一会聚透镜(23)，进入第一会聚透镜(23)的平行光信号会聚后，被第一光电探测器(24)接收，该电信号传送至计算机(40)进行数据采集和处理，另一束到达扫描干涉仪(30)的光信号，被分束棱镜(31)分成两束光，一路经过第一棱镜(32)和第二棱镜(33)的反射后到达第二会聚透镜(36)，由该第二会聚透镜(36)将光束会聚在第二光电探测器(37)上；另一路经过扫描直角棱镜(35)和第三棱镜(34)的反射后到达第二会聚透镜(36)；两束光在第二光电探测器(37)上形成干涉条纹，扫描直角棱镜(35)设置于精密导轨(39)上，步进电机(38)启动精密导轨(39)平行移动扫描直角棱镜，改变两条干涉光路的光程差，测量双折射率光纤中偏振耦合点。
2.如权利要求1所述的高精度高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪，其特征在于，所述光电探测器与计算机的PCI接口相连接，所述PCI接口包括PCI接口芯片S5933。
3.如权利要求1所述的高精度高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪，其特征在于，分光棱镜采用GRAN棱镜。
4.如权利要求1所述的高精度高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪的控制方法，对计算机接收到的数据采样和控制，其特征在于，该方法包括以下步骤将计算机分别连接至上述测量仪的光电探测器；对接收到的光电信号进行译码处理；将译码后的光信号进行信号采集，同时完成A/D转换，步骤303；判断是否需要调整偏振信号的角度；如果是，则启动测量仪中的第一步进电机，驱动半波片转动；将以上得到的偏振光束转换的光电信号送入计算机；如果否，则流程结束；若光信号尚未采集完成；则通过计算机控制第二步进电机驱动精密导轨；改变扫描直角棱镜的位置，取得不同的干涉条纹信号，以便完成整个测量过程。
全文摘要
一种高精度高双折射保偏光纤弱模耦合测量仪，包括测量光纤、偏振态调整机构(20)和扫描干涉仪(30)；其特征在于所述偏振调整机构包括可旋半波片(21)、分光棱镜(22)、第一会聚透镜、步进电机(25)和第一光电探测器(24)，所述扫描干涉仪(30)包括分束棱镜(31)、第一棱镜(32)第二棱镜(33)和第三棱镜(34)、扫描直角棱镜(35)、第二会聚透镜(36)、第二光电探测器37以及第二步进电机(38)，所述偏振调整机构(20)和扫描干涉仪(30)分别通过光电探测器与计算机的PCI接口相连接。本发明提出的双折射保偏光纤弱模耦合测量仪具有测量精度高，灵敏度高的特点，可用于工业、军事和民用中传感、检测领域，具有广阔的应用前景。
文档编号G01D5/26GK1796946SQ20041009412
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月30日 优先权日2004年12月30日
发明者贾大功 申请人:天津大学