一种保偏光纤拍长测量装置和测量方法

1.本发明涉及光学技术领域，特别是指一种保偏光纤拍长测量装置和测量方法。


背景技术：

2.自从光纤问世以来，光纤技术持续着高速发展，通信容量不断提升，在光纤传感及光纤激光器等其它领域的应用范围也不断扩大。随着物联网、国防军工等领域的快速发展，对光纤性能的要求日益增加。由于在光纤的传输过程中，光波的偏振态易发生耦合，产生偏振色散，使传输性能退化，因此保偏光纤受到了越来越多的关注。保偏光纤通过采用特殊结构或添加内部应力，人为引入强双折射，消除了he
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模的简并度，能够保证两个偏振模不耦合，是一类应用广泛的特种光纤。尤其在军事领域，洲际导弹、核潜艇的制导，飞机的导航定位所依赖的高精度光纤陀螺对高质量保偏光纤需求巨大。其它军事及民用设备：地震检波器、水听器、地质勘探器等都依赖于保偏光纤的发展。在传感方面，保偏光纤因为高灵敏度和优异的稳定性，在温度、机械微扰和电磁效应等传感领域具有无可比拟的优势。
3.上个世纪80年代，国内外几乎同时兴起了对保偏光纤的研制，但由于在国防、航空领域的重要价值，国外始终对我国保持技术上的封锁。经过几十年的发展，长飞等企业研制的国产保偏光纤已具备良好的产品质量。但是在保偏光纤性能的测试与评估方面还有待深入，光纤生产厂商通常只能给出研制的保偏光纤规格参数的大致范围，很难实现对保偏光纤性能参数的精确测量。保偏光纤的性能参数有拍长、模式双折射、消光比等，其中拍长能够直观权衡偏振保持能力，其定义为两个偏振模相位差变化2π时，光在光纤中传输的距离。准确可靠地测量出拍长对于保偏光纤的生产、研制和应用发展具有重要价值。此外，拍长的测量与分析还可以应用在偏振控制器、波分复用器、光纤激光器和偏振器等多个领域。
4.测量拍长的传统方法有压力法，剪短法，电磁调制法，扭转法。这些方法的基本原理是基于输出光偏振态随物理量：扭转角、压力、光纤长度、外加电磁场的变化规律进行测量。然而这些方法装置复杂，有些对光纤有永久性损害。例如公开号为：“cnio1236127a”的专利文献，公开了一种基于压力法的保偏光纤拍长测量方法及测量装置。该方法的装置包括光路系统、施力装置、数据采集及处理系统。光路系统含有光源、晶体起偏器、聚焦透镜、晶体检偏器；施力装置采用带有高精度双向步进电机的移动机构，沿被测保偏光纤的长度方向以移动方式给其径向施加一定的压力,使经过被测保偏光纤后输出的光功率出现周期性变化；数据采集及处理系统通过光功率计采集被测光纤输出的光功率,由计算机对光功率计的输出进行相应的处理和解算后,得出被测保偏光纤的平均拍长以及光功率随采集时间的变化曲线。该方法属于接触测量，操作难度较大，测量结果易受到光纤的放置状态影响，精度不高。
5.干涉法是目前流行的拍长测量方法，通过分析干涉谱或干涉图的特性来测量光纤的拍长。基于sagnac干涉环和光谱仪是目前主流的干涉技术之一，例如公开号为：“cn105675258a”的专利文献，公开了一种基于干涉级数的高双折射光纤拍长测量方法，该方法利用sagnac干涉环，根据高双折射光纤快轴和慢轴方向的光通过光纤，产生不同的相
位延迟后发生干涉，采集相邻两个极值的波长，通过干涉谱的极值特性计算出待测光纤的拍长。除此之外基于michelson干涉仪的方法也是经典的拍长测量技术，例如公开号为：“cn1811365a”的专利文献，公开了一种对保偏光纤拍长的检测系统，由宽谱光源射出的光经待测保偏光纤入射到michelson干涉仪中，光电探测器对干涉信号处理后输出光强信号给前放电路，前放电路对光强信号转换处理后输出给锁相放大器，锁相放大器对接收的光强电压信号和由信号发生器输出的正弦波脉冲进行解调后输出调制信号给拍长检测装置，平移电机带动测量镜移动，将移动距离信息反馈给拍长检测装置，拍长检测装置对调制信号和移动距离进行处理获得拍长。然而这些基于干涉的方法通常需要建立复杂的干涉仪系统，并且需要昂贵的光学设备，如用于波长扫描的光谱分析仪，对光谱仪的分辨率要求高，后续数据处理也比较复杂，测量时间较长。这成为亟待了解决的技术问题。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种保偏光纤拍长测量装置和测量方法，属于非接触测量，对光纤无损害，精度高，操作简单，测量范围广。
7.为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种保偏光纤拍长测量装置，包括前处理光路、光线延迟器、标准单模光纤、测试光纤、显示终端、分束器、合束器，所述光线延迟器、标准单模光纤依次设置于所述分束器与合束器之间组成参考光路，所述测试光纤设置于分束器与合束器之间组成测量光路，所述参考光路与所述测量光路相互并联，所述合束器还与ccd感光器组成成像光路，所述显示终端与所述ccd感光器电性连接，所述光线延迟器与所述控制终端电性连接。
9.优选地，所述标准单模光纤两端还分别连接有第一耦合器。
10.优选地，所述测试光纤两端还分别连接有第二耦合器。
11.优选地，所述参考光路还包括第一显微物镜，第一显微物镜设置于标准单模光纤与合束器之间。
12.优选地，所述测量光路还包括第二显微物镜，第二显微物镜设置于测试光纤与合束器之间。
13.优选地，所述显示终端和控制终端组成计算机系统。
14.优选地，所述前处理光路包括光源生成器和波长选择器，光源生成器、波长选择器与所述分束器依次设置组成前处理光路。
15.一种利用本发明保偏光纤拍长测量装置的保偏光纤拍长测量方法，包括以下操作步骤：
16.a.使特征光束经过分束器传播后生成第一测试光束和第二测试光束，使第一测试光束通过参考光路，同时使第二测试光束经过测量光路传输后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述ccd感光器上生成干涉全息图；
17.b.所述显示终端和控制终端组成计算机系统，在所述计算机系统中，控制终端通过内置的保偏光纤拍长测试软件系统对在ccd感光器上生成干涉全息图依次进行傅里叶变换运算、基于模式特征的频域滤波处理后，得到偏振模式能量波动曲线，分析正交偏振模式间的延时差，并经过计算，获得保偏光纤的拍长，然后通过显示终端向用户显示。
18.优选地，在所述步骤a中，特征光束是由所述光源生成器生成的超连续宽光谱光束经过前处理光路传播后对其波长进行筛选后形成。
19.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优点：
20.1.采用本发明的技术方案，首先通过光源生成超连续宽光谱光束，超连续宽光谱光束经过前处理光路、分束器传播后生成第一测试光束和第二测试光束，第一测试光束通过参考光路传播后生成参考光束，第二测试光束经过测量光路传输后生成物光光束，两束光分别经过第一显微物镜和第二显微物镜的放大后，经过合束器合束，最后成像在ccd感光器件上，由ccd感光器件记录全息图；
21.2.本发明由控制终端控制光线延迟器产生不同延时下的实时全息图，通过所述显示终端提取实时全息图并经过计算获得保偏光纤拍长；
22.3.本发明的测量装置和测量方法属于非接触测量，对光纤没有任何损害，精度高，操作简单，测量范围广，第一测试光路经过延时装置后成为参考光束，光线延迟器由计算机进行控制，对延时时间进行调节，获得参考光束不同的光程延时量，从而获得不同延时状态下的实时干涉全息图，经过实时处理后构建出偏振模式能量波动曲线，分析正交偏振模式间的延时差，最终计算出拍长；
23.4.本发明装置对保偏光纤的研制、生产和应用环节具有指导作用，并对偏振光学、保偏光纤传感应用等领域提供试验基础，具有适用范围广，实用价值高的优点。
附图说明
24.图1是本发明优选实施例装置的结构示意图。
25.图2是本发明优选实施例获得的保偏光纤的偏振模式能量波动曲线图。
26.图3是本发明优选实施例获得的保偏光纤各个偏振模式的数字全息图。
27.图4是本发明优选实施例获得的保偏光纤各个偏振模式的模式强度分布图。
28.图中：1
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光线延迟器，2
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标准单模光纤，3
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测试光纤，4
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显示终端，5
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分束器，6
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合束器，7
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ccd感光器，8
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第一耦合器，9
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第二耦合器，10
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第一显微物镜，11
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第二显微物镜，12
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控制终端，13
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光源生成器，14
‑
波长选择器。
具体实施方式
29.以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
30.实施例一：
31.在本实施例中，参见图1，一种保偏光纤拍长测量装置，包括前处理光路、光线延迟器1、标准单模光纤2、测试光纤3、显示终端4、分束器5、合束器6，其特征在于：所述光线延迟器1、标准单模光纤2依次设置于所述分束器5与合束器6之间组成参考光路，所述测试光纤3设置于分束器5与合束器6之间组成测量光路，所述参考光路与所述测量光路相互并联，所述合束器6还与ccd感光器7组成成像光路，所述显示终端4与所述ccd感光器7电性连接，所述光线延迟器1与所述控制终端12电性连接。
32.本实施例保偏光纤拍长测量装置能进行非接触测量，对光纤无损害，精度高，操作简单，测量范围广。
33.实施例二：
34.本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
35.在本实施例中，所述标准单模光纤2两端还分别连接有第一耦合器8。
36.在本实施例中，所述测试光纤3两端还分别连接有第二耦合器9。
37.在本实施例中，所述参考光路还包括第一显微物镜10，第一显微物镜10设置于标准单模光纤2与合束器6之间。
38.在本实施例中，所述测量光路还包括第二显微物镜11，第二显微物镜11设置于测试光纤3与合束器6之间。
39.在本实施例中，所述显示终端4和控制终端12组成计算机系统。
40.在本实施例中，所述前处理光路包括光源生成器13和波长选择器14，光源生成器13、波长选择器14与所述分束器5依次设置组成前处理光路。
41.本实施例通过光源生成超连续宽光谱光束，超连续宽光谱光束经过前处理光路、分束器传播后生成第一测试光束和第二测试光束，第一测试光束通过参考光路传播后生成参考光束，第二测试光束经过测量光路传输后生成物光光束，两束光分别经过第一显微物镜和第二显微物镜的放大后，经过合束器合束，最后成像在ccd感光器件上，由ccd感光器件记录全息图；本实施例由控制终端控制光线延迟器产生不同延时下的实时全息图，通过所述显示终端提取实时全息图并经过计算获得保偏光纤拍长；测量装置能进行非接触测量，对光纤没有任何损害，精度高，操作简单，测量范围广。
42.实施例三：
43.本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
44.在本实施例中，一种上述实施例保偏光纤拍长测量装置的保偏光纤拍长测量方法，包括以下操作步骤：
45.a.使特征光束经过分束器5传播后生成第一测试光束和第二测试光束，使第一测试光束通过参考光路，同时使第二测试光束经过测量光路传输后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在所述ccd感光器7上生成干涉全息图；所述特征光束是由所述光源生成器13生成的超连续宽光谱光束经过前处理光路传播后对其波长进行筛选后形成；
46.b.所述显示终端4和控制终端12组成计算机系统，在所述计算机系统中，控制终端12通过内置的保偏光纤拍长测试软件系统对在ccd感光器7上生成干涉全息图依次进行傅里叶变换运算、基于模式特征的频域滤波处理后，得到偏振模式能量波动曲线，分析正交偏振模式间的延时差，并经过计算，获得保偏光纤的拍长，然后通过显示终端4向用户显示。
47.本实施例测量方法属于非接触测量，通过光源生成超连续宽光谱光束，超连续宽光谱光束经过前处理光路、分束器传播后生成第一测试光束和第二测试光束，第一测试光束通过参考光路传播后生成参考光束，第二测试光束经过测量光路传输后生成物光光束，两束光分别经过第一显微物镜和第二显微物镜的放大后，经过合束器合束，最后成像在ccd感光器件上，由ccd感光器件记录全息图；本实施例测量方法对光纤没有任何损害，精度高，操作简单，测量范围广。
48.实施例四：
49.本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
50.在本实施例中，如图1至图4、表1所示，本实施例一种保偏光纤拍长测量装置，包括光线延迟器1、标准单模光纤2、测试光纤3、显示终端4、分束器5、合束器6，光线延迟器1、标准单模光纤2依次设置于分束器5与合束器6之间组成参考光路，测试光纤3设置于分束器5与合束器6之间组成测量光路，参考光路与测量光路相互并联，合束器6还与ccd感光器7组成成像光路，所述显示终端4与所述ccd感光器7电性连接，光线延迟器1与控制终端12电性连接。
51.另外，标准单模光纤2两端还分别连接有第一耦合器8。测试光纤3两端还分别连接有第二耦合器9。参考光路2还包括第一显微物镜10，第一显微物镜10设置于标准单模光纤2与合束器6之间。测量光路还包括第二显微物镜11，第二显微物镜11设置于测试光纤3与合束器6之间。第一显微物镜10和第二显微物镜11主要用于放大经过相应参考光路和测量光路的光束。
52.此外，显示终端4和控制终端12组成计算机系统。计算机通过内置的保偏光纤拍长测试软件对在ccd感光器上生成干涉全息图依次进行傅里叶变换运算、基于模式特征的频域滤波处理后得到偏振模式能量波动曲线，分析正交偏振模式间的延时差最终得到拍长，为后期开展对保偏光纤特性的研究奠定了基础。
53.此外，保偏光纤拍长测量装置还包括光源生成器13和波长选择器14，光源生成器13、波长选择器14与所述分束器5依次设置组成前处理光路。
54.本实施例使用如前保偏光纤拍长测量装置的保偏光纤拍长测量方法，包括以下步骤：
55.使特征光束经过分束器传播后生成第一测试光束和第二测试光束，使第一测试光束通过参考光路延时传播后生成参考光束，同时使第二测试光束经过测量光路传输后生成物光光束，再使参考光束与物光光束经过成像光路汇合后在ccd感光器7上生成干涉全息图，通过显示终端4提取该干涉全息图，获得保偏光纤的偏振模式能量波动曲线，最终计算获得拍长后向用户显示。特征光束是由光源生成器13生成的超连续宽光谱光束经过前处理光路传播后对其波长进行筛选后形成。
56.表1.本发明实施例四获得的5个保偏光纤样品的拍长值对比表
[0057][0058]
在本实施例中，首先通过光源生成超连续宽光谱光束，超连续宽光谱光束经过前处理光路、分束器传播后生成第一测试光束和第二测试光束，第一测试光束通过参考光路传播后生成参考光束，第二测试光束经过测量光路传输后生成物光光束，两束光分别经过第一显微物镜和第二显微物镜的放大后，经过合束器合束，最后成像在ccd感光器件上，由
ccd感光器件记录全息图。由控制终端控制光线延迟器产生不同延时下的实时全息图，通过所述显示终端提取实时全息图并经过计算获得保偏光纤拍长，本实施例测量装置和测量方法属于非接触测量，对光纤没有任何损害，精度高，操作简单，测量范围广，第一测试光路经过延时装置后成为参考光束，光线延迟器由计算机进行控制，对延时时间进行调节，获得参考光束不同的光程延时量，从而获得不同延时状态下的实时干涉全息图，经过实时处理后构建出偏振模式能量波动曲线，最终计算出拍长。本实施例仪器对保偏光纤的研制、生产和应用环节具有指导作用，并对偏振光学、保偏光纤传感应用等领域提供试验基础，具有适用范围广，实用价值高的优点。
[0059]
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。