专利名称：一种光纤磁光系数测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属光纤测量领域。
光导纤维具有质量轻、抗电磁干扰、安全、耐腐蚀等优点。目前，光导纤维除了用作光通信的传输媒质外，在传感领域也有很广泛的应用，可作为传感元件应用于高压电力传输线上大电流的测量。光纤传感电流的原理是应用光纤的磁光效应，即利用电流在其周围产生的磁场使光纤中传输的线偏振光偏振方向发生旋转，通过测量旋转的角度即能知道电流的大小。而磁光系数(Verdet常数)就是表征材料磁光效应大小的一个物理量，准确测量这一常数具有十分重要的意义。
现有测量光纤Verdet常数的装置主要包括光源、起偏器、显微物镜、用于固定被测光纤的微调架、环绕被测光纤的通电螺线管、光探测器和信号处理器。沿轴向对光纤施加一已知磁场，通过测量偏振光偏振方向旋转的角度来求得Verdet常数。由于实际上光纤并不完全各向同性，特别在安装、调整测量过程中，容易引入线双折射，造成测量结果有较大误差。美国Optics Letter杂志Vol.14，No.21，1228－1230(1989)提出分别用线偏振光及园偏振光入射，通过接收端的信号处理来消除双折射对测量结果的影响。而实际上上述测量中用到的近于理想的园偏振光在实验中是很难实现的，另外，实际光纤线双折射分布的不均匀性也对测量结果有较大影响，因此这一测量装置和方法得不到精确的测量结果。
本实用新型的目的在于将现有尚不能实际使用于一般单模光纤的磁光系数测量装置改造成可准确测量、适于实施的装置。
附
图1为本实用新型光纤磁光系数测量装置示意图。该装置在现有主要包括排列在同一光路上的光源1、起偏器2、前显微物镜3、用于固定光纤5的微调架4、环绕被测光纤5的通电螺线管6、后显微物镜10、检偏器11、光探测器12和信号处理器13的光路中，在通电螺线管6和显微物镜10之间，将固定光纤5的后微调架改为可将被测光纤无应力地固定并可使其扭转的装置9。螺线管6的电流由电源7提供，并通过电流表8指示电流大小。上述各元件可固定在装置的底座14上。
附图2为可将被测光纤固定和扭转的装置9的示意图，它可以是一个中心带孔15的园盘16，该孔15用于使被测光纤5穿过，并可用胶或无应力夹具将光纤5与园盘16相对固定。园盘上刻有可指示其偏转角度的刻度17，该园盘16嵌在一框架18内，框架18可固定在装置的底座14上，园盘16可在框架18内转动，并可用卡子或螺钉19使其与框架18相对固定于某一旋转位置。在框架上有一用于指示园盘旋转角度的标志或指针20，及可将其固定到底座14上的固定螺孔21。
所述用于固定和扭转光纤的装置9可放在被测光纤5的前端或尾端，一般放在尾端较为方便。因为放在光纤前端时，在转盘带动光纤一起转动时，易引起光注入对不准的困难。根据光纤具有的不同双折射可适当选取扭转的圈数在30圈／米至50圈／米之间。通常，普通的单模光纤，拍波长在几米至几十米范围，光纤的扭转率选择35圈／米以上即能满足要求。光纤露出转盘平面的长度以较小为宜，一般不大于3cm，因为较长的尾部未扭转的光纤会使测量结果造成一定误差。测量时，使光源1发出的光经起偏器2、前显微物镜3注入光纤5后，给螺线管6接通电源7，一般采用直流电源，也可使用交流电源，此时需将信号处理器13相应改变为可处理交流信号的处理器。观察经检偏器11的光的强度或功率在电流接通前后的变化，旋转检偏器11至适当角度，以找出光强度或光功率在电流接通前后变化的最大值。光探测器12的作用是将光强信号转化为电信号。改变起偏器2的角度，再旋转检偏器11，寻找电流接通前后光强度或光功率变化的最大值。重复上述步骤多次，当起偏器2取某一特定的角度位置时，通过旋转检偏器11至某一适当位置，可在信号处理器13上观察到通电前后光强的最大变化，此时可得到线偏振光的最大偏转角度，记下这一角度。则光纤的Verdet常数可由式V＝θ／(H·L)计算得到。其中θ为最大偏转角，H为磁场强度，L为光纤长度。
本实用新型采用将光纤扭转来克服光纤存在均匀或不均匀线双折射而引起的测量误差，其依据的原理是当光纤扭转时，扭转的切向力在光纤中产生一个较强的园双折射；同时，当光纤的扭转率较高时光纤的几何旋转起到一个消除光纤线双折射对光纤磁光效应影响的作用。二者叠加，就克服了线双折射对测量结果的影响。
采用上述装置及方法测得的Verdet常数，误差近似在0至△β／τ之间，其中△β为光纤的线双折射，τ为光纤的扭转率，对于标准的单模光纤，△β值约在0－2πrad／m之间或略高。当τ为40圈／米时，对△β＝2πrad／m的光纤可能引入的最大测量误差在2.5％以内。对于△β值更高的光纤，若能以其它方法先测得△β值，则利用本实用新型装置就能测出Verdet的精确值。当线双折射的分布不均匀时，采用较大扭转率引起光纤几何旋转，就能抵消线双折射对测量结果的影响。
现有测量装置没有考虑误差原因及校正方法，测量结果的误差大小无法估计，尚不能实际应用。本实用新型测量装置克服了现有测量装置在测量原理上的缺点，具有测量准确度高、容易实施的特点，可适用于较宽范围的各种光纤Verdet常数的测量。
下面以主要由SiO2为线芯材料的光纤为例，说明采用本装置测量Verdet常数的具体过程。
被测光纤的纤芯直径为5μm，线双折射△β＝40°／m，光纤在0.633μm波长下单模。光源采用0.633μm波长的He－Ne激光器，输出功率为2mW，起偏器采用格兰·汤普逊棱镜；消光比大于60dB，用10倍显微物镜将光耦合到光纤之中。螺线管电流由一台大功率直流电源提供，最大电流30A，螺线管长1米，平均直径2cm，由500匝粗导线绕成。从光纤尾端出射的光经10倍显微物镜变为近平行光，通过检偏器，由Si－Pin光探测器接收，光功率由一功率计(信号处理器)显示。扭转光纤的转盘安装在靠近光纤尾端，光纤穿过转盘中心孔后伸出端面长度为1cm，光纤和园盘之间用胶相对固定，旋转园盘使光纤扭转率τ达35圈／米。然后旋转检偏器，找出光的偏振方向，例如在检偏器刻度的52°位置上。给螺线管接通30A电流后，再寻找输出光的偏振方向，例如在检偏器53°位置上。改变起偏器的角度，观察加上30A电流后输出光偏振方向的偏转角度，记下这一数值。反复调整起偏器的方向，找出接通电流前后偏振光的最大偏转角度。经反复多次上述步骤，测得偏振光偏振方向在电流接通前后的位置对应在检偏器的56°及60°位置上，即得最大偏转角度为60°－56°＝4°，则由V＝θ／(H·L)＝4°／(n·I)＝4°／(500×30A)＝2.667×10－4deg／A＝4.6×10－6rad／A由△β／τ＝40°／(35×360°)＝0.32％，可知这一测量结果的最大相对误差为0.32％。
权利要求1.一种光纤磁光系数测量装置，包括依次排列在同一光路上的光源、起偏器、显微物镜、用于固定光纤的微调架、环绕被测光纤的通电螺线管、检偏器、光探测器和信号处理器，其特征在于在光路中的螺线管和显微物镜之间，将其中一个用于固定光纤的微调架改成可将被测光纤无应力地固定并可将其扭转的装置。
2.如权利要求1所述光纤磁光系数测量装置，其特征在于所述可将被测光纤无应力地固定和扭转的装置可以是一个中心带孔的园盘，该孔用于使被测光纤穿过，并可用胶或无应力夹具将其与圆盘相对固定，园盘上刻有可指示其旋转角度的刻度。
专利摘要本实用新型为一种光纤磁光系数测量装置，包括依次排列在同一光路上的光源、起偏器、显微物镜、用于固定光纤的微调架、环绕被测光纤的通电螺线管、可将被测光纤无应力地固定并可将其扭转的圆盘、检偏器、光探测器和信号处理器；采用本装置将被测光纤扭转可克服光纤存在线双折射而引起的测量误差，可适用较宽范围的各种光纤Verdet常数的测量，准确度高，容易实施。
文档编号G01M11/02GK2098028SQ9121814
公开日1992年3月4日 申请日期1991年7月10日 优先权日1991年7月10日
发明者董小鹏 申请人:中国科学技术大学