專利名稱：光纖色散測量系統(tǒng)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學測試設(shè)備及其使用方法，尤其涉及一種對光學中的色散性質(zhì) 進行測量的設(shè)備及其使用方法。
背景技術(shù)：
自1992年Russell等人提出光子晶體光纖的概念以來，光子晶 體光纖便以其奇異 的特性得到了各國科研人員的極大關(guān)注，相關(guān)的理論和實驗研究論文每年以70%的速度遞 增。光子晶體光纖表現(xiàn)出來的無截止單模、大模場面積、極強的非線性效應(yīng)、高雙折射效應(yīng)、 色散可控且在可見光和近紅外波段具有反常色散等優(yōu)異特性，使得它在色散補償性、超連 續(xù)譜的產(chǎn)生、光纖傳感、大功率激光傳輸、大功率光纖激光器等方面擁有巨大的應(yīng)用前景。色散是光子晶體光纖最為重要的特性參數(shù)之一，如超連續(xù)譜的產(chǎn)生等許多應(yīng)用都 必須預(yù)先知道它的色散特性。雖然，光子晶體光纖色散特性的數(shù)值計算方法已經(jīng)很多，但相 關(guān)的實驗研究還很少。理論計算結(jié)果正確與否最終還需通過實驗來驗證，而且由于拉制的 光纖結(jié)構(gòu)不可能完全對稱，對光纖的色散特性也有較大的影響。因此，為了更好地獲取光子 晶體光纖的色散特性，必須進行色散測量。目前，還沒有專門針對光子晶體光纖設(shè)計的商用 色散測量系統(tǒng)。由于光子晶體光纖與普通光纖具有相同的色散概念，因此一般都是直接利 用普通光纖的色散測量方法進行測量。商用的光纖色散測量系統(tǒng)一般采用相移法，其測量原理是使不同波長的脈沖光 分別通過已知長度的被測光纖，分別測量它們對應(yīng)的相對群延時，再由群延時差計算出 被測光纖的色散系數(shù)。使用該系統(tǒng)的測量方法非常昂貴，且工作波長范圍一般為通信區(qū) (1530 1625nm)，測量精度一般在20ps左右，需要較長的測量光纖(> IOm)，不適合光子 晶體光纖。為尋找一種在實驗室就可實現(xiàn)的經(jīng)濟測量方法，國內(nèi)外光子晶體光纖研究者采 用較多的是飛秒時延技術(shù)和白光干涉技術(shù)。飛秒延時測量方法需要一臺可調(diào)的飛秒激光 器，其測量精度一般為50 lOOps，因此需要很長(幾十米)的光纖，不適合目前光子晶體 光纖制造成本較高的現(xiàn)狀。白光干涉測量方法由于采用了高精度的干涉測量技術(shù)，測量精 度可達lps，遠遠高于其它方法的測量精度，利用較短的光纖(< Im)就可實現(xiàn)色散測量，非 常適合光子晶體光纖。然而，傳統(tǒng)的白光干涉法需要一臺高精度、高穩(wěn)定性的光譜分析儀， 同時其測量帶寬受傳統(tǒng)白光光源光譜的限制，無法實現(xiàn)寬光譜的色散測量。光子晶體光纖 的許多應(yīng)用，如超連續(xù)譜產(chǎn)生、色散補償?shù)?，需要知道在很寬光譜范圍內(nèi)的色散特性。因此， 傳統(tǒng)白光干涉色散測量方法還是無法滿足光子晶體光纖實際應(yīng)用的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、成本小、精 度高、適用范圍廣的光纖色散測量系統(tǒng)，還提供一種操作簡單方便、測量效率高的該光纖色 散測量系統(tǒng)的使用方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種光纖色散測量系統(tǒng)，所述光纖色散測量系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)和干涉測量系統(tǒng)，所述光源系統(tǒng)包括沿光路依次布設(shè)的脈沖 激光器、光隔離器、窄帶濾波片、反射鏡組和光源用光子晶體光纖，所述干涉測量系統(tǒng)包括 分束器、接收分束器反射光束的測量臂和接收分束器透射光束的參考臂，所述測量臂中布 設(shè)有待測光纖組件；所述光源用光子晶體光纖的輸入端連接有一接收反射鏡組反射光束的 三維光纖耦合平臺，所述光源用光子晶體光纖的輸出端連接有一準直入射至所述分束器的 三維光纖耦合平臺；所述分束器另設(shè)有一輸出來自所述測量臂和參考臂的合并反射光束的 輸出端，該輸出端后的光路上依次布設(shè)有偏振器、窄帶濾波器、無截止單模光子晶體光纖組 件和數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)。上述的光纖色散測量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)白光干涉測量技術(shù)的缺陷，其一大創(chuàng)新在于 利用了光子晶體光纖的高非線性和色散可控特性制作出新型的超寬光譜白光光源，以替代 傳統(tǒng)的白光光源，這大大擴展了光纖色散測量的光譜范圍 ，不僅適用于普通光纖的色散測 量，而且特別適用于光子晶體光纖的色散測量。上述的光纖色散測量系統(tǒng)中，所述數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)的優(yōu)選結(jié)構(gòu)包括有一接收無 截止單模光子晶體光纖組件發(fā)出的光信號的光電探測器，所述光電探測器后連接有一數(shù)據(jù) 采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡后連有一計算機。正是由于本發(fā)明是利用光子晶體光纖產(chǎn)生的超連 續(xù)譜白光取代傳統(tǒng)白光光源，因此后續(xù)的干涉測量系統(tǒng)中無需采用價格昂貴的光譜分析 儀，只需采用一個普通的光電探測器、一張數(shù)據(jù)采集卡和一臺計算機即可完成后續(xù)的數(shù)據(jù) 采集和處理工作，且同樣具有很高的精度和穩(wěn)定性。上述的光纖色散測量系統(tǒng)中，所述參考臂的光路上優(yōu)選布設(shè)有一接收所述分束器 透射光束的色散補償平臺組件，色散補償平臺組件后的光路上設(shè)有一與所述計算機相連的 移動平面反射鏡系統(tǒng)。上述的光纖色散測量系統(tǒng)中，所述待測光纖組件優(yōu)選布設(shè)于所述測量臂中的固定 平面反射鏡與所述分束器之間的光路上，該待測光纖組件包括一段待測光子晶體光纖，所 述待測光子晶體光纖的一端連接有一接收所述分束器反射光束的三維光纖耦合平臺，所述 待測光子晶體光纖的另一端連接有一接收所述固定平面反射鏡反射光束的三維光纖耦合
D O上述的光纖色散測量系統(tǒng)中，所述無截止單模光子晶體光纖組件的組成優(yōu)選包括 一段無截止單模光子晶體光纖，所述無截止單模光子晶體光纖的一端連接有一接收所述窄 帶濾波器輸出光束的三維光纖耦合平臺，所述無截止單模光子晶體光纖的另一端設(shè)有一與 所述數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)相連接的裸纖適配器(簡稱FC頭)。作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種如上所述的光纖色散測量系統(tǒng)的使用 方法，該使用方法的一個重要操作步驟是使所述光源系統(tǒng)產(chǎn)生超連續(xù)譜白光，本發(fā)明提出 采用以下操作使所述光源系統(tǒng)產(chǎn)生超連續(xù)譜白光選用一高非線性光子晶體光纖作為所述 光源用光子晶體光纖，所述光源用光子晶體光纖內(nèi)部沿纖芯向外包圍有多層(一般為5 9層)空氣孔結(jié)構(gòu)，所述空氣孔的孔徑d—般為1 μ m 5μπι，所述空氣孔的孔間距Λ —般 為Ιμπι 5μπι，所述光源用光子晶體光纖的占空比d/Λ —般大于0. 6，所述光源用光子晶 體光纖的纖芯直徑一般為1 μ m 5 μ m。由于光子晶體光纖的物理特性在很大程度上是由 包層的空氣孔結(jié)構(gòu)決定，因此，通過合理設(shè)計光源用光子晶體光纖的包層空氣孔的大小、形 狀及排列方式便可實現(xiàn)色散控制和零色散點的選擇，同時還可以獲得很強的非線性，這非常有利于超連續(xù)譜白光的產(chǎn)生。作為對上述光纖色散測量系統(tǒng)的使用方法的進一步改進，使峰值功率足夠大(對 于脈沖寬度為fs級則須大于lkW，對于脈沖寬度為ps級或ns級則須大于IOkW)、且中心波 長位于所述光源用光子晶體光纖零色散點附近的反常色散區(qū)的脈沖激光注入到長度適當 (對于fs激光器為Im左右，對于ps或ns激光器為10 20m)的所述光源用光子晶體光纖 中以獲得超連續(xù)譜白光。在該優(yōu)選的工藝控制中，通過選擇適當波長、適當峰值功率及適當 脈寬的脈沖激光器，并將其產(chǎn)生的脈沖激光注入到上述的高非線性光子晶體光纖中，由于 各種非線性效應(yīng)的作用便可產(chǎn)生出更具可靠性和穩(wěn)定性的超連續(xù)譜白光。將上述操作產(chǎn)生 的超連續(xù)譜白光作為后續(xù)色散測量的光源，再結(jié)合窄帶濾波器便可實現(xiàn)寬帶光子晶體光纖 的色散測量。本發(fā)明的光纖色散測量系統(tǒng)及使用方法的工作原理為在采用本發(fā)明的光纖色散測量系統(tǒng)進行色散測量時，超連續(xù)譜白光光源輸出的光 束經(jīng)干涉測量系統(tǒng)中的分束器被分為兩束，分別進入干涉測量系統(tǒng)中的測量臂和參考臂； 測量臂中的反射光束的相位受到光纖色散的調(diào)制，而參考臂中的透射光束直接在空氣中傳 輸，測量臂、參考臂中的反射光束、透射光束分別經(jīng)過各自光路中的反射鏡再次反射后，再 經(jīng)合束器(所述分束器兼具有合束器功能)合成一束，最后經(jīng)過偏振器、窄帶濾波器及無截 止單模光子晶體光纖組件后進入到數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)中；當數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)中設(shè)有一光 電探測器時，光電探測器接收到的光強可以寫成<formula>formula see original document page 6</formula>式⑴中，I1U2分別表示測量臂、參考臂到達光電探測器的光強；ltest和l,ef分別 表示測量臂和參考臂的光程，其中Itest與待測光纖的色散有關(guān)。由于超連續(xù)譜白光光源的相干長度非常短，因此只有在兩臂光程基本相等的情況 下才能看到明顯的干涉現(xiàn)象，特別當光程完全相等時(Itest = Iref)，干涉最強。對每一個波 長XiG =0，1，... η)，通過調(diào)節(jié)參考臂或測量臂的光程(如通過掃描安裝在參考臂或測 量臂中電控線性移動平臺上的反射鏡實現(xiàn))，可得到一組光強隨時間(或隨反射鏡的位置) 變化的干涉圖樣，當兩臂光程相等時干涉光強最大，此時記錄干涉最強時移動平面反射鏡 的位置Xi (i = 0，1，. . . η)，便能得到一組(λ ρ Xi)。利用以下經(jīng)驗公式⑵進行多項式擬 合，便可得到干涉最強位置隨波長的變化關(guān)系式χ = χ ( λ )。χ(λ) = α+β λ_4+γ λ_2+ζ λ2+ξ λ4 (2)式(2)中，α、β、Υ、ζ禾Π ξ為擬合多項式的系數(shù)。由色散系數(shù)D的原始定義可得、<formula>formula see original document page 6</formula>式(3)中，L為待測光纖長度，Δ τ為相鄰波長對應(yīng)的群時延差，Δ λ為相鄰的波 長差，c為光速，Δ χ為相鄰波長對應(yīng)的干涉最強時移動平面反射鏡的距離；色散系數(shù)D的單 位是ps/ (km · nm)，lps/ (km · nm)即是指一個Inm帶寬的脈沖傳播Ikm之后將會展寬lps。 式(3)寫成微分形式為<formula>formula see original document page 7</formula>根據(jù)式(4)，對得到的干涉最強位置隨波長的變化關(guān)系式式(2)進行求導便可得 到色散系數(shù)D的表達式<formula>formula see original document page 7</formula>
根據(jù)該表達式(5)即可算出待測光纖不同波長對應(yīng)的色散系數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明的光纖色散測量系統(tǒng)無需采用昂貴的光譜分析儀，只需一個普通光電 探測器、一張數(shù)據(jù)采集卡和一臺微機即可完成整個測量過程，測量成本大大減小；同時，由 于本發(fā)明采用了高精度的干涉測量技術(shù)，只需很短長度的待測光纖即可完成色散測量過 程，對于光子晶體光纖的測量來說，這又進一步減少了昂貴的光子晶體光纖的用量，成本進 一步減小，經(jīng)濟效益明顯，實用性大大增強；(2)本發(fā)明利用光子晶體光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜白光光源作為測量用光源，其大大 擴展了色散測量的光譜范圍，擴大了本發(fā)明測量系統(tǒng)的適用性；(3)本發(fā)明利用光子晶體光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜白光光源比普通白光光源功率密度 大，且功率譜響應(yīng)平坦，因此大大提高了本發(fā)明測量系統(tǒng)的測量精度；(4)此外，本發(fā)明的色散測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，例如本發(fā)明同時采用邁克爾遜干涉儀 測量結(jié)構(gòu)，比馬赫_曾德爾結(jié)構(gòu)少用一個分束棱鏡，因此使用更為方便。利用本發(fā)明的使用方法對本發(fā)明的光纖色散測量系統(tǒng)進行操作，不僅能夠高效、 快速的獲得超連續(xù)譜白光，而且操作簡便，能進一步提高色散測量過程的效率。


圖1為本發(fā)明實施例中的光纖色散測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例中三維光纖耦合平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例中二維色散補償顯微物鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實施例中移動平面反射鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明實施例中光源用光子晶體光纖橫截面的電鏡掃描圖。圖6為本發(fā)明實施例中光源用光子晶體光纖纖芯附近的電鏡掃描放大圖。圖7為本發(fā)明實施例中光源用光子晶體光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜白光的出射光斑。圖8為本發(fā)明實施例中光源用光子晶體光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜白光光源的功率譜 圖。圖9為本發(fā)明實施例中干涉最強時移動平面反射鏡所在位置隨中心波長的變化 關(guān)系曲線圖。圖10為本發(fā)明實施例中測得的待測光子晶體光纖的色散曲線圖。圖例說明1、光源系統(tǒng)；11、脈沖激光器；12、光隔離器；13、窄帶濾波片；14、反射鏡組；15、 光源用光子晶體光纖；2、干涉測量系統(tǒng)；21、分束器；211、轉(zhuǎn)臺；212、分束棱鏡；22、測量 臂；221、固定平面反射鏡；23、參考臂；231、色散補償平臺組件；232、移動平面反射鏡系統(tǒng)；233、色散補償顯微物鏡；234、二維調(diào)節(jié)架；235、旋轉(zhuǎn)螺桿；236、移動平面反射鏡；237、電控線性移動平臺；24、待測光纖組件；241、待測光子晶體光纖；25、偏振器；26、窄帶濾波器； 27、無截止單模光子晶體光纖組件；271、無截止單模光子晶體光纖；272、裸纖適配器；28、 數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)；281、光電探測器；282、數(shù)據(jù)采集卡；283、計算機；3、三維光纖耦合平 臺；31、三維調(diào)節(jié)架；32、耦合顯微物鏡；33、光纖準直器。
具體實施例方式實施例一種如圖1所示的光纖色散測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)1和干涉測量系統(tǒng)2， 光源系統(tǒng)1包括沿光路依次布設(shè)的脈沖激光器11、光隔離器12、窄帶濾波片13、反射鏡組 14和光源用光子晶體光纖15，本實施例的干涉測量系統(tǒng)2主要采用了邁克爾遜干涉儀，包 括分束器21、接收分束器21反射光束的測量臂22和接收分束器21透射光束的參考臂23。在光源系統(tǒng)1中，光源用光子晶體光纖15的輸入端連接有一接收反射鏡組14反 射光束的三維光纖耦合平臺3，光源用光子晶體光纖15的輸出端連接有一準直入射至所述 分束器21的三維光纖耦合平臺3。當光源系統(tǒng)1中脈沖激光器11的中心波長確定后，光隔 離器12和窄帶濾波片13的工作波長則均為脈沖激光器11的中心波長，其中窄帶濾波片13 只讓系統(tǒng)中經(jīng)反射鏡組14反射回來的光束中與脈沖激光器11中心波長相同的成分通過， 而光隔離器12則阻止經(jīng)窄帶濾波片13反射回來的與脈沖激光器11中心波長相同的光進 入脈沖激光器11，這樣光隔離器12和窄帶濾波片13共同組成的組件起到了保護光源的作 用。本實施例的反射鏡組14是由兩塊垂直且對稱布置的平面反射鏡組成，該平面反射鏡為 與脈沖激光器11中心波長對應(yīng)的高反鏡，分別安裝在各自的二維調(diào)節(jié)架上，對該反射鏡組 14的調(diào)節(jié)可以方便地實現(xiàn)將脈沖激光器11發(fā)出的光束有效耦合到光源用光子晶體光纖15 中。在干涉測量系統(tǒng)2中，分束器21包括一分束棱鏡212，其安裝在一可以精確調(diào)節(jié) 水平角度的轉(zhuǎn)臺211上；測量臂22中布設(shè)有待測光纖組件24和固定平面反射鏡221，待測 光纖組件24位于固定平面反射鏡221與分束器21之間的光路上，待測光纖組件24包括一 段待測光子晶體光纖241，待測光子晶體光纖241的一端連接有一接收分束器21反射光束 的三維光纖耦合平臺3，待測光子晶體光纖241的另一端連接有一接收固定平面反射鏡221 反射光束的三維光纖耦合平臺3 ；參考臂23的光路上布設(shè)有一接收分束器21透射光束的 色散補償平臺組件231，色散補償平臺組件231主要是由兩個相對布置的二維色散補償顯 微物鏡233組成，色散補償平臺組件231后的光路上設(shè)有一移動平面反射鏡系統(tǒng)232。如圖 3所示，本實施例的色散補償顯微物鏡233是安裝在一二維調(diào)節(jié)架234上，通過二維調(diào)節(jié)架 234上設(shè)置的旋轉(zhuǎn)螺桿235即可實現(xiàn)其二維調(diào)節(jié)。分束器21另設(shè)有一輸出來自測量臂22和參考臂23的合并反射光束的輸出端，該 輸出端后的光路上依次布設(shè)有偏振器25、窄帶濾波器26、無截止單模光子晶體光纖組件27 和數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)28。無截止單模光子晶體光纖組件27包括一段無截止單模光子晶體 光纖271，無截止單模光子晶體光纖271的一端連接有一接收窄帶濾波器26輸出光束的三 維光纖耦合平臺3，無截止單模光子晶體光纖271的另一端設(shè)有一與數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)28 相連接的裸纖適配器272。數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)28包括有一接收無截止單模光子晶體光纖組件27發(fā)出的光信號的光電探測器281，光電探測器281后連接有一數(shù)據(jù)采集卡282，該數(shù)據(jù)采集卡282后連有一計算機283。另外，參考臂23上的移動平面反射鏡系統(tǒng)232同樣與計算機283相連。圖4即為 移動平面反射鏡系統(tǒng)232的結(jié)構(gòu)示意圖，其中設(shè)置有一移動平面反射鏡236，該移動平面反 射鏡236與測量臂22中的固定平面反射鏡221完全相同，但前者安裝在一電控線性移動平 臺237上，通過計算機283控制電控線性移動平臺237的移動便可帶動移動平面反射鏡236 移動，實現(xiàn)參考臂23相位的掃描，進而在測量端輸出干涉圖樣。實踐中應(yīng)根據(jù)干涉測量系 統(tǒng)2設(shè)計的測量精度和動態(tài)要求選擇合適的電控線性移動平臺237。本實施例中三維光纖耦合平臺3的結(jié)構(gòu)如圖2所示，本實施例的光纖色散測量系 統(tǒng)中各個組成部分用到的三維光纖耦合平臺3的結(jié)構(gòu)完全相同，所用三維調(diào)節(jié)架31型號相 同，但實踐中根據(jù)各自耦合的光纖芯徑和數(shù)值孔徑的不同，可以選擇適當?shù)鸟詈巷@微物鏡 32裝設(shè)在三維光纖耦合平臺3上，與三維光纖耦合平臺3相連的光纖則夾持在光纖準直器 33上。上述本實施例的光纖色散測量系統(tǒng)的工作原理及光路走向如下脈沖激光器11發(fā)出的脈沖激光依次經(jīng)過光隔離器12、窄帶濾波片13、反射鏡組14 到達三維光纖耦合平臺3，經(jīng)三維光纖耦合平臺3上設(shè)置的耦合顯微物鏡32聚焦耦合進入 一段光源用光子晶體光纖15，光源用光子晶體光纖15產(chǎn)生的超連續(xù)譜白光再經(jīng)三維光纖 耦合平臺3準直入射到分束器21的分束棱鏡212上；經(jīng)分束棱鏡212反射、透射后的反射光束、透射光束分別進入邁克爾遜干涉儀的 測量臂22和參考臂23 ；測量臂22中的反射光束首先經(jīng)過一三維光纖耦合平臺3進入待測 光子晶體光纖241，從待測光子晶體光纖241出射后的光束經(jīng)過一三維光纖耦合平臺3后 準直入射到固定平面反射鏡221上；參考臂23中的透射光束則經(jīng)兩個二維色散補償顯微物 鏡233入射到移動平面反射鏡系統(tǒng)232上，參考臂23中的兩個二維色散補償顯微物鏡233 與測量臂22中兩個三維光纖耦合平臺3上的耦合顯微物鏡32完全一樣，以用于補償測量 臂22中耦合顯微物鏡32引入的待測光子晶體光纖241額外色散，減小測量誤差；同時，色 散補償平臺組件231還具有光強調(diào)節(jié)功能，由于測量臂22中的光束經(jīng)過多次自由空間和光 纖之間的耦合，損耗較大，而干涉測量為了獲得最佳的干涉效果要求兩臂的光強盡量相等， 因此通過調(diào)節(jié)色散補償平臺組件231上的色散補償顯微物鏡233的共軸度，可以實現(xiàn)參考 臂23的光強調(diào)節(jié)，使得兩臂的光強盡量相等；從固定平面反射鏡221和移動平面反射鏡系統(tǒng)232上反射回的光束再次經(jīng)過分 束棱鏡212，并合成一束后從分束棱鏡212的另一輸出端輸出，合并后的光束依次經(jīng)偏振器 25、窄帶濾波器26后到達一三維光纖耦合平臺3，經(jīng)該三維光纖耦合平臺3上的耦合顯微 物鏡32耦合進入一段無截止單模光子晶體光纖271，此后再經(jīng)過無截止單模光子晶體光纖 271 —端連接的裸纖適配器272，進入到帶光纖匹配器的光電探測器281中，光電探測器281 將輸入的光信號轉(zhuǎn)化成電信號輸出，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡282輸入到計算機283中，再利用裝 載在計算機283中的數(shù)據(jù)處理程序進行色散系數(shù)的計算。上述本實施例的光纖色散測量系統(tǒng)在使用過程中，我們采用以下操作使光源系統(tǒng) 1產(chǎn)生超連續(xù)譜白光首先，根據(jù)本實施例實際測量光譜范圍的需要設(shè)計光源用光子晶體光纖15，本實施例是選用一如圖5和圖6所示的高非線性光子晶體光纖作為光源用光子晶體光纖15， 該光源用光子晶體光纖15內(nèi)部沿纖芯向外包圍有九層空氣孔結(jié)構(gòu)，空氣孔的孔徑d為 2. 17 μ m，空氣孔的孔間距Λ為3. 47 μ m，光源用光子晶體光纖15的占空比d/Λ為0. 625， 纖芯直徑dl(即2A-d)為4. 77ym；然后，根據(jù)上述設(shè)計的光源用光子晶體光纖15的零色散點(廠家提供)選擇脈沖 激光器11的中心波長；一般選擇中心波長位于零色散點附近的反常色散區(qū)內(nèi)，這樣最有利 于各種非線性效應(yīng)的發(fā)生，再根據(jù)發(fā)生非線性效應(yīng)的閾值選擇脈沖激光器11的脈寬和重 頻；再次，光源系統(tǒng)1中用到的兩個三維光纖耦合平臺3完全相同，根據(jù)上述光源用光 子晶體光纖15的纖芯直徑(4. 77 μ m)選擇該三維光纖耦合平臺3上顯微物鏡的放大倍數(shù) (25 倍)；本實施例中最后選擇將脈沖激光器11發(fā)出的脈寬< Ins、重頻約為7. 5kHz、平均 輸出功率< IOOmw (峰值功率> IOkW)的1064nm的脈沖激光注入到長約15m的上述光源用 光子晶體光纖15中，獲得了超連續(xù)譜白光的輸出。上述光源用光子晶體光纖15產(chǎn)生的超連續(xù)譜白光的出射光斑如圖7所示，由圖7 可見，光斑中心較白，邊緣呈橙色，其四周有規(guī)則排布的六個黃綠色小光斑。
上述光源用光子晶體光纖15產(chǎn)生的超連續(xù)譜白光光源的功率譜如圖8所示。由圖 8可見，在泵浦光左側(cè)光譜延展到480nm附近，基本覆蓋整個可見光波段，且光譜較為平坦， 綠光波段較紅光波段強；泵浦光右側(cè)光譜能量較可見光段強，二者相差5dB左右，且紅外波 段譜線更加平坦；在HOOnm附近出現(xiàn)一個明顯的波谷，這是由OH根的吸收損耗造成的；在 1064nm處有一較尖的波峰，這是由泵浦脈沖形成的?？梢姡摮B續(xù)譜白光光源能夠很好地 滿足本實施例光子晶體光纖寬波段色散測量的需要。在獲得超連續(xù)譜白光后，開始對本實施例中的待測光子晶體光纖241的色散進行 測量，本實施例中的待測光子晶體光纖241與光源系統(tǒng)1中用于產(chǎn)生超連續(xù)譜白光的光源 用光子晶體光纖15相同。在干涉測量中，不斷更換不同中心波長的窄帶濾波器26，對應(yīng)每 一個波長，通過計算機283控制電控線性移動平臺237的移動實現(xiàn)對參考臂23相位的掃 描，進而在測量端得到一組干涉圖樣；從各干涉圖樣中可以找到干涉最大的位置(即兩臂 光程相等處)，與此同時分別記錄相應(yīng)的電控線性移動平臺237所在的位置(亦即移動平面 反射鏡236所在的位置)，進行數(shù)據(jù)擬合后可以得到干涉最強時移動平面反射鏡236所在位 置χ隨中心波長λ的變化關(guān)系曲線，本實施例最后得到的該變化關(guān)系曲線表達式為<formula>formula see original document page 10</formula>
式(6)中波長λ單位取μ m，位置χ單位取mm。本實施例最后得到的該變化關(guān)系 曲線如圖9所示。根據(jù)以上的式(6)，對圖9中的變化關(guān)系曲線進行求導，即可得到本實施例中待測 光子晶體光纖241的色散曲線表達式<formula>formula see original document page 10</formula>
式(7)中波長λ單位取μπι，色散系數(shù)D單位取ps/km/nm。本實施例最后得到的 色散曲線如圖10所示。由圖10可得到本實施例中待測光子晶體光纖241的色散特性，其 零色散點約為1.0 μπι。
權(quán)利要求
一種光纖色散測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)(1)和干涉測量系統(tǒng)(2)，其特征在于所述光源系統(tǒng)(1)包括沿光路依次布設(shè)的脈沖激光器(11)、光隔離器(12)、窄帶濾波片(13)、反射鏡組(14)和光源用光子晶體光纖(15)；所述干涉測量系統(tǒng)(2)包括分束器(21)、接收分束器(21)反射光束的測量臂(22)和接收分束器(21)透射光束的參考臂(23)，所述測量臂(22)中布設(shè)有待測光纖組件(24)；所述光源用光子晶體光纖(15)的輸入端連接有一接收反射鏡組(14)反射光束的三維光纖耦合平臺(3)，所述光源用光子晶體光纖(15)的輸出端連接有一準直入射至所述分束器(21)的三維光纖耦合平臺(3)；所述分束器(21)另設(shè)有一輸出來自所述測量臂(22)和參考臂(23)的合并反射光束的輸出端，該輸出端后的光路上依次布設(shè)有偏振器(25)、窄帶濾波器(26)、無截止單模光子晶體光纖組件(27)和數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)(28)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖色散測量系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng) (28)包括有一接收無截止單模光子晶體光纖組件(27)發(fā)出的光信號的光電探測器(281)， 所述光電探測器(281)后連接有一數(shù)據(jù)采集卡(282)，該數(shù)據(jù)采集卡(282)后連有一計算機 (283)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖色散測量系統(tǒng)，其特征在于所述參考臂(23)的光路 上布設(shè)有一接收所述分束器(21)透射光束的色散補償平臺組件(231)，色散補償平臺組件 (231)后的光路上設(shè)有一與所述計算機(283)相連的移動平面反射鏡系統(tǒng)(232)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的光纖色散測量系統(tǒng)，其特征在于所述待測光纖組件(24)布設(shè)于所述測量臂(22)中的固定平面反射鏡(221)與所述分束器(21)之間的光路 上，該待測光纖組件(24)包括一段待測光子晶體光纖(241)，所述待測光子晶體光纖(241) 的一端連接有一接收所述分束器(21)反射光束的三維光纖耦合平臺(3)，所述待測光子晶 體光纖(241)的另一端連接有一接收所述固定平面反射鏡(221)反射光束的三維光纖耦合 平臺⑶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖色散測量系統(tǒng)，其特征在于所述無截止單模光子晶體 光纖組件(27)包括一段無截止單模光子晶體光纖(271)，所述無截止單模光子晶體光纖 (271)的一端連接有一接收所述窄帶濾波器(26)輸出光束的三維光纖耦合平臺(3)，所述 無截止單模光子晶體光纖(271)的另一端設(shè)有一與所述數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)(28)相連接的 裸纖適配器(272)。
6.一種如權(quán)利要求3 5中任一項所述的光纖色散測量系統(tǒng)的使用方法，其特征在于， 采用以下操作使所述光源系統(tǒng)產(chǎn)生超連續(xù)譜白光選用一高非線性光子晶體光纖作為所述 光源用光子晶體光纖，所述光源用光子晶體光纖內(nèi)部沿纖芯向外包圍有多層空氣孔結(jié)構(gòu)， 所述空氣孔的孔徑d為ιμπι 5μπι，所述空氣孔的孔間距Λ為1 μ m 5 μ m，所述光源 用光子晶體光纖的占空比d/Λ大于0.6，所述光源用光子晶體光纖的纖芯直徑為Ιμπι 5 μ m0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖色散測量系統(tǒng)的使用方法，其特征在于使峰值功率足 夠大、且中心波長位于所述光源用光子晶體光纖零色散點附近的反常色散區(qū)的脈沖激光注 入到適當長度的所述光源用光子晶體光纖中以獲得超連續(xù)譜白光。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的光纖色散測量系統(tǒng)的使用方法，其特征在于在獲得所 述超連續(xù)譜白光后的干涉測量中，不斷更換不同中心波長的窄帶濾波器，對應(yīng)每一個中心波長，通過所述的計算機對所述移動平面反射鏡系統(tǒng)位置的控制實現(xiàn)對參考臂相位的掃 描，進而得到一組干涉圖樣；從各干涉圖樣中確定出干涉最強的位置，并分別記錄干涉最強 時對應(yīng)的移動平面反射鏡系統(tǒng)所在的位置X，進行數(shù)據(jù)擬合后得到干涉最強時移動平面反 射鏡系統(tǒng)所在位置X隨中心波長λ的變化關(guān)系曲線，該變化關(guān)系曲線的通用表達式如下<formula>formula see original document page 3</formula>(a)式(a)中，α、β、Υ、ζ和ξ均為擬合后的系數(shù)值；最后對上式(a)進行求導，并將求導后的結(jié)果代入下式(b)中即可得到待測光纖的色 散系數(shù)<formula>formula see original document page 3</formula>式(b)中，L為待測光纖的長度，c為光速。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學測試設(shè)備及其使用方法領(lǐng)域，具體公開了一種光纖色散測量系統(tǒng)，其包括光源系統(tǒng)和干涉測量系統(tǒng)，光源系統(tǒng)包括沿光路依次布設(shè)的脈沖激光器、光隔離器、窄帶濾波片、反射鏡組和光源用光子晶體光纖；干涉測量系統(tǒng)包括分束器、接收分束器反射、透射光束的測量臂和參考臂，測量臂中布設(shè)有待測光纖組件；光源用光子晶體光纖的兩端連接有三維光纖耦合平臺；分束器另設(shè)有一輸出端，該輸出端后的光路上依次布設(shè)有偏振器、窄帶濾波器、無截止單模光子晶體光纖組件和數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)。通過選用一特定空氣孔結(jié)構(gòu)的高非線性光子晶體光纖作為光源用光子晶體光纖可以使該系統(tǒng)產(chǎn)生超連續(xù)譜白光，以進行色散系數(shù)的高精度、高效率、低成本測量。
文檔編號G01M11/02GK101819086SQ20101017600
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者侯靜, 劉澤金, 姜宗福, 王澤鋒, 舒柏宏, 陳子倫, 陳勝平, 陳金寶 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學