專利名稱：一種保偏光纖Verdet常數(shù)測量裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及提高保偏光纖陀螺精度的技術領域，具體涉及一種保偏光纖Verdet常數(shù)測量裝置及方法。
背景技術：
光纖陀螺是利用薩格納克(Sagnac)效應測量物體轉(zhuǎn)動角速度的一種高精度傳感器，是一種結(jié)構簡單、成本低、潛在精度較高的新型全固態(tài)慣性器件，將成為慣性導航和戰(zhàn)略應用領域的主要儀表。在敏感環(huán)是單模光纖的光纖陀螺中，由于纖芯的橢圓度、內(nèi)部殘余應力等因素引入的雙折射效應在薩格納克干涉儀中產(chǎn)生了偏振相位誤差，導致了陀螺的零漂和信號衰落。為了減小隨機雙折射引入的偏振誤差，具有良好線偏振保持能力的保偏光纖被廣泛采用，它推動了光纖陀螺的高精度和小型化發(fā)展。保偏光纖的采用不僅有利于減小雙折射引起的非互異性，還能抑制光纖陀螺中的法拉第效應。法拉第效應這樣描述:當一束線偏振光通過某一介質(zhì)時，若在光束傳播的方向上存在磁場，光經(jīng)過介質(zhì)后，線偏振光的偏振面就會旋轉(zhuǎn)一個角度，即磁場讓介質(zhì)有了旋光效應。事實上，對于10_4T的磁場，保偏光纖的應用使殘余相位誤差降為I U rad的量級。目前，保偏光纖陀螺在空間應用中仍然需要采取磁屏蔽措施，以進一步減小法拉第效應引起的非互異性相位誤差。在保偏光纖陀螺應用中，地磁場產(chǎn)生的法拉第效應將產(chǎn)生偏差，例如:對環(huán)長度300m，精度0.2° /h的陀螺，地磁場( 10_5T)產(chǎn)生大約為2° /h的偏差。因此，如果能夠精確測量出陀螺中的法拉第效應，對陀螺精度的提高存在著積極的意義。光纖線圈中因為扭轉(zhuǎn)引起的圓雙折射是產(chǎn)生法拉第相位誤差的主要原因。由于預制棒制做、繞環(huán)等因素會不可避免地引入扭轉(zhuǎn)，保偏光纖中依舊存在著殘余圓雙折射。假設地磁場Bearth沿光纖環(huán)長度L相長地積分，最大非互異性相位誤差小F = 2VBearthL，其中V是光纖的Verdet (維爾德)常數(shù)。Verdet通常取決于材質(zhì)、溫度和波長。研究表明，可以用光纖雙折射系數(shù)△ 3、光纖扭轉(zhuǎn)率tw、單位長度的法拉第旋轉(zhuǎn)角eK來估計法拉第相位誤差的數(shù)值，并由此計算出光纖陀螺的誤差。其中eK直接反映了 Verdet常數(shù)的影響:0k=BV，B為磁感應強度。因此保偏光纖的Verdet常數(shù)測量至關重要。光纖本身的雙折射對傳統(tǒng)測量Verdet常數(shù)方法有著很大的影響。法拉第旋轉(zhuǎn)角0 和Verdet常數(shù)V之間存在這樣的關系:9 F = VBL，B為磁感應強度、L為磁場作用距離。法拉第效應對普通光纖體現(xiàn)為輸入線偏光偏振面的旋轉(zhuǎn)，所以只需測量出偏振面的旋轉(zhuǎn)角
0[^和作用長度上的磁場強度就可以確定Verdet常數(shù)。然而光纖殘余雙折射會引入圓偏振光，無法和法拉第旋轉(zhuǎn)角分開，給測量帶來很大的誤差。普通單模光纖的殘余線雙折射較小，檢測信號尚能反應出法拉第旋轉(zhuǎn)角的影響，由于保偏光纖的高雙折射特性帶來的相位差a遠大于法拉第旋轉(zhuǎn)角0F，例如磁場強度為5 X 10 5A/m時，在Imm作用距離下，a和0F分別為0.6rad和10_3rad，高雙折射抑制了線偏振光的旋轉(zhuǎn)，因此很難通過直接檢測輸入線偏光的偏振面旋轉(zhuǎn)的角度來確定Verdet常數(shù)。
傳統(tǒng)方法采用空間光耦合的方式測量保偏光纖的Verdet常數(shù)，基本原理是測量磁場作用下的法拉第旋轉(zhuǎn)角，該方法被廣泛應用于測量單模光纖等線性雙折射較小的介質(zhì)，但該方法需要很大的磁場強度或者需要對磁場進行一定頻率的調(diào)制并輔以相干解調(diào)電路。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對傳統(tǒng)方法測量保偏光纖Verdet常數(shù)的局限性，提供了一種保偏光纖Verdet常數(shù)測量裝置及方法。本發(fā)明充分利用了保偏光纖的雙折射特性，不需要很強的磁場或復雜的相干解調(diào)電路。本發(fā)明的一種保偏光纖Verdet常數(shù)測量裝置，包括:激光器、隔離器、Y波導、1/2波片、1/4波片、光纖夾具、磁場及調(diào)制模塊、精密移動平臺、被測保偏光纖、偏振分束器、PIN光電探測器、信號處理模塊、峰值檢測模塊以及輸出面板。激光器、隔離器、Y波導、1/2波片和1/4波片依次通過光纖相連；被測保偏光纖的兩端通過光纖夾具固定在磁場及調(diào)制模塊的磁場中；磁場及調(diào)制模塊放置在精密移動平臺上；1/4波片的輸出端通過光纖適配器與被測保偏光纖的入射端連接，被測保偏光纖的出射端通過光纖適配器與光纖偏振分束器的輸入端連接；偏振分束器通過光纖適配器連接PIN光電探測器，PIN光電探測器再通過電線依次連接信號處理模塊、峰值檢測模塊以及輸出面板。被測保偏光纖的某一特征軸在出射端與偏振分束器對軸I禹合。激光器產(chǎn)生的光經(jīng)隔離器輸出給Y波導，經(jīng)Y波導后變成線偏振光，線偏振光通過1/2波片和1/4波片變成圓偏振光，圓偏振光進入被測保偏光纖。磁場及調(diào)制模塊提供穩(wěn)定的磁場，并通過精密移動平臺以某恒定速率移動；被測保偏光纖出射的光經(jīng)偏振分束器分為兩束，PIN光電探測器探測兩束光的強度，并將光強轉(zhuǎn)化為兩路模擬電壓信號輸入信號處理模塊。信號處理模塊對兩路模擬電壓信號進行數(shù)字量化得到電壓信號V1和V2，經(jīng)過
運算得到電壓信號S，并將電壓信號S再次轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出給峰值檢測模塊和
夂I +f.2
輸出面板。峰值檢測模塊檢測輸入的電壓信號的峰峰值Vp_p，并輸出給輸出面板；輸出面板
F-
對信號處理模塊輸入的模擬信號進行濾波，并實時確定Verdet常數(shù)通./ I
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其中，H為磁場及調(diào)制模塊的磁場強度，Lb為被測保偏光纖拍長，I為磁隙寬度。本發(fā)明的一種保偏光纖Verdet常數(shù)測量方法，應用上述裝置，進行如下步驟:步驟1:搭建如下光路:將激光器輸出尾纖連接旋轉(zhuǎn)起偏器，旋轉(zhuǎn)起偏器通過FC/PC光纖頭連接被測保偏光纖的入射端，被測保偏光纖的出射端通過FC/PC光纖頭連接消光比測試儀。打開激光器，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)起偏器至消光比測試儀的讀數(shù)最大，保持旋轉(zhuǎn)起偏器與被測保偏光纖的位置不變。步驟2:將被測保偏光纖的出射端通過“適配器-法蘭-適配器”的方式與偏振分束器連接，偏振分束器的兩輸出臂通過光纖適配器接入雙通道光功率計。旋轉(zhuǎn)偏振分束器其中一個輸出臂連接的光纖適配器，使得雙通道光功率計兩通道的輸出一個達到最大值，另一達到最小值，然后保持被測保偏光纖與偏振分束器的位置不變。
步驟3:將被測保偏光纖與偏振分束器接入本發(fā)明的測試裝置中，用光纖夾具將被測保偏光纖固定于精密移動平臺上的磁場及調(diào)制模塊的磁場中，啟動本發(fā)明測試裝置。步驟4:設定磁場及調(diào)制模塊提供一個穩(wěn)定的磁場，通過精密移動平臺以某恒定速率按照某一固定方向，移動磁場及調(diào)制模塊；PIN光電探測器采集偏振分束器兩臂輸出的正交偏振光，兩臂輸出的正交偏振光的光強為1:、12，通過信號處理模塊得到輸出電壓信號 S=| I1-121 / (Ii+I2)。步驟5:電壓信號S轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出給峰值檢測模塊和輸出面板。峰值檢測模塊將檢測的電壓信號的峰峰值Vp_p輸出給輸出面板；輸出面板對輸入的模擬信號進行濾
波，并實時確定Verdet常數(shù)
權利要求
1.一種保偏光纖Verdet常數(shù)測量裝置，其特征在于，包括如下組件:激光器(I)，隔離器(2)，Y波導(3)，1/2波片⑷，1/4波片(5)，光纖夾具(6)，磁場及調(diào)制模塊(7)，精密移動平臺(8)，被測保偏光纖(9)，偏振分束器(10)，PIN光電探測器(11)，信號處理模塊(12)，峰值檢測模塊(13)，以及輸出面板(14);激光器(I)、隔離器(2)、Y波導(3)、1/2波片(4)和1/4波片(5)依次通過光纖相連；被測保偏光纖(9)的兩端通過光纖夾具(6)固定在磁場及調(diào)制模塊(7)的磁場中；磁場及調(diào)制模塊(7)放置在精密移動平臺⑶上；1/4波片(5)的輸出端通過光纖適配器與被測保偏光纖(9)的入射端連接，被測保偏光纖(9)的出射端通過光纖適配器與光纖偏振分束器(10)的輸入端連接；偏振分束器(10)通過光纖適配器連接PIN光電探測器(11)，PIN光電探測器(11)再通過電線依次連接信號處理模塊(12)、峰值檢測模塊(13)以及輸出面板(14);被測保偏光纖(9)的某一特征軸在出射端與偏振分束器(10)對軸稱合； 激光器⑴產(chǎn)生的光經(jīng)隔離器⑵輸出給Y波導(3)，經(jīng)Y波導(3)后變成線偏振光，線偏振光通過1/2波片(4)和1/4波片(5)變成圓偏振光，圓偏振光進入被測保偏光纖(9)；磁場及調(diào)制模塊(7)提供穩(wěn)定的磁場，并通過精密移動平臺(8)以某恒定速率移動；被測保偏光纖(9)出射的光經(jīng)偏振分束器(10)分為兩束，PIN光電探測器(11)探測兩束光的強度，并將光強轉(zhuǎn)化為兩路模擬電壓信號輸入信號處理模塊(12);信號處理模塊(12)對兩路 模擬電壓信號進行數(shù)字量化得到電壓信號V1和v2，經(jīng)過
2.根據(jù)權利要求1所述的測試裝置，其特征在于，所述的1/2波片(4)的主軸和1/4波片(5)的主軸之間的夾角調(diào)制成45°。
3.根據(jù)權利要求1所述的測試裝置，其特征在于，所述的被測保偏光纖(9)為應力致偏保偏光纖或?qū)嵭墓庾泳w保偏光纖。
4.應用權利要求1至3任一所述的測試裝置進行保偏光纖Verdet常數(shù)測量的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:首先，搭建如下光路:將激光器連接旋轉(zhuǎn)起偏器，旋轉(zhuǎn)起偏器通過FC/PC光纖頭連接被測保偏光纖的入射端，被測保偏光纖的出射端通過FC/PC光纖頭連接消光比測試儀；然后，打開激光器，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)起偏器至消光比測試儀的讀數(shù)最大，保持旋轉(zhuǎn)起偏器與被測保偏光纖的位置不變； 步驟2:將被測保偏光纖的出射端通過“適配器-法蘭-適配器”的方式與偏振分束器連接，偏振分束器的兩輸出臂通過光纖適配器接入雙通道光功率計；旋轉(zhuǎn)偏振分束器其中一個輸出臂連接的光纖適配器，使得雙通道光功率計兩通道的輸出一個達到最大值，另一達到最小值，然后保持被測保偏光纖與偏振分束器的位置不變；步驟3:將被測保偏光纖與偏振分束器接入本發(fā)明的測試裝置中，用光纖夾具將被測保偏光纖固定于精密移動平臺上的磁場及調(diào)制模塊的磁場中，啟動本發(fā)明測試裝置； 步驟4:設定磁場及調(diào)制模塊提供一個穩(wěn)定的磁場，通過精密移動平臺以某恒定速率按照某一固定方向，移動磁場及調(diào)制模塊；PIN光電探測器采集偏振分束器兩臂輸出的正交偏振光，兩臂輸出的正交偏振光的光強為1:、12，通過信號處理模塊得到輸出電壓信號S=I I1-121 / (Ii+I2)； 步驟5:電壓信號S轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出給峰值檢測模塊和輸出面板；峰值檢測模塊將檢測的電壓信號的峰峰值Vp_p輸出給輸出面板；輸出面板對輸入的模擬信號進行濾波，并實時確定Verdet常數(shù)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種保偏光纖Verdet常數(shù)的測試裝置及其方法。測試裝置主要包括光源與隔離模塊、偏振控制注入模塊、磁場及調(diào)制模塊、精密移動平臺、偏振分束器、光電探測器、信號處理模塊和峰值檢測模塊。被測光纖的某一特征軸在出射端與偏振分束器對軸耦合。測試方法將激光器發(fā)出的光經(jīng)偏振控制注入模塊變成圓偏振光輸入待測光纖，經(jīng)偏振分束器分為兩束光，移動導軌控制磁場的位置，采集兩束光強，對兩束光強進行處理獲取相應的電壓信號峰峰值，進一步計算保偏光纖的Verdet常數(shù)。本發(fā)明簡單易操作，在保證最大測量靈敏度的同時，避免了在光纖注入端的對軸操作和角度調(diào)整引入的測量誤差，且進一步提高了測量精度。
文檔編號G01M11/00GK103196655SQ20131011156
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月1日 優(yōu)先權日2013年1月14日
發(fā)明者金靖, 王曙, 宋凝芳, 宋鏡明, 李彥, 孫祚明 申請人:北京航空航天大學