用于超细径保偏光纤的在线定轴技术及偏振器制作研究

摘要

目前，作为定位导航的光纤陀螺已广泛应用于军事、航天、航海等方面。而光纤陀螺的升级改造正朝着微型化、轻量化和高性能方向发展，这有利于导航系统的各项性能指标的提升。然而，光纤陀螺核心部件—保偏光纤偏振器的研究尤为重要，其性能直接影响到光纤陀螺的输出精度。当前超细径保偏光纤正在逐渐取代目前广泛使用的保偏光纤，它具有质量轻，体积小，刚度小等优点，有利于光纤陀螺的微型轻量化改造，但其缺点在于材质脆，易断裂，制作器件困难。因此，研制超细径保偏光纤偏振器将面临巨大的挑战。此外，阻碍此偏振器的研制难点还在于难以无损伤的识别超细径保偏光纤偏振轴方位。　　本文基于超细径保偏光纤在线定轴技术及偏振器制作展开研究。首先，为解决超细径保偏光纤偏振轴无损伤识别的难点，对激光照射超细径保偏光纤形成的前向散射光场进行光学模拟仿真计算，得到了随偏振轴方向变化的光场特征曲线，从特征曲线中分别获取了反映超细径保偏光纤偏振轴方位的两个备选特征值，即主峰峰值和宽峰宽度中心值。　　随后，设计了超细径保偏光纤前向散射实验进行了验证，发现实验结果与理论仿真结果相似，但以特征曲线的主峰峰值作为识别超细径保偏光纤偏振轴方位的特征值，存在较大的误差，无法适用，而特征曲线的宽峰宽度中心值适合其定轴。为进一步确定该特征值的可行性，设计了基于超细径保偏光纤前向散射的端面实验，将拍取的光纤端面应力区的分布情况与散射条纹图像处理后的结果进行对比，证实了该特征值的可行性，且其定轴精度在1.2°内。因此，确定了以特征曲线中的宽峰宽度中心值作为超细径保偏光纤定轴的特征值，并称此定轴方法为超细径保偏光纤前向散射图像宽峰特征值法。　　之后，设计并制造了第一台商用化的超细径保偏光纤在线智能定轴仪和配套的应用软件，实现了超细径保偏光纤在线无损伤的自动化定轴。最后，采用侧边抛磨镀膜法进行了超细径保偏光纤偏振器的研制，成功制作了多个超细径保偏光纤偏振器，并对其偏振度和消光比进行了测试，测试结果表明所有偏振器均能起偏，偏振度均在90%以上，消光比均在15dB以上，其最优可达31.73dBdB，相比于目前使用的偏振器，其性能更加优越。　　本文的创新点在于研究出了一种适用于超细径保偏光纤在线无损伤定轴的前向散射图像宽峰特征值法，设计并制造了第一台商用的超细径保偏光纤在线定轴仪，并在此基础上成功制作了第一个实用化的超细径保偏光纤偏振器。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 保偏光纤定轴技术的研究现状

1.2.2 光纤偏振器的研究现状

1.3 本文研究内容及章节安排

第二章 基于超细径保偏光纤前向散射的仿真研究

2.1 前向散射光原理

2.2 光学模拟仿真

2.3 仿真结果分析

2.4 本章小结

第三章 基于超细径保偏光纤前向散射的实验及定轴特性的研究

3.1 超细径保偏光纤前向散射的实验系统设计

3.1.1 实验设备

3.1.2 定轴步骤

3.2 前向散射图案的图像处理及特征值选取

3.2.1 图像预处理

3.2.2 条纹的定位与区域选取

3.2.3 特征值选取

3.3前向散射图案特征值法定轴的端面实验验证

3.3.1 端面实验系统设计

3.3.2 端面实验步骤

3.3.3 端面实验结果分析

3.4 本章小结

第四章 超细径保偏光纤在线定轴仪的软件及硬件设计与实现

4.1 应用软件开发环境的搭建

4.2 应用软件总体框架和主要功能

4.3 各功能模块设计与实现

4.3.1 图像获取模块

4.3.2 图像处理模块

4.3.3 电机转动控制模块

4.3.4 应力监控模块

4.3.5 显示模块

4.4 超细径保偏光纤在线定轴仪的硬件总体设计简介

4.5 定轴仪的性能和稳定性实验测试

4.5.1 电机转动精度测试

4.5.2 定轴仪的性能实验测试

4.5.3 定轴仪的稳定性实验测试

4.6 本章小结

第五章 超细径保偏光纤偏振器的制作研究

5.1 侧边抛磨保偏光纤偏振器的起偏原理

5.2 超细径保偏光纤偏振器件的制作工艺研究

5.2.1 侧边抛磨超细径保偏光纤

5.2.2 定轴侧边抛磨超细径保偏光纤

5.2.3 侧边抛磨超细径保偏光纤的金膜镀制

5.3 超细径保偏光纤偏振器件的性能测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

已获得成果

致谢

项目来源