一种熊猫型保偏光纤外扭转角度的检测方法

摘要

本发明公开了一种熊猫型保偏光纤外扭转角度的检测方法，该检测方法基于熊猫型保偏光纤应力区对光线的会聚作用，探测两个应力区对应的光线会聚点间的垂直距离，依据几何光学的原理，由应力区会聚点间的垂直距离计算得到光纤的外扭转角度。本发明检测误差小且精度高，检测装置易于操作；同时可方便地配置于光纤绕线机中，实时检测光纤，用于实现光纤低扭转缠绕，也可用于实现保偏光纤退扭转。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感器领域，尤其涉及一种熊猫型保偏光纤外扭转角度的检测方法。

背景技术

光纤作为传感器传感部位的主要组成部分，在光学传感中发挥着不可替代的作用；光纤环作为角速率传感器中的敏感部件，其性能的稳定性直接影响传感器性能的稳定性。目前，随着保偏光纤的日益发展和成熟，绝大多数角速率传感器使用保偏光纤制作光纤环，保偏光纤已成为这种传感器的关键元件。但是保偏光纤在制作和缠绕成环过程中会产生扭转，这种扭转会引起光在光纤传播中的偏振态变化，从而造成了传感器性能的不稳定，带来测量误差，因此测量保偏光纤的扭转非常重要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种熊猫型保偏光纤外扭转角度的检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种熊猫型保偏光纤外扭转角度的检测方法，该方法在熊猫型保偏光纤外扭转角度的检测装置上实现，所述熊猫型保偏光纤外扭转角度的检测装置包括光源、光学系统、待测保偏光纤、第一光探测器、第一位移台、第二光探测器、第二位移台、微处理器，第一光探测器固定在第一位移台上，第二光探测器固定在第二位移台上，第一位移台和第二位移台均与微处理器相连，待测保偏光纤置于第一光探测器和第二光探测器的上方，光源发出的光经光学系统后进入待测光纤；该方法包括以下步骤：

（1）首先从整盘待测光纤上拉取一段待测保偏光纤，所述待测保偏光纤为熊猫型保偏光纤，所述熊猫型保偏光纤上具有两个应力区，记为第一应力区和第二应力区；光源发出的光通过光学系统照射到待测保偏光纤表面，使得进入待测保偏光纤的外包层后的光为垂直于水平面的平行光；

（2）移动第一位移台和第二位移台，保持第一光探测器和第二光探测器在同一水平面上，直到第一探测器找到第一应力区的会聚处；

（3）移动第二光探测器直到找到第二应力区的会聚处，通过微处理器累加第二位移台在这个过程中移动的总步数N，此处可以定义上移为正，下移为负；

（4）两个应力区会聚处垂直距离为                                                ，其中为位移台一步的位移，同时可以通过N的正负来判断光纤扭转方向，在计算时N取绝对值；

（5）计算得到此处的扭转角度，式中，L为两个应力区的中心距离，n为熊猫型保偏光纤外包层的折射率；

（6）继续拉取待测保偏光纤，重复步骤1-5测量下一部分光纤扭转，得到该段光纤外扭转角度，直到完成整盘光纤扭转角度的测量。

本发明的有益效果是，本发明提出的熊猫型保偏光纤外扭转测量方法基于熊猫型保偏光纤应力区对光线的会聚作用，检测误差小且精度高，检测装置易于操作；同时可方便地配置于光纤绕线机中，实时检测光纤，用于实现光纤低扭转缠绕，也可用于实现保偏光纤退扭转。

附图说明

图1为光通过圆面的光路图；

图2为光通过未扭转的熊猫型保偏光纤的光路图；

图3为光通过扭转后的熊猫型保偏光纤的光路图；

图4为熊猫型保偏光纤横截面示意图； 

图5为光通过扭转后的熊猫型保偏光纤各部分的几何关系示意图；

图6为测量熊猫型保偏光纤外扭转参数的实验装置示意图；

图中，光源1、光学系统2、待测保偏光纤3、第一光探测器4、第一位移台5、第二光探测器6、第二位移台7、微处理器8、第一应力区S1、第二应力区S2。

具体实施方式

本发明一种熊猫型保偏光纤外扭转角度的检测方法，用于测量整盘光纤的外扭转测量，检测原理包括以下内容：

由几何光学知识可知，当平行光通过圆面时，光线会发生汇聚，如图1所示；

理想化的熊猫型保偏光纤应力区的横截面为圆形，所以，当光线垂直于主轴面入射到无扭转的熊猫型保偏光纤时，可以看到在同一水平面上有两条平行光线，如图2所示；在光纤扭转一定角度后，可以观察到在不同高度的水平面分别有两条平行光线，如图3所示；本发明中假设进入外包层后的光线为平行光，且忽略外包层下表面出射部分引入的偏折。

由图3所示的几何关系可知，光纤外扭转角度可以由下式得出：，其中L为两个应力区的中心距离。

由于保偏光纤为圆对称的几何形状，即使光纤发生扭转，入射到应力区处的光场也始终不变，所以扭转仅影响会聚点的位置。

实际中熊猫型保偏光纤外包层折射率不等于空气折射率，即应力区与光线会聚点处于不同的折射率环境中，根据几何光学的知识可知：，其中为介质中两应力区间垂直距离，d为空气中两应力区会聚点垂直距离；

综上所述，扭转角度与两平行光线垂直距离d的关系为： 。

通过测量两应力区会聚点的垂直距离d，就可以得到光纤外扭转角度。

   基于以上原理，本发明提供一种熊猫型保偏光纤外扭转角度的检测方法，该方法在熊猫型保偏光纤外扭转角度的检测装置上实现，所述熊猫型保偏光纤外扭转角度的检测装置包括光源1、光学系统2、待测保偏光纤3、第一光探测器4、第一位移台5、第二光探测器6、第二位移台7、微处理器8，第一光探测器4固定在第一位移台5上，第二光探测器6固定在第二位移台7上，第一位移台5和第二位移台7均与微处理器8相连，待测保偏光纤3置于第一光探测器4和第二光探测器6的上方，光源1发出的光经光学系统2后进入待测保偏光纤3。该方法包括以下步骤：

（1）首先从整盘待测光纤上拉取一段待测保偏光纤3，所述待测保偏光纤3为熊猫型保偏光纤，所述熊猫型保偏光纤上具有两个应力区，记为第一应力区S1和第二应力区S2；光源1发出的光通过光学系统2照射到待测保偏光纤3表面，使得进入待测保偏光纤3的外包层后的光为垂直于水平面的平行光；

（2）移动第一位移台5和第二位移台7，保持第一光探测器4和第二光探测器6在同一水平面上，直到第一探测器4找到第一应力区S1的会聚处，应力区位置如图4所示；

（3）移动第二光探测器6直到找到第二应力区S2的会聚处，通过微处理器8累加第二位移台7在这个过程中移动的总步数N，此处可以定义上移为正，下移为负；

（4）两个应力区会聚处垂直距离就为，其中为位移台一步的位移，同时可以通过N的正负来判断光纤扭转方向，在计算时N取绝对值；

（5）计算得到此处的扭转角度，式中，L为两个应力区的中心距离，n为熊猫型保偏光纤外包层的折射率；

（6）继续拉取待测保偏光纤3，重复步骤1-5测量下一部分光纤扭转，得到该段光纤外扭转角度，直到完成整盘光纤扭转角度的测量。

根据上述检测过程，可以得知，系统的测量误差主要来源于光探测的灵敏度以及位移台的步长，使用高灵敏度的光探测器和高精度的位移台可以提高外扭转角度的检测精度。

此处假设探测器可准确分辨出会聚点，位移台的步长大小为1nm，保偏光纤外包层折射率n为1.4426，两应力区之间距离L为50μm，那么得到光纤外扭转角度的检测误差为：

计算得光纤外扭转检测误差为0.0016度。