[发明专利]一种全光纤条件下实现外差测量的方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及光学量的测量方法和金属线栅的偏振选择特性，及基于此的一种在全光纤条件下实现外差测量的方法和应用。具体而言是利用光纤端面金属线栅结构对不同偏振态入射光透射率和偏振率的控制，分别测量透射光和反射光的强度然后进行外差处理，从而设计出的一种新型的全光纤的外差测量方法。

背景技术

在过去的几十年间，光纤传感器件由于其相对于传统传感器件的众多优点，如不受电磁场干扰、体积小重量轻、高带宽高灵敏度等，而被广泛研究以及应用到实际生活各种物理量的检测中，如介质折射率、压力应力、电流电压、环境温度等。为了进一步提高精度、稳定性、可靠性和测量的动态范围，可以在光信号的测量端引入光外差的检测技术。常规的做法是在信号光待检测的出射端加上一个分光棱镜(由多块双折射晶体组成)，把出射光分成两束(或者多束)，各束二级出射光之间存在由分光棱镜决定的固定相位差，分别用光功率计(或光谱仪)收集各束光的光强、频率和相位等信息，然后再利用数学运算得到排除外界干扰的纯传感信号。可以排除的外界干扰因素一般包括光源强度的波动、环境温度的扰动、测量光路的微弱机械振动等。而现有外差技术存在的明显缺点是所使用的分束棱镜都是体块晶体材料，而体块材料的引用就不可避免地使得测量需要在自由光路中进行，于是就丧失了全光纤器件体积小、重量轻、机械稳定性好的优点。

面对以上问题，本发明公开了一种在全光纤条件下实现光外差测量的技术，主要的方法是用光纤端面金属光栅做成偏振控制器的代替传统的体块分光棱镜。另一方面，目前商用的偏振控制器根据其技术原理可分为三类：一种是由多个延迟固定、方位角可变的波片组成的；另一种由单个延迟可调、方位角可变的波片组成；还有一种由多个方位角固定、延迟可调的波片组成。典型的偏振控制器由三个可旋转的波片组成，一个λ/2波片处于两个λ/4波片中间，每个波片都可沿着光轴相对于其它波片自由转动。波片的延迟是固定的，但波片的相对角度是可变的。

虽然，这些方法应用在商用化的产品中已经颇见成效，但仍然存在许多不足。第一，光线的准直、对轴、聚焦费时费力。第二，波片、微透镜等元件都价格不菲，并且还需要镀增透膜、抛磨斜角以减少背向反射。第三，由于不可避免的要将光从一根光纤中耦合输出，然后再将其聚焦进入另一根光纤，造成插入损耗大。第四，波片是对波长敏感的(任何分数波片的确定都是针对某个固定波长的)，从而使得相应的偏振控制器也对波长敏感。第五，使用电动机或其它机械器件旋转波片，都会限制偏振控制器的控制速度。

与此同时，基于金属线栅技术的体块型偏振器发展已经日趋成熟。金属线栅偏振器是一种宽带的偏振器，借助一定的结构设计，工作波长可覆盖宽波段。到目前为止，在无线电波、微波和远红外波段，亚波长金属线栅偏振器均已得到了广泛应用。随着纳米加工技术的发展，制备出结构更小，应用于近红外、可见、甚至紫外波段的金属线栅偏振器也已经成为可能。本发明第一次公开了将金属光栅做在光纤端面的技术和实际应用。

发明内容

本发明目的是：从光纤端面的金属线栅技术出发，制备新型在线式光偏振控制器，最终设计出全光纤条件下的外差测量方法。

本发明的技术方案是：一种全光纤条件下实现外差测量的方法，包括一个光纤环形器、一个光纤耦光V形槽、一段端面有亚波长金属光栅的光纤和两个光功率计。具体光路如图1所示。端面有亚波长金属光栅的光纤是通过特定微纳加工技术，在平整的光纤端面制得金属线栅，实现对该光纤端面不同偏振态入射光的透射率和偏振率的控制，即为第一全光纤光偏振控制器。入射光到光纤环形器的第一端口，环形器第三端口通过光纤直接连接第二光功率计，入射光通过环形器第一端口至光纤环形器的第二端口和全光纤光偏振控制器的透射光通过一个光纤耦光V形槽耦合入一段光纤到第一光功率计测量光强。所述的光纤包括单模光纤、多模光纤、保偏光纤，其特征是具有平整的光纤端面。光纤环形器、光纤耦光V形槽和光功率计为商用产品。

透射光通过一个光纤耦光V形槽耦合入一段光纤测量光强I_t，反射光通过一个光纤环路器引入另一段光纤测量光强I_r，经过信号处理得到外差结果