CN101458312B - 光纤磁光探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤磁光探测装置，包括：导光输入部分，用于导入偏振光；法拉第磁光旋转器，其是磁光晶体，用于随着磁场变化而影响偏振光的光强；导光输出部分，用于导出偏振光；还包括：补偿单元，用于对导入的偏振光进行旋转，以避免近零失敏，并补偿磁光晶体的温度误差，其设置在导光输入部分与法拉第磁光旋转器之间，或者设置在法拉第磁光旋转器与导光输出部分之间。本发明的光纤磁光探测装置增加了补偿单元，能将由于温度变化而造成的测量误差进行补偿，从而解决了现有技术的温度误差问题。

Description

光纤磁光探测装置

技术领域

本发明涉及光学应用领域，具体而言，涉及一种光纤磁光探测装置。

背景技术

磁光晶体广泛应用在光纤通信中的光强、光路控制中、以及其他领域的磁场和电流测量中。石榴石磁光晶体是目前应用比较广泛的一种磁光晶体，下面以石榴石磁光晶体进行举例说明。

多晶的石榴石磁光晶体内部多数情况下会形成条形状复合磁畴结构。图1示出了单晶的石榴石磁光晶体的磁畴结构微观图；图2示出了单晶的石榴石磁光晶体的磁畴结构示意图。如图1所示，即使是单晶的石榴石磁光晶体，通常情况下内部也会形成条形状复合磁畴结构。如图2所示，多数情况下，相邻的磁畴磁化方向相反垂直于晶体表面。

当在外磁场作用下，磁光晶体的相邻磁畴区域随着外磁场的强度和方向变化，一种相对地变大而另一种相对地变小。当外磁场超过该材料的确饱和磁场时，复合磁畴转变为单一方向磁化的单一均匀磁畴。而当外磁场强度减小时，复合磁畴又重新形成。当外磁场撤消时，两种磁畴区域相对均衡。这样的过程对应了晶体不同的磁光效应及强度变化，从而形成各类应用。

图3示出了根据相关技术的光纤磁光探头装置的结构示意图，其包括：输入光纤6、输入光准直器5a、第一偏振分光器3d、磁光晶体1、1/2波片2、第二偏振分光器3e、输出光准直器5b、输出光纤7。

该光纤磁光探头装置采用光偏振处理，对所述的光正交偏振分量进行分波、磁光感应、合波处理。

其中，在法拉第磁光旋转器后设置波片，波片用于对法拉第磁光旋转器两束输出光的偏振面进行旋转以避免近零失敏，而磁光感应，偏振检测对两正交偏振分量同时、等量进行；第一偏振分光器3d和第二偏振分光器3e由单轴晶体制成，能把两个相互正交的偏振光分开一定的角度；当光通过第一偏振分光器3d后，它被分成偏振面相互正交两束，两束光的传播方向成一个小的角度同时通过磁光晶体1和1/2波片2；当它们到达第二偏振分光器3e后，每束光中偏振面相对于第一偏振分光器3d产生的原始偏振面转90°的分量传播方向将变一致，尽管两束之间还有一微小的空间分离，它们还是可以被输出光准直器5b和输出光纤7等量接收，而其它分量将被隔离在输出光纤7以外。

如果应用石榴石磁光晶体作为法拉第旋光器，当光的入射偏振态和检偏偏振器的光轴成一角度α时，探测到的光强随被测磁场变化符合下式描述：

$I\∝I_{0}T[{\left(2\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\φ}\right)}^2+{\left(2\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\φ}\right)}^2(1-\mathrm{\ζ}+\mathrm{\ζ}{\left(\frac{H}{H_s}\right)}^2)+2\left(\frac{H}{H_s}\right)\sin 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\φ}]---\left(4\right)$

式中I表示光源光强，T光学***透过率，φ是晶体的法拉第旋转角，α入射偏振面与检测偏振器的夹角，应用中α、φ一般接近45°；H是被测磁场，H_s是晶体的饱和磁场，ζ是一参数用来描述栅状磁畴结构形成的光的干涉程度。

然而在实现本发明过程中，发明人发现，磁光晶体例如石榴石磁光晶体特性φ和H_s一般会随温度变化而变化，这将使测量结果随温度而变化，因此产生了温度误差。

发明内容

本发明旨在提供一种光纤磁光探测装置，能够解决现有技术的温度误差问题。

在本发明的实施例中，提供了一种光纤磁光探测装置，包括：导光输入部分，用于导入偏振光；法拉第磁光旋转器，其是磁光晶体，用于随着磁场变化而影响偏振光的光强；导光输出部分，用于导出偏振光；还包括：补偿单元，用于对导入的偏振光进行旋转，以避免近零失敏，并补偿磁光晶体的温度误差，其设置在导光输入部分与法拉第磁光旋转器之间，或者设置在法拉第磁光旋转器与导光输出部分之间。

可选的，在上述的光纤磁光探测装置中，导光输入部分包括：输入光纤，用于输入光束；输入光准直器，用于将输入光束准直；第一偏振分光器，用于将光束分成两束平行光，其偏振态相互正交。

可选的，在上述的光纤磁光探测装置中，导光输出部分包括：第二偏振分光器，用于将两束平行光合并；输出光准直器，用于将合并的光束准直；输出光纤，用于输出准直光束。

可选的，在上述的光纤磁光探测装置中，磁光晶体是石榴石磁光晶体。

可选的，在上述的光纤磁光探测装置中，补偿单元是波片***。

可选的，在上述的光纤磁光探测装置中，波片***包括：第一波片，其是厚的多周期1/4波片；第二波片，普通零级的1/4波片。

可选的，在上述的光纤磁光探测装置中，第一波片的光轴与的第一偏光分光器的晶体光轴成45°角；第二波片的光轴与第一偏光分光器的晶体光轴平行或垂直。

可选的，在上述的光纤磁光探测装置中，第一波片的双折射位相差在参考温度下是(k+1/4)λ，k为厚度系数，其数值是第一波片的厚度所容纳的偏振光的整波数量；λ是偏振光的波长；其中，第一波片的厚度随温度影响而变化，从而导致k变化，进而使双折射位相差变化，以产生温度补偿效果。

可选的，在上述的光纤磁光探测装置中，根据磁光晶体的温度系数和第一波片的温度系数，来选取第一波片的厚度。

可选的，在上述的光纤磁光探测装置中，当温度变化时，磁光晶体的法拉第转角变化Δφ；第一波片的双折射位相差的旋转角变化-Δα；第一波片的厚度被选取为使得Δα＝Δφ。

上述实施例的光纤磁光探测装置增加了补偿单元，能将由于温度变化而造成的测量误差进行补偿，从而解决了现有技术的温度误差问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了单晶石榴石磁光晶体的磁畴结构微观图；

图2示出了单晶石榴石磁光晶体的磁畴结构示意图；

图3示出了根据相关技术的光纤磁光探测装置的结构示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的光纤磁光探测装置的结构示意图；

图5示出了根据本发明另一实施例的光纤磁光探测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

图4示出了根据本发明一个实施例的光纤磁光探测装置的结构示意图，包括：

导光输入部分10，用于导入偏振光；

法拉第磁光旋转器2，其是磁光晶体，用于随着磁场变化而影响偏振光的光强；

导光输出部分30，用于导出偏振光；

补偿单元(1a和1b)，用于对导入的偏振光进行旋转，以避免近零失敏，并补偿磁光晶体的温度误差，其设置在导光输入部分与法拉第磁光旋转器之间，或者设置在法拉第磁光旋转器与导光输出部分之间。

该光纤磁光探测装置增加了补偿单元，能将由于温度变化而造成的测量误差进行补偿，从而解决了现有技术的温度误差问题。

图5示出了根据本发明另一实施例的光纤磁光探测装置的结构示意图。

如图4和图5所示，导光输入部分包括：

输入光纤6，用于输入光束；

输入光准直器5a，用于将输入光束准直；

第一偏振分光器3a、3d，用于将光束分成两束平行光，其偏振态相互正交。

如图4和图5所示，导光输出部分包括：

第二偏振分光器3b、3e，用于将两束平行光合并；

输出光准直器5b，用于将合并的光束准直；

输出光纤7，用于输出准直光束。

可选的，在上述的光纤磁光探测装置中，磁光晶体是石榴石磁光晶体，石榴石磁光晶体是目前应用比较广泛的一种磁光晶体。

法拉第磁光旋转器是石榴石磁光晶体。其具有条形状复合磁畴结构，相邻的磁畴磁化方向相反与晶体表面垂直当在外磁场作用下，相邻磁畴区域随着外磁场的强度和方向变化一种相对地变大而另一种相对地变小，当外磁场超过该材料的确饱和磁场时，复合磁畴转变为单一方向磁化的单一均匀磁畴。而当外磁场强度减小时，复合磁畴又重新形成。当外磁场撤消时，两种磁畴区域相对均衡。所述的磁化反向的条形磁畴具有旋转方向相反而等值的法拉第旋转角φ，所述的法拉第旋转角φ在工作温度范围内接近参考温度下的转角φ₀，但随温度变化而有小量的变化，参考温度T₀下的转角φ₀设定为45°。

如图4和图5所示，补偿单元是波片***。该波片***不但以克服现有技术中近零失敏的缺点，还可以自动补偿温度漂移造成的误差。

上述实施例所采用的光纤磁光探头装置包括采用光纤导向的光和法拉第磁光旋转器，采用光偏振处理，对所述的光正交偏振分量进行分波、磁光感应、合波处理，法拉第磁光旋转器是石榴石磁光晶体；法拉第磁光旋转器前或后设置波片***，波片***用于对引入法拉第磁光旋转器两束输入光的偏振面进行旋转以避免近零失敏，而且，该波片***具有温度补偿功能，能将由于温度变化而造成的测量误差进行补偿；偏振检测对两正交偏振分量同时、等量进行。

波片***包括：第一波片1a，其是厚的多周期1/4波片；第二波片1b，普通零级的1/4波片。第一波片和第二波片的位置可以互换，组成的波片***和磁光晶体的位置也可以互换，还可以将磁光晶体设置在第一波片和第二波片之间。

另外，第一波片1a和第二波片1b一起构成了一个1/2波片，可以克服现有技术中近零失敏的缺点。而其中的第一波片还可以起到温度补偿的作用，下面进行详细地说明。

可选的，第一波片的光轴与的第一偏光分光器的晶体光轴成45°角；第二波片的光轴与第一偏光分光器的晶体光轴平行或垂直。

可选的，第一波片的双折射位相差在参考温度下是(k+1/4)λ，k为厚度系数，其数值是第一波片的厚度所容纳的偏振光的整波数量；λ是偏振光的波长；其中，第一波片的厚度随温度影响而变化，从而导致k变化，进而使双折射位相差变化，以产生温度补偿效果。

可选的，根据磁光晶体的温度系数和第一波片的温度系数，来选取第一波片的厚度。

可选的，当温度变化时，磁光晶体的法拉第转角变化Δφ；第一波片的双折射位相差的旋转角变化-Δα；第一波片的厚度被选取为使得Δα＝Δφ。

具体来说，其中的波片***由两片波片第一波片和第二波片构成。第一波片是厚的多周期1/4波片，其双折射位相差在参考温度下是所用波长1/4波的整数倍，即(k+1/4)λ，k为整数。其整体的双折射位相差受温度影响，而且随厚度增加即k的增加而影响变大。整数k可根据温度补偿的需要来选取。所述第二波片是普通零级的1/4波片，其双折射位相差随温度变化可以忽略。所述第一波片的光轴与的第一偏光分光器的晶体光轴成45°角；所述第二波片的光轴与第一偏光分光器的晶体光轴平行或垂直。这样的安排使从第一偏光分光器出来的互相正交的两路偏振光经过所述波片***后偏正面旋转一角度α。所述的角度α完全由第一波片的位相差决定，在参考温度下为α₀＝45°。

波片***的温度补偿功能是通过如下的途径实现的。例如，当温度升高时，法拉第转角将从φ₀变小为φ₀+Δφ；同时，所述波片***的对偏振面的旋转角将从α₀变大为α₀-Δα；根据石榴石磁光晶体的温度系数和所用波片材料的温度系数选取适当的第一波片厚度即k整数，可使两者对光强变化的影响相互抵消而达到温度补偿效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤磁光探测装置，包括：

导光输入部分，用于导入偏振光；

法拉第磁光旋转器，其是磁光晶体(2)，用于随着磁场变化而影响所述偏振光的光强；

导光输出部分，用于导出所述偏振光；

其特征在于，还包括：

补偿单元(1a、1b)，用于对导入的偏振光进行旋转，以避免近零失敏，并补偿所述磁光晶体的温度误差，其设置在所述导光输入部分与所述法拉第磁光旋转器之间，或者设置在所述法拉第磁光旋转器与所述导光输出部分之间；

所述补偿单元是波片***；所述波片***包括：

第一波片(1a)和第二波片(1b)。

2.根据权利要求1所述的光纤磁光探测装置，其特征在于，所述导光输入部分包括：

输入光纤(6)，用于输入光束；

输入光准直器(5a)，用于将输入光束准直；

第一偏振分光器(3a、3d)，用于将所述光束分成两束平行光，其偏振态相互正交。

3.根据权利要求1所述的光纤磁光探测装置，其特征在于，所述导光输出部分包括：

第二偏振分光器(3b、3e)，用于将所述两束平行光合并；

输出光准直器(5b)，用于将所述合并的光束准直；

输出光纤(7)，用于输出所述准直光束。

4.根据权利要求1所述的光纤磁光探测装置，其特征在于，所述磁光晶体是石榴石磁光晶体。

5.根据权利要求1所述的光纤磁光探测装置，其特征在于，所述波片***包括：

所述第一波片(1a)，其是厚的多周期1/4波片；

所述第二波片(1b)，普通零级的1/4波片。

6.根据权利要求5所述的光纤磁光探测装置，其特征在于，

所述第一波片的光轴与的第一偏光分光器的晶体光轴成45°角；所述第二波片的光轴与所述第一偏光分光器的晶体光轴平行或垂直。

7.根据权利要求6所述的光纤磁光探测装置，其特征在于，

所述第一波片的双折射位相差在参考温度下是(k+1/4)λ，

k为厚度系数，其数值是所述第一波片的厚度所容纳的偏振光的整波数量；λ是偏振光的波长；其中，所述第一波片的厚度随温度影响而变化，从而导致k变化，进而使双折射位相差变化，以产生温度补偿效果。

8.根据权利要求7所述的光纤磁光探测装置，其特征在于，

根据所述磁光晶体的温度系数和所述第一波片的温度系数，来选取所述第一波片的厚度。

9.根据权利要求8所述的光纤磁光探测装置，其特征在于，

当温度变化时，所述磁光晶体的法拉第转角变化Δφ；

所述第一波片的双折射位相差的旋转角变化-Δα；所述第一波片的厚度被选取为使得Δα＝Δφ。

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