CN101980060A - 基于侧视光强五指型分布的保偏光纤偏振轴的定轴方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于侧视光强五指型分布的保偏光纤偏振轴的定轴方法，将非相干平行光侧向照射待定轴保偏光纤，使显微物镜的观测平面上形成一个可测量的光强分布，所述光强分布经显微物镜成像于摄像机上，形成“五指型”的光强分布曲线；计算光强分布曲线的自相关系数，并根据“五指型”的波峰、波谷的特征值即可对保偏光纤精确定轴。本发明不再需要建立标准曲线，从而可显著提高定轴效率。本发明主要适用于偏振轴在0°或90°附近对定轴精度有很高要求的情况，通常在制作保偏光纤耦合器和保偏光纤偏振器时有此要求，本发明可应用于制作保偏光纤耦合器、保偏光纤偏振器、保偏光纤的熔接、保偏光纤拉锥、光纤陀螺等。

Description

基于侧视光强五指型分布的保偏光纤偏振轴的定轴方法 

技术领域

本发明涉及保偏光纤偏振轴的定轴方法，具体是一种基于侧视光强五指型分布的保偏光纤偏振轴的定轴方法。 

背景技术

在制作保偏光纤耦合器时，需要将两根保偏光纤精确定轴，如图1所示，然后将两根保偏光纤进行熔融拉锥。两根保偏光纤的定轴精度越高，耦合器的性能越好。 

申请号为200610035056.6的中国发明专利申请，公开了一种基于五指型侧视光强分布的保偏光纤偏振轴的高精度定轴方法。调整保偏光纤与显微物镜之间的距离，使光强分布的形貌曲线呈现出“五指型”的分布，中央有五个波峰、四个波谷，共有九个特征点；旋转保偏光纤，得到一系列随着保偏光纤位于不同方位角的光强特征量，并得出光强特征量随偏振轴方位角变化的测量曲线，处理得到标准曲线，将测量曲线与标准曲线做互相关，互相关的极大值所对应的角度即为保偏光纤所处的方位角。 

但是，在该方法中，标准曲线不通用，甚至同一厂家不同批次的光纤都需要重新建立标准曲线，这在实际应用中相当不方便。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于侧视光强五指型分布的保偏光纤偏振轴的定轴方法，该方法不需要建立标准曲线，从而在实际应用中非常方便。 

本发明的目的通过下述技术方案实现： 

基于侧视光强五指型分布的保偏光纤偏振轴的定轴方法，包括如下步骤： 

(1)将非相干平行光侧向照射待定轴保偏光纤，使显微物镜的观测平面上形成一个可测量的光强分布，所述光强分布经显微物镜成像于摄像机上，摄像机摄取的图像传入计算机进行后续处理； 

(2)在计算机中，将摄像机摄取的图像转换成光强分布曲线； 

(3)调整保偏光纤与显微物镜之间的距离，使光强分布曲线呈现出“五指型”的分布；“五指型”的分布中，包括九个特征点，从左往右，分别为第一波峰、 第一波谷、第二波峰、第二波谷、第三波峰、第三波谷、第四波峰、第四波谷、第五波峰；其值分别为V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆、V₇、V₈、V₉； 

定义第一判别量Δ₁： 

Δ₁＝V₁-V₂+V₃-V₄+V₅-V₆+V₇-V₈+V₉； 

定义第二判别量Δ₂： 

Δ₂＝V₅-V₇或 

Δ₂＝V₅-V₃或 

Δ₂＝V₅-(V₃+V₇)/2； 

(4)旋转保偏光纤，保偏光纤的偏振轴随之旋转，这样得到一系列对应保偏光纤的不同偏振轴方位角的光强分布曲线及第一判别量和第二判别量； 

由此得出第一判别量随偏振轴方位角变化的测量曲线，相邻的第一判别量的变化量趋于零时，表明偏振轴方位角处于0°附近或90°附近； 

(5)计算上述处于0°附近或90°附近的各偏振轴方位角对应的光强分布曲线的自相关系数，得到自相关系数与偏振轴方位角的对应曲线；当自相关系数处于极大值并接近于1时，表明此时偏振轴方位角为0°或90°；应用第二判别量进行判断，第二判别量为正则说明偏振轴方位角为0°，第二判别量为负则说明偏振轴方位角为90°。 

进一步的，步骤(5)所述的自相关系数的计算方法如下：在光强分布曲线中，以特征点第三波峰为中心点，向左依次取n个像素点，其光强值分别记为x₁，x₂，...x_n；向右依次取n个像素点，其光强值分别记为y₁，y₂，...y_n；按照下式计算自相关系数： 

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-\stackrel{\‾}{y})}};$

式中，R是自相关系数； 

是x₁，x₂，...x_n的平均值； 是y₁，y₂，...y_n的平均值。 

进一步的，为了使计算得到的自相关系数能很好地反映光强分布曲线的对 称性，若特征点第一波峰对应为x_m，n的取值由下式确定：m≤n≤3m。 

进一步的，步骤(3)中，调整保偏光纤与显微物镜之间的距离，使观测平面与保偏光纤纤芯的距离L为150μm～152μm，这样即可获得较理想的“五指型”的光强分布曲线。 

进一步的，步骤(4)中，旋转保偏光纤时采用两台步进电机同步旋转实现。 

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果： 

(1)在0°或90°(定义保偏光纤慢轴跟平行光的逆时针方向旋转夹角为正)附近(在±10°范围内)，本发明的侧视图像的光强分布曲线呈现出“五指型”的分布。本发明与五点特征值法和POL法相比，光强对称分布判断法的特征值变化量比五点特征值法、POL法的特征值变化量都要大，特征值曲线随角度的变化更明显，更陡峭。此外，在0°或90°附近，光强对称分布判断法将使方位角的测量灵敏度获得极大的提高，在制作保偏光纤耦合器或保偏光纤偏振器时，对0°或90°附近的定轴有着较高的要求，本方法在0°或90°附近的理论定轴精度可达0.1°，实际定轴精度取决于显微镜和CCD的分辨率。本发明的可应用于制作保偏光纤耦合器时对保偏光纤精确定轴。 

(2)与200610035056.6的中国发明专利申请相比，本发明不再需要建立标准曲线，从而可显著提高定轴效率。 

(3)本发明的基于侧视光强五指型分布的保偏光纤偏振轴定轴方法，主要适用于在0°或90°(定义保偏光纤慢轴(0°)跟平行光的逆时针方向旋转夹角为正)附近(在±10°范围内)对定轴精度有很高要求的情况，通常在制作保偏光纤耦合器和保偏光纤偏振器时有此要求，本发明可应用于制作保偏光纤耦合器、保偏光纤偏振器、保偏光纤的熔接、保偏光纤拉锥、光纤陀螺等。 

附图说明

图1为保偏光纤耦合器在制作之前定轴时的摆放示意图。 

图2为实现本发明的定轴方法的装置示意图。 

图3为保偏光纤处于90°方位角时的光强分布曲线。 

图4为在90°附近(86°～94°)各对应角度的第一判别量的折线图。 

图5为在90°附近(87°～93°)各对应角度的自相关系数的折线图。 

图6为保偏光纤处于0°方位角时的光强分布曲线。 

图中，1：第一波峰；2：第一波谷；3：第二波峰；4：第二波谷；5：第三 波峰；6：第三波谷；7：第四波峰；8：第四波谷；9：第五波峰；11：保偏光纤；12：显微物镜；13：非相干平行光源；14：非相干平行光；15：观测平面；16：CCD摄像机；17：保偏光纤的偏振轴方位角；18：保偏光纤偏振主轴(慢轴)。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。 

实施例 

一种基于侧视光强五指型分布的保偏光纤偏振轴定轴方法： 

(1)如图2所示，将非相干平行光源13发出的非相干平行光14侧向照射到待定轴保偏光纤(熊猫型保偏光纤)11时，保偏光纤由于两应力区、纤芯、包层的折射率不同，使保偏光纤对入射平行光产生类似一个柱面透镜的作用，使得在距光纤中心为L的观测平面15上形成了一个可测量的光强分布。此光强分布包含了保偏光纤偏振轴的空间位置信息，并且可被带有A/D转换功能的CCD摄像机16所记录下来。调整显微物镜12与保偏光纤11的距离，则CCD摄像机16记录的光强分布的形貌会有所变化。一般情况下的调整，记录的光强分布曲线的形貌呈“山”型分布。在光强分布图中与光纤垂直的方向上取一列数据，由这一列数据即可构成保偏光纤的光强分布曲线。 

(2)保偏光纤的两端由分别由夹具固定夹紧，夹具的后侧都连有步进电机，两台步进电机固定在一平移台上。通过调整平移台，以达到细致调整待定轴保偏光纤11与显微物镜12之间的距离，从而实现细致调节显微物镜12的观测平面15的位置，调节图2中观测平面与保偏光纤纤芯的距离L为150μm～152μm时，在CCD摄像机16上记录的光强分布曲线会出现与一般情况下不同的形貌，如图3所示，该记录的保偏光纤的侧向光强分布曲线的形貌曲线呈现出“五指型”的分布。 

(3)如图3所示，“五指型”的光强分布曲线的中央有五个波峰、四个波谷，共有九个特征点，从左往右，分别定义为第一波峰1、第一波谷2、第二波峰3、第二波谷4、第三波峰5、第三波谷6、第四波峰7、第四波谷8、第五波峰9。保偏光纤的慢轴与平行光的夹角θ就是此时保偏光纤的偏振轴方位角17(保偏光纤慢轴跟平行光的逆时针夹角为正)。 

(4)根据记录下来的光强分布曲线，将第一波峰1的值、第二波峰3的值、第三波峰5的值、第四波峰7的值、第五波峰9的值之和减去第一波谷2的值、第 二波谷4的值、第三波谷6的值、第四波谷8的值之和，所得到的差值作为第一判别量。 

(5)用两台步进电机同步旋转保偏光纤11，可以得到随着保偏光纤位于不同方位角时的判别量，由此得出第一判别量随偏振轴方位角变化的测量曲线，如图4所示，随着保偏光纤的偏振轴方位角在90°附近时，第一判别量的变化量趋于零。保偏光纤的偏振轴方位角在0°附近时，第一判别量的变化量也趋于零。 

(6)计算0°或90°附近的偏振轴方位角对应的光强分布曲线的自相关系数： 

在光强分布曲线中，以特征点第三波峰5为中心点，向左依次取n个像素点，其光强值分别记为x₁，x₂，...x_n；向右依次取n个像素点，其光强值分别记为y₁，y₂，...y_n；按照下式计算自相关系数： 

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-\stackrel{\‾}{y})}};$

式中，R是自相关系数； 

是x₁，x₂，...x_n的平均值； 

是y₁，y₂，...y_n的平均值。 

本实施例中，采用320*240的CCD，光强分布曲线中包括320个像素点，以第三波峰5为原点0，则第一波峰对应Xm，m为45，n的取值可以取45≤n≤135，本实施例中，n取值125，计算结果如图5所示。此时每个偏振轴方位角θ，就对应一个自相关系数R₀，如图5所示，自相关系数的极大值并接近于1时对应的偏振轴方位角为0°或90°。对于0°和90°的判别方法是：以第三波峰5的值减去第二波峰3的值与第四波峰7的值的平均值为第二判别量，当差值为正值时，则偏振轴方位角为0°(光纤偏振轴方位角是0°时的光强分布曲线如图6所示)；当差值为负值时，则光纤偏振轴方位角为90°。 

Claims (5)

1.基于侧视光强五指型分布的保偏光纤偏振轴的定轴方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将非相干平行光侧向照射待定轴保偏光纤，使显微物镜的观测平面上形成一个可测量的光强分布，所述光强分布经显微物镜成像于摄像机上，摄像机摄取的图像传入计算机进行后续处理；

(2)在计算机中，将摄像机摄取的图像转换成光强分布曲线；

(3)调整保偏光纤与显微物镜之间的距离，使光强分布曲线呈现出“五指型”的分布；“五指型”的分布中，包括九个特征点，从左往右，分别为第一波峰、第一波谷、第二波峰、第二波谷、第三波峰、第三波谷、第四波峰、第四波谷、第五波峰；其值分别为V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆、V₇、V₈、V₉；

定义第一判别量Δ₁：

Δ₁＝V₁-V₂+V₃-V₄+V₅-V₆+V₇-V₈+V₉；

定义第二判别量Δ₂：

Δ₂＝V₅-V₇或

Δ₂＝V₅-V₃或

Δ₂＝V₅-(V₃+V₇)/2；

(4)旋转保偏光纤，保偏光纤的偏振轴随之旋转，这样得到一系列对应保偏光纤的不同偏振轴方位角的光强分布曲线及第一判别量和第二判别量；

由此得出第一判别量随偏振轴方位角变化的测量曲线，相邻的第一判别量的变化量趋于零时，表明偏振轴方位角处于0°附近或90°附近；

(5)计算上述处于0°附近或90°附近的各偏振轴方位角对应的光强分布曲线的自相关系数，得到自相关系数与偏振轴方位角的对应曲线；当自相关系数处于极大值并接近于1时，表明此时偏振轴方位角为0°或90°；应用第二判别量进行判断，第二判别量为正则说明偏振轴方位角为0°，第二判别量为负则说明偏振轴方位角为90°。

2.根据权利要求1所述的定轴方法，其特征在于：步骤(5)所述的自相关系数的计算方法如下：在光强分布曲线中，以特征点第三波峰为中心点，向左依次取n个像素点，其光强值分别记为x₁，x₂，...x_n；向右依次取n个像素点，其光强值分别记为y₁，y₂，...y_n；按照下式计算自相关系数：

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-\stackrel{\‾}{y})}};$

式中，R是自相关系数；

是x₁，x₂，...x_n的平均值；

是y₁，y₂，...y_n的平均值。

3.根据权利要求2所述的定轴方法，其特征在于：特征点第一波峰对应为x_m，n的取值由下式确定：m≤n≤3m。

4.根据权利要求1-3任一项所述的定轴方法，其特征在于：步骤(3)中，调整保偏光纤与显微物镜之间的距离，使观测平面与保偏光纤纤芯的距离L为150μm～152μm。

5.根据权利要求4所述的定轴方法，其特征在于：步骤(4)中，旋转保偏光纤时采用两台步进电机同步旋转实现。

Images