CN102566074A - 一种起偏器及包括该起偏器的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光学领域，提供了一种起偏器，包括相对设置的输入准直器和输出保偏准直器、位于二者之间的起偏器芯，以及套设于三者之外的外封管，起偏器芯包括一偏振片，输入准直器和输出保偏准直器均包括一光纤和尾纤以及位于尾纤端部的透镜，透镜呈柱状且具有两个端面，其中的一个端面与尾纤相对且为斜面，另一端面为球面，球面的曲率半径为1.419～1.475mm；透镜的直径为1.5～1.8mm；透镜的长度为2～2.98mm。本发明提供的起偏器通过特殊的透镜设计大幅度的减小了出射光的偏向角，使其接***行于透镜的光轴传输，进而有效的提高了起偏器的消光比，该起偏器特别适用于各种光纤传感器中，如光纤陀螺，光纤水听器等。

Description

一种起偏器及包括该起偏器的光纤传感器

技术领域

本发明属于光学领域，尤其涉及一种起偏器及包括该起偏器的光纤传感器。

背景技术

起偏器是一种使非偏振光转换为偏振光的器件，有线偏振起偏器与圆偏振起偏器之分。圆偏振起偏器的作用是使输入光信号转换为圆偏振光输出，而线偏振起偏器的作用是使输入光信号转换为线偏振光输出。根据线偏振起偏器的实现原理的不同，线偏振起偏器又可以分为吸收型线偏振起偏器和分光型线偏振起偏器。分光型线偏振起偏器是利用双折射晶体，如使用尼克尔棱镜或沃拉斯顿棱镜，使输入光信号分成两束光，且至少一束为线偏振光，另一束为线偏振光或部分偏振光，但是其价格较昂贵，出射的线偏振光的***损耗较大，消光比也较小，制作困难。此处简要解释消光比的概念：自然界的光均可以沿相互垂直的两个方向分解为两个分量，可以认为是振幅的分量，也可以认为是光强或光功率的分量，以光功率为例，消光比则表征这两个方向的光功率的差别大小，差别越大，消光比越大，说明偏振度越大，也说明起偏器的起偏效果越好。吸收型线偏振起偏器是使用偏振片，将与偏振片透光轴方向不一致的偏振光吸收掉，而透射与偏振片透光轴方向相同的偏振光，这种起偏器具有***损耗小，体积小等优点，但是也经常会遇到消光比小的问题，特别是对于780nm～1100nm范围的短波长的在线起偏器，其消光比很难做大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种起偏器，旨在解决传统短波长的起偏器消光比较低的问题。

本发明是这样实现的，一种起偏器，包括相对设置的输入准直器和输出保偏准直器、位于所述输入准直器和输出保偏准直器之间的起偏器芯，以及套设于所述输入准直器、输出保偏准直器和起偏器芯之外的外封管，所述起偏器芯包括一偏振片，所述输入准直器和输出保偏准直器均包括一光纤和位于所述光纤端部的尾纤以及位于所述尾纤端部的透镜，所述透镜呈柱状且具有两个端面，其中的一个端面与所述尾纤相对且为斜面，另一端面为球面，所述球面的曲率半径为1.419～1.475mm；所述透镜的直径为1.5～1.8mm；所述透镜的长度为2～2.98mm。

本发明的另一目的在于提供一种光纤传感器，包括一起偏器，所述起偏器采用上述的起偏器。

本发明提供的起偏器通过特殊的透镜设计大幅度的减小了出射光的偏向角，使其接***行于透镜的光轴传输，使得平行于偏振片透振方向的光功率分量与垂直于透振方向的光功率分量相差较大，进而有效的提高了起偏器的消光比，该起偏器特别适用于各种光纤传感器中，如光纤陀螺，光纤水听器等。

附图说明

图1是本发明实施例中起偏器的结构示意图；

图2是本发明实施例提及的光以不同偏向角传输时的透振原理示意图；

图3是本发明实施例中的大、小玻璃管的正视结构示意图；

图4-1是传统起偏器中的偏光片的偏转示意图(一)；

图4-2是传统起偏器中的偏光片的偏转示意图(二)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本实施例提供的起偏器的结构示意图。

该起偏器主要用于获得较高消光比的线偏振光。该起偏器主要包括相对设置的输入准直器1和输出保偏准直器2，在输入准直器1和输出保偏准直器2之间设有起偏器芯3，起偏器芯3包括一偏振片31，用于将输入的非偏振光转换为线偏振光输出，该起偏器还包括套设于输入准直器1、输出保偏准直器2和起偏器芯3之外的外封管4，其中，输入准直器1和输出保偏准直器2均包括一光纤和位于光纤端部的尾纤以及位于尾纤端部的透镜。如图1所示，输入准直器1包括第一光纤11、第一尾纤12及第一透镜13，输出保偏准直器2包括第二光纤21、第二尾纤22及第二透镜23，其中，第二光纤21为保偏光纤。第一透镜13和第二透镜23的结构相同，均呈柱状并且具有两个端面，其中的一个端面与尾纤相对且为斜面，另一端面为球面。为了提高起偏器的消光比，本实施例对第一、第二透镜的结构进行了特殊设计，具体的，第一透镜13具有第一斜面131和第一球面132，第二透镜23具有第二斜面231和第二球面232。第一、第二球面的曲率半径为1.419～1.475mm；第一、第二透镜的直径为1.5～1.8mm；第一、第二透镜的长度为2～2.98mm，其中，透镜的长度指两个端面的中心点之间的距离。非偏振光经过第一透镜13后，其偏向角极小，近似沿着第一透镜13的光轴方向传输，该偏向角的大小对消光比的影响很大，结合附图2可以看出，偏向角越小，与偏振片的透振方向平行的光强分量(也可等效于振幅或功率)越大，透过偏振片的光强自然也越大，而与该透振方向垂直的光强分量大小不变，透过量也不变，因此，偏振片透射的两个相互垂直方向的光强分量相差就越大，此时消光比就越大。传统的起偏器，特别是用于短波长的传统起偏器，其光束的偏向角较大，消光比很难做大。因此，本实施例提供的起偏器通过对透镜的形状和参数进行特殊设计后，有效的解决了传统起偏器(特别是用于短波长的起偏器)的消光比较低的问题，同时还可减小***损耗，对于780～1100nm的短波长的光，该起偏器的消光比可以达到30dB以上，该起偏器对光纤传感领域无疑具有很重要的应用价值。

在本实施例中，输入准直器1的第一光纤11可采用保偏光纤，这样，输入准直器1成为输入保偏准直器，经过如此设计后，该起偏器的输入端也可以作为输出端使用，非偏振光既可以自输入保偏准直器进入，也可以自输出保偏准直器进入，具有同样的起偏效果，因此该起偏器具有了双向起偏的功能。

以下示出采用普通透镜的传统起偏器和采用本实施例所述透镜的起偏器的实验数据，该数据记录了传统可双向起偏的起偏器与本申请中可双向起偏的起偏器的消光比：

表1.传统起偏器与本申请起偏器的消光比实验数据

本实施例中的“正向”与“反向”指光经过起偏器的两个相反的方向传输，例如本实施例中，非偏振光可以经过输入准直器输入，经起偏器芯转换为线偏振光后经输出保偏准直器输出，此为“正向”；非偏振光也可以经输出保偏准直器输入，经起偏器芯转换为线偏振光后经输入准直器输出，此为“反向”。将消光比大于(包含等于)28dB为合格，根据上述数据可知，传统的起偏器的良率小于50％，而本申请的起偏器的良率高达97％。当然，若输入准直器不采用保偏准直器，也可参考上表中的“正向”或“反向”数据，同样具有极高的良率。

作为本实施例一种较佳的实现方式，第一球面132和第二球面232的曲率半径可以为1.475mm，第一、第二透镜的直径可以为1.8mm，第一、第二透镜的长度可以为2.98mm，按照该参数制作的第一、第二透镜，其透射光的偏向角更小，相应的起偏器的消光比会大幅度增加，具有非常突出的起偏效果。

在本实施例中，为了进一步保证光在传输过程中的准直度，可以将输入准直器1、输出保偏准直器2以及起偏器芯3的位置进行精确的调整，使三者的中心轴在一条直线上。

进一步的，为了将起偏器的消光比做的尽量大，本实施例中的第一光纤11的快轴或慢轴方向、第二光纤21的快轴或慢轴方向与偏振片31的透振方向一致。使与偏振片31的透振方向相同的光透过率最大，进而保证较高的消光比。

作为本实施例的另一种改进，起偏器芯3可以采用如下结构：起偏器芯3包括相互套接的大玻璃管32和小玻璃管33，大、小玻璃管之间可用胶粘接，在小玻璃管33的端部贴设偏振片31，大玻璃32可以套设于输入准直器1的第一透镜13上并用胶粘接固定，也可以固定于输出保偏准直器2的第二透镜23上，进而将偏振片31固定在输入准直器1和输出保偏准直器2之间。如图3所示，小玻璃管33的管壁具有一沿长度方向的缺口331，大、小玻璃管套接以后，会在大玻璃管32与小玻璃管33相套接的部分管壁之间形成一通道34，可供气体流动。这种结构的起偏器芯3对于提高起偏器的消光比，改善起偏器的性能非常有意义。传统的起偏器芯由偏光片5和管状物(或环状物)6组成，偏光片5固定在管状物6的端部，管状物6的另一端固定于透镜上，透镜、管状物6和偏光片5三者围成了一个封闭空间。而在起偏器的制程中，通常会有将做好的起偏器进行循环测试的工序，即测试起偏器在不同温度下的工作状况，当环境温度高低变化时，上述的封闭空间中的气体就会发生压缩或膨胀，会对偏光片5产生各向的压力，进而使其发生偏转，这种偏转包括以其自身的中心轴为轴顺时针或逆时针旋转，如图4-1；还包括沿偏光片5的中心轴的方向偏转，如图4-2，此时透振方向也随之发生偏转。因此当偏光片5发生偏转后，势必会降低透振方向的光透过率，进而降低消光比。本实施例中的大、小玻璃管之间留有一通道34，使大、小玻璃管、透镜和偏振片构成一非封闭空间，在起偏器循环测试时，封于该空间内的气体发生膨胀时就可以通过该通道排出，当气体压缩时，外部气体也可以充入，这样可以维持偏振片31两侧的压强一致，避免其发生偏转，并且有利于保证偏振片31的光轴与输入准直器1和输出保偏准直器2的中心轴在同一直线上。因此本实施例的起偏器较传统的起偏器相比，又为获得较高且稳定的消光比增加了一重保障。

在本实施例中，上述的小玻璃管33的缺口331的形状和大小不必限制，可以是图3所示的平面型，也可以是弧面型或其他不规则形状。

在本实施例中，第一透镜13和第二透镜23的斜面的倾斜角度与现有技术相同，即与竖直方向成8°夹角。

在本实施例中，外封管4的内壁与输入准直器1和输出保偏准直器2之间可以用胶粘接；起偏器芯3也可以用粘接胶固定于输入准直器1的端部，或者固定于输出保偏准直器2的端部。

在本实施例中，输入准直器1和输出保偏准直器2的尾纤和透镜可以分别外套第一玻璃管14和第二玻璃管24，第一、第二玻璃管内壁与尾纤和透镜之间还可以用胶粘接。

本发明提供的起偏器通过特殊的透镜设计大幅度的减小了出射光的偏向角，使其接***行于透镜的光轴传输，有效提高了起偏器的消光比；通过改进起偏器芯的结构进一步提高了起偏器的消光比和稳定性，该起偏器特别适用于获得短波长的线偏振光，解决了传统短波长起偏器的消光比普遍较低的问题。该起偏器可用于多种光纤传感器中，如光纤陀螺、光纤水听器等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种起偏器，包括相对设置的输入准直器和输出保偏准直器、位于所述输入准直器和输出保偏准直器之间的起偏器芯，以及套设于所述输入准直器、输出保偏准直器和起偏器芯之外的外封管，所述起偏器芯包括一偏振片，其特征在于，所述输入准直器和输出保偏准直器均包括一光纤和位于所述光纤端部的尾纤以及位于所述尾纤端部的透镜，所述透镜呈柱状且具有两个端面，其中的一个端面与所述尾纤相对且为斜面，另一端面为球面，所述球面的曲率半径为1.419～1.475mm；所述透镜的直径为1.5～1.8mm；所述透镜的长度为2～2.98mm。

2.如权利要求1所述的起偏器，其特征在于，所述球面的曲率半径为1.475mm。

3.如权利要求2所述的起偏器，其特征在于，所述透镜的直径为1.8mm。

4.如权利要求2所述的起偏器，其特征在于，所述透镜的长度为2.98mm。

5.如权利要求1至4任一项所述的起偏器，其特征在于，所述输入准直器、输出保偏准直器以及起偏器芯中的偏振片的中心轴在同一直线上。

6.如权利要求1至4任一项所述的起偏器，其特征在于，所述输入准直器和输出保偏准直器的光纤均采用保偏光纤。

7.如权利要求6所述的起偏器，其特征在于，所述输入准直器和输出保偏准直器的保偏光纤的快轴或慢轴方向与所述偏振片的透振方向一致。

8.如权利要求1至4和7任一项所述的起偏器，其特征在于，所述起偏器芯包括相互套接的大玻璃管和小玻璃管，所述偏振片贴设于所述小玻璃管的端部，所述大玻璃管套设于所述输入准直器或输出保偏准直器的透镜上。

9.如权利要求8所述的起偏器，其特征在于，所述小玻璃管的管壁具有一沿长度方向的缺口使所述大玻璃管与小玻璃管相套接的部分管壁之间形成一可供气体流通的通道。

10.一种光纤传感器，包括一起偏器，其特征在于，所述起偏器采用权利要求1至9任一项所述的起偏器。

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