CN102944918B - 一种法拉第旋转镜结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种法拉第旋转镜结构，包括同轴设置的光纤、准直透镜、法拉第旋转器、反射式透镜以及磁环，光纤的端面设置于准直透镜的焦点处，准直透镜的后焦面和反射式透镜的前焦面重合，反射式透镜的后端面镀有高反射膜，且反射面设置于反射式透镜的后焦面，磁环是套设于法拉第旋转器的外部，并能在两端通电后产生固定不变的电磁场，光纤用于接收来自外部的光，并通过其端面发射到光线准直透镜的斜面上，准直透镜用于对来自光纤的光线进行准直，法拉第旋转器用于使来自准直透镜的平行光线在磁环产生的电磁场作用下实现光偏振状态的偏转。本发明能够免去反射光路的调试，直接进行机械装配。

Description

一种法拉第旋转镜结构

技术领域

本发明属于光纤传感领域，更具体地，涉及一种法拉第旋转镜结构。

背景技术

近年来，传感器在朝着灵敏，精确，适应性强，小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器倍受青睐。光纤传感器主要由光纤以及光探测器组成。其基本工作原理是将来自光源的光经过光纤，在传输过程中，受到外部扰动（如振动，压力，温度，电场，磁场或声波振动等），导致光的光学性质（如强度，波长，频率，相位，偏振态等）发生变化，称为被调制的信号光，这些被调制的信号光被送入光探测器，经解调后，获得被测参数。然而，光信号在单模光纤中传播时极有可能发生双折射现象，引起光信号偏振态的改变，导致误差。为避免上述问题，引入法拉第旋转镜，消除光信号因双折射引起的偏振态的变化，保持光信号偏振态不变。

图1是现有技术中采用的法拉第旋转镜结构截面视图,该法拉第旋转镜11包括光纤12、C-Lens 13、法拉第旋转器14、反射镜15和磁铁16。光纤12是单模光纤，光纤端面（一般为斜8°，增大回损）位于C-Lens 13的焦点处，信号光从光纤12输入，通过C-Lens 13准直转换为平行光线，该平行光线偏离主光轴且有一定偏转角，经过法拉第旋转器14后，在确定的磁场下，光的偏振状态旋转一定角度ψ，垂直入射到反射镜15，反射光按原路返回再次经过法拉第旋转器14、C-Lens 13，从光纤12输出，此时光的偏振状态旋转2ψ。因此使用法拉第旋转镜11可补偿光纤传感***中偏振状态的偏差，从而实现***稳定工作。基于上述工作原理，需保证反射镜的镜面与准直的平行光线相互垂直，需要精密的光学调试，如此大大增加了制作工艺的复杂程度，从而需要较长的装配时间。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种法拉第旋转镜结构，可免去反射光路的调试，直接进行机械装配。

为实现上述目的，本发明提供了一种法拉第旋转镜结构，包括同轴设置的光纤、准直透镜、法拉第旋转器、反射式透镜以及磁环，光纤的端面设置于准直透镜的焦点处，准直透镜的后焦面和反射式透镜的前焦面重合，反射式透镜的后端面镀有高反射膜，且反射面设置于反射式透镜的后焦面，磁环是套设于法拉第旋转器的外部，并能在两端通电后产生固定不变的电磁场，光纤用于接收来自外部的光，并通过其端面发射到光线准直透镜的斜面上，准直透镜用于对来自光纤的光线进行准直，并将准直后的平行光线发射到法拉第旋转器，法拉第旋转器用于使来自准直透镜的平行光线在磁环产生的电磁场作用下实现光偏振状态偏转角度ψ，并将偏振状态偏转后的光线发射到反射式透镜，反射式透镜用于将来自法拉第旋转器的光线原路返回到法拉第旋转器，法拉第旋转器还用于使来自反射式透镜的光线在磁环产生的电磁场作用下实现光偏振状态再次偏转角度ψ，并将偏振状态偏振后的光线发射到准直透镜，在准直透镜的后焦面上，经准直透镜准直后的平行光线的高度r和角度θ如下：

其中α为光纤与竖直轴线的夹角，为准直透镜与竖直轴线的夹角，n_f为光纤的纤芯折射率，n_c为准直透镜的折射率，f为准直透镜的焦距且

其中R为准直透镜的后端面的球面半径，反射式透镜接收到来自法拉第旋转器的光线与反射式透镜返回到法拉第旋转器的光线的关系如下：

r₂＝-r₁

θ₂＝-θ₁

其中r₁和θ₁分别是反射式透镜前焦面处入射的光线的高度和角度，r₂和θ₂分别是反射回到反射式透镜前焦面处的光线的高度和角度。

准直透镜为C-Lens透镜。

反射式透镜为后端面镀高反射膜的C-Lens透镜。

准直透镜还用于将来自法拉第旋转器的光线原路发射回光纤，光纤还用于将来自准直透镜的光线发射到外部。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：本发明的法拉第旋转镜结构通过设置光纤端面和准直透镜端面的角度，保证准直的平行光线与准直透镜同轴，改用后端面镀有高反射膜的反射式透镜代替反射镜，平行光线从反射式透镜光轴射入，原光路返回，可免去反射光路的调试，直接进行机械装配，从而提高器件的装配效率，更加适合批量生产，能广泛应用于光纤通信和光纤传感***中。

附图说明

图1是现有技术中的法拉第旋转镜结构的截面视图。

图2是本发明法拉第旋转镜结构的截面视图。

图3是光线通过法拉第旋转镜各元件后光偏振状态变化的示意图。

图4是本发明中准直透镜的光路示意图。

图5是本发明中反射式透镜的光路示意图。

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。

如图2所示，本发明的法拉第旋转镜结构包括同轴设置的光纤111、准直透镜112、法拉第旋转器113、反射式透镜114以及磁环115。

光纤111的端面设置于准直透镜112的焦点处。

准直透镜112的后焦面和反射式透镜114的前焦面重合。

反射式透镜114的后端面镀有高反射膜，且反射面设置于该反射式透镜114的后焦面。在本实施方式中，准直透镜112为C-Lens透镜，反射式透镜114为后端面镀高反射膜的C-Lens透镜。

磁环115是套设于法拉第旋转器113的外部，并能在两端通电后产生固定不变的电磁场。

光纤111用于接收来自外部的光，并通过其端面发射到光线准直透镜112的斜面上。

准直透镜112用于对来自光纤111的光线进行准直，并将准直后的平行光线发射到法拉第旋转器113。

法拉第旋转器113用于使来自准直透镜112的平行光线在磁环115产生的电磁场作用下实现光偏振状态偏转角度ψ（在图示中是以45°为例），并将偏振状态偏转后的光线发射到反射式透镜114。

反射式透镜114用于将来自法拉第旋转器113的光线原路返回到法拉第旋转器113。

法拉第旋转器113还用于使来自反射式透镜114的光线在磁环115产生的电磁场作用下实现偏振状态再次偏转角度ψ，并将偏振状态偏振后的光线发射到准直透镜112。由于法拉第效应的旋光方向决定于外加磁场方向，与光的传播方向无关，此时光的偏振状态旋转2ψ（即在此例中为90°）

准直透镜112还用于将来自法拉第旋转器113的光线原路发射回光纤111。

光纤111还用于将来自准直透镜112的光线发射到外部。

本发明的结构保证了准直的平行光线与准直透镜同轴，免去了反射光路的调试，实现直接机械装配。光线通过本发明法拉第旋转镜各元件后偏振状态的改变参考图3，需要注意的是，该图中箭头仅表示光信号传播方向。

如图4所示，在准直透镜的后焦面上，准直后的平行光线的高度r和角度θ如下：

其中α为光纤与竖直轴线的夹角，为准直透镜与竖直轴线的夹角，n_f为光纤的纤芯折射率，n_c为准直透镜的折射率，f为准直透镜的焦距且

其中R为准直透镜的后端面的球面半径。

从上式可以看到，当α和角度满足

可将准直光线的离轴消除，保证准直的平行光线与准直透镜同轴。

在本实施方式中，准直透镜的材料为SF11型材料，它的折射率为n_c=1.7447，光纤采用SMF-28型光纤，其纤芯折射率为n_f＝1.4682，通常光纤的光纤头角度为8°，则通过上式可获得角度

为5°，这样不会影响准直器的回波损耗，且保证准直的平行光线与准直透镜同轴，而光线偏角亦减小很多。

如图5所示，光线从反射式透镜的前焦面入射，反射平面位于后焦面，即2f***，根据矩阵光学计算得出反射式透镜的传输矩阵为： $\left[\begin{array}{cc}-1& 0\\ 0& -1\end{array}\right].$

根据上述传输矩阵，反射光线与入射光线（具体而言，反射式透镜接收到来自法拉第旋转器的光线为入射光线，反射式透镜返回到法拉第旋转器的光线为反射光线）的关系如下：

r₂＝-r₁

θ₂＝-θ₁

其中r₁和θ₁分别是反射式透镜前焦面处入射的光线的高度和角度，r₂和θ₂分别是反射回到反射式透镜前焦面处的光线的高度和角度。

从上式可以说明，反射光必然与入射光平行，如果光线入射在透镜轴线上，则反射光线将与入射光线完全重合，因此完全不需光路调试，直接进行机械装配即可。

在上述理论知识的基础上，本发明提出的法拉第旋转镜结构，适当设计光纤端面和准直透镜端面的角度，可保证准直的平行光线与准直透镜同轴，改用后端面镀有高反射膜的反射式透镜代替反射镜，平行光线从反射式透镜光轴射入，而不论入射角度如何改变，反射光线均可原光路返回，可免去反射光路的调试，直接进行机械装配。

本领域的技术人员容易理解，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 (4)

1.一种法拉第旋转镜结构，其特征在于，

包括同轴设置的光纤、准直透镜、法拉第旋转器、反射式透镜以及磁环；

所述光纤的端面设置于所述准直透镜的焦点处；

所述准直透镜的后焦面和所述反射式透镜的前焦面重合；

所述反射式透镜的后端面镀有高反射膜，且所述反射式透镜的反射面设置于所述反射式透镜的后焦面；

所述磁环是套设于所述法拉第旋转器的外部，并能在两端通电后产生固定不变的电磁场；

所述光纤用于接收来自外部的光，并通过其端面发射到所述准直透镜的斜面上；

所述准直透镜用于对来自光纤的光线进行准直，并将准直后的平行光线发射到法拉第旋转器；

法拉第旋转器用于使来自所述准直透镜的平行光线在所述磁环产生的电磁场作用下实现光偏振状态偏转角度ψ，并将偏振状态偏转后的光线发射到所述反射式透镜；

所述反射式透镜用于将来自所述法拉第旋转器的光线原路返回到所述法拉第旋转器；

所述法拉第旋转器还用于使来自所述反射式透镜的光线在所述磁环产生的电磁场作用下实现偏振状态再次偏转角度ψ，并将偏振状态偏振后的光线发射到所述准直透镜；

所述准直透镜准直后的平行光线的高度r和角度θ如下：

其中α为所述光纤与竖直轴线的夹角，

为所述准直透镜与竖直轴线的夹角，n_f为所述光纤的纤芯折射率，n_c为所述准直透镜的折射率，f为准直透镜的焦距且

其中R为所述准直透镜的后端面的球面半径；

所述反射式透镜接收到来自所述法拉第旋转器的光线与所述反射式透镜返回到所述法拉第旋转器的光线的关系如下：

r₂=-r₁

θ₂=-θ₁

其中r₁和θ₁分别是所述反射式透镜前焦面处入射的光线的高度和角度，r₂和θ₂分别是反射回到所述反射式透镜前焦面处的光线的高度和角度。

2.根据权利要求1所述的法拉第旋转镜结构，其特征在于，所述准直透镜为C-Lens透镜。

3.根据权利要求1所述的法拉第旋转镜结构，其特征在于，所述反射式透镜为后端面镀高反射膜的C-Lens透镜。

4.根据权利要求1所述的法拉第旋转镜结构，其特征在于，

所述准直透镜还用于将来自所述法拉第旋转器的光线原路发射回所述光纤；

所述光纤还用于将来自所述准直透镜的光线发射到外部。

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