CN111238775A - 一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置包括：光源、待测光纤、透光圆筒、旋转台、光电探测器以及与光电探测器电连接的锁相放大器；光源的调制频率与锁相放大器的调制频率相同；待测光纤一端固定在第一旋转轴承上，待测光纤的另一端穿过透光圆筒固定在第二旋转轴承上，以使第一旋转轴承和第二旋转轴承工作时待测光纤绕自身轴线旋转；透光圆筒内装有匹配液，且位于透光圆筒内部的待测光纤为剥掉涂覆层的光纤；光电探测器安装在旋转台上，以使光电探测器绕着透光圆筒内部的待测光纤的中心旋转。本发明能够得到各方位角下散射信号角分布，实现测量的三维化。

Description

一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置

技术领域

本发明涉及光纤散射功率领域，特别是涉及一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置。

背景技术

光纤陀螺在军用领域、民用领域占据重要地位，已发展为主流的惯性元件。光子晶体光纤具有非线性度低、磁敏感度低、辐射敏感度低等优势，但目前其损耗远大于传统光纤，光子晶体光纤的损耗主要来源于空气-玻璃表面粗糙引起的散射。因此需要对光纤的散射特性进行测量并分析，为研究减小光纤损耗的方法指引方向。

为了全方位地了解光子晶体光纤的散射特性，除了直接测量光纤的散射损耗外，还需要测量光纤在空间内各点处的散射光强度，即散射功率球。使用积分球虽然可以得到光纤散射损耗，但无法测得光纤散射强度在空间各个方向的分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种光子晶体光纤散射功率三维分布测量装置，能够得到各方位角下散射信号角分布，实现测量的三维化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光子晶体光纤散射功率三维分布测量装置，包括：光源、待测光纤、透光圆筒、旋转台、光电探测器以及与所述光电探测器电连接的锁相放大器；

所述光源的调制频率与所述锁相放大器的调制频率相同；

所述待测光纤一端固定在第一旋转轴承上，所述待测光纤的另一端穿过所述透光圆筒固定在第二旋转轴承上，以使所述第一旋转轴承和所述第二旋转轴承工作时所述待测光纤绕自身轴线旋转；

所述透光圆筒内装有与自身折射率相同的折射率匹配液，且位于所述透光圆筒内部的待测光纤为剥掉涂覆层的光纤；

所述光电探测器安装在所述旋转台上，以使所述光电探测器绕着所述透光圆筒内部的剥掉涂覆层的光纤旋转。

可选的，位于所述透光圆筒外部的待测光纤为套有不透光黑管的光纤。

可选的，还包括放置有所述待测光纤、所述透光圆筒、所述旋转台以及所述光电探测器的黑箱。

可选的，还包括放大器；所述放大器的一端与所述光电探测器连接，所述放大器的另一端与所述锁相放大器连接。

可选的，还包括信号发生器和光开关；

所述信号发生器通过所述光开关与所述光源连接；

所述信号发生器与所述锁相放大器连接；

所述信号发生器用于产生方波信号并同时发送至所述光开关和所述锁相放大器，以使所述光源的调制频率与所述锁相放大器的调制频率相同。

可选的，还包括位于所述黑箱内部的第一同步步进电机和第二同步步进电机；

所述第一旋转轴承固定在所述第一同步步进电机上，所述第二旋转轴承固定在所述第二同步步进电机上。

可选的，还包括遮光筒；

所述遮光筒设置在所述待测光纤散射光出射方向上以使所述待测光纤的散射光全部直接进入所述光电探测器。

可选的，所述光源为中心波长为1550nm的激光光源。

可选的，所述透光圆筒为玻璃圆筒。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明以待测光纤中心为圆心，测量待测光纤在每个角度上的散射信号；同时待测光纤绕自身轴线旋转，测量不同方位角下的散射信号。本发明采用这种方式可以得到各方位角下散射信号角的分布，实现测量的三维化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置的原理图；

图2为采用本发明提供的装置后各方位角空芯光子晶体光纤散射测量分布曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置，一方面以待测光纤中心为圆心，测量光纤在每个角度上的散射信号；另一方面待测光纤绕自身轴线旋转，测量不同方位角下的散射信号。这种方式可以得到各方位角下散射信号角分布，实现测量的三维化。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1所示，本实施例提供的一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置包括光源1、锁相放大器6、黑箱以及位于所述黑箱内部的待测光纤2、透光圆筒3、旋转台4、光电探测器5。本实施例中的透光圆筒3为玻璃圆筒。本实施例中的旋转台4为圆柱形旋转台。

黑箱材质为金属，兼有电磁屏蔽降低电流噪声的作用。

所述锁相放大器6与所述光电探测器5电连接。

为了提高信噪比，得到真实的散射光信号，本实施例采用相干检测的方法对信号进行处理，锁相放大器6可以利用散射光信号与背景光的频率相位不同，从而将混杂在一起的信号和噪声区分。背景光指的是外界的日光、室内灯光、照明光、邻近仪器的指示灯光等除了待测光纤散射光外的一切干扰光源。

所述光源1的调制频率与所述锁相放大器6的调制频率相同。

所述待测光纤2一端固定在第一旋转轴承上，所述待测光纤2的另一端穿过所述透光圆筒3固定在第二旋转轴承上，以使所述第一旋转轴承和所述第二旋转轴承工作时所述待测光纤2绕自身轴线旋转。

所述透光圆筒3内装有与自身折射率相同的折射率匹配液14，且位于所述透光圆筒3内部的待测光纤2为剥掉涂覆层的光纤，即裸纤13。位于所述透光圆筒3外部的待测光纤2为套有不透光黑管的光纤。

剥掉涂覆层的待测光纤，即裸纤13约3.5mm，将其穿过装有折射率匹配液14的透光圆筒3并置于透光圆筒3的圆心处，用不透光的黑管把待测光纤2其余部分遮起来。

装有匹配液的透光圆筒3相当于一个圆柱形透镜，这截剥掉涂覆层的裸纤13上所有点在每个散射方向散射出来的光在透镜的焦距处会聚，不同方向的会聚点形成一条会聚弧线，这条会聚线上的散射光最强，因此应选定其为光电探测器5的探测路线。故将所述光电探测器5通过直角支架16安装在所述旋转台4上，以使所述光电探测器5绕着所述透光圆筒3内部的裸纤13旋转。

优先的，本实施例提供的装置还包括放大器7、信号发生器8和光开关9；所述放大器7的一端与所述光电探测器5的连接，所述放大器7的另一端与所述锁相放大器6的一端连接。所述信号发生器8与所述锁相放大器5的另一端连接；所述信号发生器8通过所述光开关9与所述光源1连接。

所述信号发生器8用于产生方波信号21并同时发送至所述光开关9和所述锁相放大器6，以使所述光源1的调制频率与所述锁相放大器6的调制频率相同。

光开关9根据方波信号21对光源1的输出光源20进行调制，将方波调制光源22送入待测光纤2中，光电探测器6接收散射光信号23后转换为电信号，经过放大器7进行放大，将放大后的散射光信号24送至锁相放大器6，使放大后的散射光信号24与锁相放大器6调制信号同频且相位差恒定，而背景光噪声信号频率与相位都与锁相放大器6的调制信号相去甚远，则锁相放大器6可将散射光信号从噪声中提取出来，输出去噪后的信号25，实现微弱散射功率的测量，测量灵敏度可达到1pW。

由于信号发生器8同时给了锁相放大器6和光源1同一个调制信号，使得散射光信号和输入至锁相放大器6的信号同频率同相位，锁相放大器6就能够据此锁定住散射光信号的频率，从而将淹没在噪声中的散射光信号提取出来。因为噪声信号是没有受到调制的，只有散射光信号受到了调制，锁相放大器6能够找到与自己输入信号相同频率且相位差一致的目标信号再将其提取出，也是相干检测的原理。

优先的，本实施例采用的光源1为中心波长为1550nm的大功率激光光源，本实施例采用的光电探测器5为有效测量面为Φ3mm、暗电流噪声较低、动态性能较好且用来接收散射光的探测器，光电探测器5与待测光纤2中心的连线与待测光纤2中入射光方向的夹角为散射角θ。

优先的，本实施例提供的装置还包括位于所述黑箱内部的第一同步步进电机10和第二同步步进电机11。

所述第一旋转轴承固定在所述第一同步步进电机10上，所述第二旋转轴承固定在所述第二同步步进电机11上。通过第一同步步进电机10和第二同步步进电机11带动待测光纤2绕自身轴线旋转，旋转方位角为φ。这里的旋转方位角相当于是测量点的角坐标，每旋转一次，测量点的方位角都会变，即旋转方位角φ是一个变量。比如设定每次旋转10°，那么第一次旋转后旋转方位角为10°，第二次旋转后旋转方位角为20°......以此类推。

此外，为了使待测光纤2、透光圆筒3、光电探测器5维持设定高度，设置一个底座18，旋转台4和活动滑孔17均设置在底座18上。第一同步步进电机10和第二同步步进电机11通过将支架15安装在活动滑孔17上以保持同一高度。旋转台4上还设置有支架15，支架15上还设置有圆盘19，圆盘19上还放置有透光圆筒3，即透光圆筒3通过圆盘19、支架15和旋转台4保持与第一同步步进电机10和第二同步步进电机11在同一高度。

优先的，整个装置需要与背景光相隔绝，因此需要对整个装置做黑箱处理。在黑箱子里面可能有来自同一光源的漏光，这种漏光产生的噪声使用锁相放大器6无法消除，会对探测对象造成很大的影响。因此还需要一个遮光筒12将散射光出射方向和光电探测器5有效探测窗包围起来，使探测对象光纤的散射光直接进入光电探测器5而挡住外界可能的漏光。经过这些后处理，才能保证输出散射光信号的可信度较高。因此本实施例提供的装置还遮光筒12；该遮光筒12设置在所述待测光纤2散射光出射方向上以使所述待测光纤2的散射光全部直接进入所述光电探测器5。

整个测量装置装在一个定制黑箱中，黑箱由铝合金黑化处理制成，一方面遮挡外部背景光防止对实验的影响，另一方面实现电磁屏蔽降低电流噪声。黑箱分为左右两个区域，左部区域内置放光纤测试模块，右部区域内置放总开关、放大器、步进电机驱动器及操作面板等主要仪器。黑箱内设几层隔间及暗门，方便各个器件之间的线路连通，外设数个把手，方便揭起外盖操作部分仪器、整体搬移。另外在光纤测量模块部分上方顶盖设计了一个长条状观察孔，测量期间使用黑色遮光纸封住，测量间隔可以揭开遮光纸直接观察箱内测量状况，无需频繁揭开顶盖，较为方便。

测量实验中采用内径45mm、外径50mm的透光圆筒，仿真计算出散射光焦距为80mm。在测量实验中，光电探测器5应置于距待测光纤2中心80mm处。但实际中散射光会聚处会略有偏差，因此在正式测量之前，需要使光电探测器5连接示波器，在80mm处附近寻找光强最大的位置并确定下来作为光电探测器5的摆放位置。

虽然光子晶体光纤具有相对较大的散射损耗，但是散射光信号仍是极其微弱的，对于探测信号收集来说是一个很大的难题。此时就需要后处理工作，对信号进行放大、除噪和其他处理等等。首先是放大信号，由于散射光信号与光电探测器5暗电流噪声同一量级，因此需要一个高倍放大器对接收到的散射信号进行放大处理，使散射信号与暗电流噪声较为明显的区分开，接下来需要降低装置的暗电流噪声。将光电探测器5、放大器7与示波器连接，并将光电探测器5有效探测面用黑色不透明的物体遮挡住，使其处于一个黑暗的环境下，此时示波器上显示的波形即为光电探测器5与放大器7的暗电流噪声。本申请是通过硬件结构实现降噪，如：将装置某些器件接地或者外置金属壳将电场屏蔽等措施把这种噪声降到最低。

本申请采用了相干检测的方法，提高了测试精度，增加了动态范围，其实验结果如图2所示。

另外采用暗电流噪声小的制冷型光电探测器5与放大倍数为10⁷的放大器，降低平台的噪声，提高了信噪比，实现了微弱散射功率的测量，测量灵敏度可达到1pW。并且相比前人的测试装置，散射角θ的测量范围大大提高，可达15°～165°，测量维度从二维提升为三维，满足需要测量光纤散射功率球的要求，并且旋转过程中方位角φ的分辨率可以达到1°，精确度较高；测量过程实现了人机交互控制，操作更为简便。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置，其特征在于，包括：光源、待测光纤、透光圆筒、旋转台、光电探测器以及与所述光电探测器电连接的锁相放大器；

所述光源的调制频率与所述锁相放大器的调制频率相同；

所述待测光纤一端固定在第一旋转轴承上，所述待测光纤的另一端穿过所述透光圆筒固定在第二旋转轴承上，以使所述第一旋转轴承和所述第二旋转轴承工作时所述待测光纤绕自身轴线旋转；

所述透光圆筒内装有与自身折射率相同的折射率匹配液，且位于所述透光圆筒内部的待测光纤为剥掉涂覆层的光纤；

所述光电探测器安装在所述旋转台上，以使所述光电探测器绕着所述透光圆筒内部的剥掉涂覆层的光纤旋转。

2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置，其特征在于，位于所述透光圆筒外部的待测光纤为套有不透光黑管的光纤。

3.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置，其特征在于，还包括放置有所述待测光纤、所述透光圆筒、所述旋转台以及所述光电探测器的黑箱。

4.根据权利要求3所述的一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置，其特征在于，还包括放大器；所述放大器的一端与所述光电探测器连接，所述放大器的另一端与所述锁相放大器连接。

5.根据权利要求3所述的一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置，其特征在于，还包括信号发生器和光开关；

所述信号发生器通过所述光开关与所述光源连接；

所述信号发生器与所述锁相放大器连接；

所述信号发生器用于产生方波信号并同时发送至所述光开关和所述锁相放大器，以使所述光源的调制频率与所述锁相放大器的调制频率相同。

6.根据权利要求3所述的一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置，其特征在于，还包括位于所述黑箱内部的第一同步步进电机和第二同步步进电机；

所述第一旋转轴承固定在所述第一同步步进电机上，所述第二旋转轴承固定在所述第二同步步进电机上。

7.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置，其特征在于，还包括遮光筒；

所述遮光筒设置在所述待测光纤散射光出射方向上以使所述待测光纤的散射光全部直接进入所述光电探测器。

8.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置，其特征在于，所述光源为中心波长为1550nm的激光光源。

9.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤的散射功率三维分布测量装置，其特征在于，所述透光圆筒为玻璃圆筒。

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