一種含磁光光纖利用光纖光柵激光拍頻測量旋光角的方法
【專利摘要】本發明公開了一種含磁光光纖利用光纖光柵激光拍頻測量旋光角的方法，首先磁光光纖在室溫環境中電流設定值的條件下，980nm泵浦光源經過光纖諧振腔輸出拍頻信號，記錄、存儲此時的實驗數據，經數字信號處理器進行處理，并通過理論計算值進行校正作為參考值，然后將磁光光纖處于室溫環境中不同電流條件下，經頻譜分析儀觀察拍頻信號的變化，并記錄、存儲相對應電流條件下的拍頻信號，最終得到拍頻信號與電流的對應關系并依據該拍頻信號與電流的對應關系實現待測磁光光纖旋光角的測量。本發明測量過程簡化，方便迅速，有效克服了傳統旋光角測量方法中存在的繁瑣流程。
【專利說明】
一種含磁光光纖利用光纖光柵激光拍頻測量旋光角的方法
技術領域
[0001] 本發明屬于光拍頻測旋光角技術領域，具體涉及一種含磁光光纖利用光纖光柵激 光拍頻測量旋光角的方法。
【背景技術】
[0002] 光拍頻技術作為相干檢測技術的一種十分重要的手段，自1955年發現以來尤其是 I960年激光出現以來得到迅速的發展。它對工業技術發展及科學研究起著非常重要的作 用。在民用方面，光拍頻在現代光學測量技術中有著重要的應用，它是一種檢測微小頻率差 的特別靈敏和比較簡單的方法。在軍事方面，利用光拍頻技術對多普勒測速雷達進行干擾 的技術已成為現代電子戰爭中非常關鍵的技術。光拍頻技術作為相干檢測的重要手段進入 測試技術領域以來，已從工業測試發展到大長度無導軌測量及小尺寸的超高精度測量，以 及一些物理量的測量。它的優點及潛力吸引著許多研究人員進行開發性研究。磁光光纖是 具有較強磁光效應的光纖，它的優點是靈敏度高、抗干擾性強、高絕緣、成本低。目前測量磁 光光纖旋光角的方法已有很多，并且取得了多項研究成果，但也存在許多亟待解決的問題。 現有的測量磁光光纖旋光角的方法普遍對光源、光纖的性能要求嚴格、光路復雜，需考慮很 多因素，對傳感器靈敏度要求高，旋光角測量分辨率低，光路系統穩定性差，這些因素導致 測量成本高且對旋光角的測量沒有保障。我們將光拍頻技術應用于磁光光纖旋光角的測 量，成功解決掉了這些技術上的難題。
【發明內容】
[0003] 本發明為解決測量磁光光纖旋光角系統的穩定性差、分辨率低和成本高等問題而 提供了一種含磁光光纖利用光纖光柵激光拍頻測量旋光角的方法，該方法通過分析、研究 在光纖光柵激光拍頻結構下磁光光纖在不同電流環境中輸出相應的激光拍頻來實現磁光 光纖旋光角的測量。
[0004] 本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，一種含磁光光纖利用光纖光柵激 光拍頻測量旋光角的方法，其特征在于由980nm栗浦光源、980/1550nm波分復用器、第一光 纖光柵、摻鉺光纖、帶通電線圈的磁光光纖、第二光纖光柵、隔離器、光電探測器和頻譜分析 儀構成利用光拍頻技術測量磁光光纖旋光角系統，其中沿光線傳輸方向依次設有通過光纖 相連的980nm栗浦光源、980/1550nm波分復用器、第一光纖光柵、摻鉺光纖、帶通電線圈的磁 光光纖、第二光纖光柵、隔離器和光電探測器，光電探測器與頻譜分析儀通過導線相連，具 體測旋光角過程為:第一光纖光柵、摻鉺光纖、帶通電線圈的磁光光纖和第二光纖光柵組成 光纖諧振腔，980nm栗浦光源經過980/1550nm波分復用器進入光纖諧振腔，光纖諧振腔中設 有非線性增益的摻鉺光纖，當栗浦頻率達到閾值，光在光纖諧振腔中被激發出左旋、右旋模 式的偏振光，在光纖光柵處進行混頻，在頻譜分析儀上看到激光拍頻信號，首先磁光光纖在 室溫環境中電流設定值的條件下，980nm栗浦光源經過光纖諧振腔輸出拍頻信號，記錄、存 儲此時的實驗數據，經數字信號處理器進行處理，并通過理論計算值進行校正作為參考值， 然后將磁光光纖處于室溫環境中不同電流條件下，經頻譜分析儀觀察拍頻信號的變化，并 記錄、存儲相對應電流條件下的拍頻信號，最終得到拍頻信號與電流的對應關系并依據該 拍頻信號與電流的對應關系實現待測磁光光纖旋光角的測量。
[0005] 本發明與現有技術相比具有以下有益效果：
[0006] (1)利用激光拍頻理論，光信號在光纖諧振腔中多次循環放大溢出，通過頻譜分析 儀記錄、測量數據并利用數字信號處理模塊對數據進行快速處理，同時可進行計算校準，提 高了測量精度；
[0007] (2)本發明利用光纖偏振特性的雙折射，其具有的高靈敏度，使旋光角的測量精確 更尚；
[0008] (3)本發明利用磁光光纖具有較強磁光效應、靈敏度高、抗干擾性強和高絕緣的優 點，大大降低光路搭建的成本，系統結構簡單，可以實現對不同電流下旋光角的精確測量；
[0009] (4)測量過程簡化，方便迅速，有效克服了傳統旋光角測量方法中存在的繁瑣流 程。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發明中利用光拍頻技術測量磁光光纖旋光角系統的光路原理圖。
[0011 ]圖中：1、980nm栗浦光源，2、980/1550nm波分復用器，3、第一光纖光柵，4、摻鉺光 纖，5、帶通電線圈的磁光光纖，6、第二光纖光柵，7、隔離器，8、光電探測器，9、頻譜分析儀， 10、光纖，11、導線。
【具體實施方式】
[0012] 以下通過實施例對本發明的上述內容做進一步詳細說明，但不應該將此理解為本 發明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發明上述內容實現的技術均屬于本發 明的范圍。
[0013] (1)利用光拍頻技術測量磁光光纖旋光角系統
[0014] 由980nm栗浦光源1，980/1550nm波分復用器2、第一光纖光柵3、摻鉺光纖4、帶通電 線圈的磁光光纖5、第二光纖光柵6、隔離器7、光電探測器8和頻譜分析儀9構成磁光光纖測 旋光角系統，其中沿光線傳輸方向依次設有通過光纖10相連的980nm栗浦光源1、980/ 1550nm波分復用器2、第一光纖光柵3、摻鉺光纖4、帶通電線圈的磁光光纖5和第二光纖光柵 6,隔離器7和光電探測器8,頻譜分析儀10通過導線11與光電探測器8相連。
[0015] (2)磁光光纖旋光角的測量
[0016] 第一光纖光柵、摻鉺光纖、帶通電線圈的磁光光纖和第二光纖光柵組成一個光纖 諧振腔，980nm栗浦光源通過980/1550nm波分復用器進入光纖諧振腔，光纖諧振腔中設有非 線性增益的摻鉺光纖，當栗浦頻率達到閾值，光在光纖諧振腔中被激發出左旋、右旋模式的 偏振光，在光纖光柵處進行混頻，在頻譜分析儀上可以清楚的看到激光拍頻信號。首先磁光 光纖在室溫環境中電流設定值的條件下，980nm栗浦光源經過光纖諧振腔輸出拍頻信號，記 錄、存儲此時的實驗數據，經數字信號處理器進行處理，并通過理論計算值進行校正，作為 參考值，然后將磁光光纖處于室溫環境中不同的電流條件下，經頻譜分析儀觀察拍頻信號 的變化，并記錄、存儲不同溫度環境下的拍頻信號，測量磁光光纖旋光角的系統結構如圖1 所示。
[0017] (3)數據采集和處理
[0018]觀察頻譜分析儀顯示的拍頻信號的同時，對輸出的拍頻信號經數字信號處理器進 行數據采集、存儲并處理，利用同一段磁光光纖，室溫條件下改變傳感部分電流的大小得到 不同的拍頻信號曲線，記錄拍頻信號與電流的對應關系并依據該拍頻信號與電流的對應關 系實現待測磁光光纖旋光角的測量。
[0019] 光通過光纖光柵、摻鉺光纖、傳感部分和啁嗽光纖組成一個光纖激光諧振腔，光在 其中包含兩個左旋、右旋的偏振態，用高速光電探測器監測拍頻信號，則光纖激光諧振腔產 生的拍頻可以表示為：
[0021 ]其中VL，VR分別為兩個左旋、右旋偏振態的激光頻率，c為光在真空中的傳播速度，0 是光纖雙折射常數，k。是光纖的傳播常數，nR和nL分別是光纖右旋偏振光和左旋 偏振光的折射率，A。是光纖激光諧振腔產生的激光波長，n。是光纖的平均折射率。
[0022] 保持光路系統處于同樣的室溫條件下，改變磁光光纖周圍電流大小，由于磁光光 纖在磁場中的磁光效應，通過頻譜儀觀察到的拍頻結果也不同。
[0023] 當光通過磁場中的磁光光纖時，會產生一個旋光角梁_，稱為法拉第效應旋轉角。根 據法拉第磁光效應可知，旋光角中為：
[0025]式中A。為激光諧振腔激發出來的波長，L為磁場中有效相互作用的磁光光纖長度。 [0026]由公式(1)、（2)可知拍頻的變化量與旋光角-的關系為：
[0028] 由公式(3)可知，當磁場中有效相互作用的磁光光纖長度一定時，拍頻變化量與旋 光角成線性關系，改變磁光光纖外線圈中電流的大小，可得到不同的拍頻輸出曲線和值，記 錄不同電流下的拍頻輸出值，從而得到被測旋光角與拍頻變化量的對應關系，最后經過與 理論計算值的校準得到不同電流值下被測磁光光纖旋光角的大小。
[0029] 以上實施例描述了本發明的基本原理、主要特征及優點，本行業的技術人員應該 了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原 理，在不脫離本發明原理的范圍下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均落入 本發明保護的范圍內。
【主權項】
1. 一種含磁光光纖利用光纖光柵激光拍頻測量旋光角的方法，其特征在于由980nm栗 浦光源、980/1550nm波分復用器、第一光纖光柵、摻鉺光纖、帶通電線圈的磁光光纖、第二光 纖光柵、隔離器、光電探測器和頻譜分析儀構成利用光拍頻技術測量磁光光纖旋光角系統， 其中沿光線傳輸方向依次設有通過光纖相連的980nm栗浦光源、980/1550nm波分復用器、第 一光纖光柵、摻鉺光纖、帶通電線圈的磁光光纖、第二光纖光柵、隔離器和光電探測器，光電 探測器與頻譜分析儀通過導線相連，具體測旋光角過程為:第一光纖光柵、摻鉺光纖、帶通 電線圈的磁光光纖和第二光纖光柵組成光纖諧振腔，980nm栗浦光源經過980/1550nm波分 復用器進入光纖諧振腔，光纖諧振腔中設有非線性增益的摻鉺光纖，當栗浦頻率達到閾值， 光在光纖諧振腔中被激發出正交模式的偏振光，在光纖光柵處進行混頻，在頻譜分析儀上 看到激光拍頻信號，首先磁光光纖在室溫環境中電流設定值的條件下，980nm栗浦光源經過 光纖諧振腔輸出拍頻信號，記錄、存儲此時的實驗數據，經數字信號處理器進行處理，并通 過理論計算值進行校正作為參考值，然后將磁光光纖處于室溫環境中不同電流條件下，經 頻譜分析儀觀察拍頻信號的變化，并記錄、存儲相對應電流條件下的拍頻信號，最終得到拍 頻信號與電流的對應關系并依據該拍頻信號與電流的對應關系實現待測磁光光纖旋光角 的測量。
【文檔編號】G01M11/02GK106052594SQ201610304051
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】王芳, 楊琳琳, 宋艷, 孫云娟, 王明遠, 劉玉芳
【申請人】河南師范大學