[发明专利]一种降低光纤双折射影响的光纤干涉测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤干涉测量系统，特别涉及基于Michelson光纤干涉测量装置的具有测量外界物理量功能的光纤干涉测量系统。

背景技术

光纤干涉测量系统采用全光纤器件，具有抗电磁干扰能力强、探测灵敏度高、传感器无源工作等特点，在振动、温度、位移等物理量的测量中被广泛应用。

根据光干涉理论，只有同一偏振态的光才能形成干涉，当光纤中存在双折射时，不同偏振状态的光传播速度不一样，产生的干涉信号也随之发生变化。因此，当光纤中存在双折射时，除了外界物理量引起的干涉外，系统中会出现残余偏振诱导相位噪声，即偏振噪声，引起系统的测量误差。对于光纤而言，由于温度等因素的影响，在实际使用过程中，双折射现象不可避免，为了降低测量误差，需要采取措施抑制双折射的影响。

图1示意性地给出了现有技术方案中基于Michelson光纤干涉测量装置的光纤干涉测量系统的基本结构。从激光器1发出的光，通过光源光纤2传输至光纤耦合器4，经过光纤耦合器4分为光强相等的两束光，传输到Michelson光纤干涉测量装置的测量臂和参考臂。其中一束光在作为测量臂光纤7中传输，另一束光在作为参考臂光纤8中传输，两束光经光反射装置9、10反射回来后，在光纤耦合器4处汇合并发生干涉。当测量臂光纤7和参考臂光纤8上外界物理量发生变化时，干涉光信号也发生变化，干涉光信号经探测器光纤3被光电探测器11接收，运算处理系统12通过读取光电探测器上的电压值，可以获得外界物理量信号的大小。

如果光反射装置采用法拉第旋转镜，从理论上而言，激光光束单程通过法拉第旋转镜时，其偏振主轴旋转45°，当激光光束被反射回来时，反射光束再次被旋转45°，从而与入射光束正交。激光沿光纤经法拉第旋转镜和Michelson反射镜后返回光纤的传输矩阵为：

式中t为光功率衰减因子。

光在传输过程中，单模光纤带来的双折射的影响，可以利用归一化的椭圆延迟器的琼斯矩阵和来表示。

当激光光束通过光纤时，前向传输的琼斯矩阵可以表示为：

式中*表示共轭，表示光纤的损耗，d²＝aa*+bb*，参数a和b为单模光纤双折射率因子。

当激光光束返回时，后向传输的琼斯矩阵可以表示为：

利用琼斯矩阵和可以获得任意偏振光的传输矩阵：

通过式(4)我们可以看出传输矩阵为常数，在法拉第旋转镜保持完全90°的偏振旋转的条件下，可以有效地抑制单模光纤双折射带来的影响，从而提高Michelson光纤干涉测量装置的稳定性。但是在实际使用过程中，由于法拉第旋转镜的偏振旋转角度本身的误差，同时其与光源中心波长、环境温度及磁场有关，无法保持完全90°的偏振旋转，会造成光纤干涉测量系统的不稳定。

当法拉第旋转镜存在旋转角度误差时，其传输矩阵可以表示为：

式中，为法拉第旋转镜相对于旋转角度45°的角度误差。

根据图1，基于非理想法拉第旋转镜的Michelson光纤干涉测量装置归一化输出为：

(6)

式中，为耦合器的耦合系数；为与单模光纤双折射率因子a与b相关的参数；r_s和r_R为两个臂的集总损耗；为两个臂的相位差，当受到应力等外界物理量影响时，直接反应了外界物理量的变化。

当时，表明Michelson光纤干涉测量装置输出不受单模光纤双折射的影响；当(在实际使用过程中，由于法拉第旋转镜的偏振旋转角度本身存在误差，同时其与光源中心波长、环境温度及磁场有关，无法保持完全90°的偏振旋转)，则Michelson光纤干涉测量装置输出仍然会受到单模光纤双折射的影响，其影响因子归一化关系如图3所示。当法拉第旋转镜完全失去对偏振的控制作用，相当于使用光纤反射镜作为光反射装置，Michelson光纤干涉测量装置输出受到完全的单模光纤双折射的影响14。

从上面对基于非理想法拉第旋转镜的Michelson光纤干涉测量装置的评述可以看出，由于法拉第旋转镜的偏振旋转角度本身存在误差，同时会该偏振选择角度因光源中心波长、环境温度及磁场的变化而产生变化，使其无法保持完全90°的偏振旋转，无法有效抑制单模光纤双折射带来的偏振噪声，从而大大降低了光纤干涉测量系统的稳定性与实用性。

发明内容