[发明专利]一种掺杂光纤Verdet常数的测试装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺杂光纤Verdet常数的测试装置和方法，属于光纤传感技术领域。

背景技术

随着光纤技术的不断发展，光纤因其体积小、重量轻、绝缘性好、抗电磁干扰、灵敏度高等优点，越来越多的被应用于各类传感器。其中基于法拉第磁光效应的光纤传感器件得到了较快的发展，如磁光调制器、隔离器、电流互感器和光纤陀螺等。Verdet常数是表征磁光材料特性的重要参数，传感光纤的Verdet常数很大程度上决定着磁光效应器件的灵敏度，因此光纤Verdet常数的准确测量十分重要。

近年来，人们通过掺入稀土离子提高光纤的Verdet常数。其中常见的一类是Tb、Dy、Pr、Ce和Er等顺磁性的稀土离子，掺入后可以提高石英光纤的磁光效应灵敏度。还有一类混合掺入稀土离子和磷酸盐、硅酸盐等材料的玻璃光纤，其稀土离子含量较高，但本身通光性降低。常规的光纤Verdet常数测量装置和方法需要将待测光纤与单模光纤熔接，掺杂玻璃光纤与单模光纤熔接损耗极大，无法测量。

另外，一般的光纤Verdet常数测量系统是直接检测接收端光强度的变化，没有对测试的光束进行调制，因此在测试过程中不可避免的会混入其他波长的光噪声，尤其在测试可见光波段附近波长的Verdet常数时，周围环境的可见光会对测试结果产生很大的影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题提出一种掺杂光纤Verdet常数的测量装置和方法，能有效抑制测试过程中混入的光噪声，实现准确、稳定、快速的光纤Verdet常数测量。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种掺杂光纤Verdet常数的测试装置，包括ASE光源，准直器，起偏器，斩波器，透镜，光纤三轴位移台，螺线管，直流电源，检偏器，光电探测器，锁相放大器，计算机，待测掺杂光纤；所述ASE光源通过单模跳线与准直器相连，输出空间光进入起偏器，输出线偏振光；线偏光经过斩波器调制，再通过透镜耦合进入待测掺杂光纤，通过光纤三轴位移台的调整提高耦合效率；所述待测掺杂光纤放入定制的螺线管中心通道，螺线管与直流电源相连并提供磁场；光波从待测光纤出来后同样经过透镜和光纤三轴位移台的调整，通过检偏器，最后进入光电探测器；所述光电探测器和斩波器控制端都与锁相放大器连接，所述锁相放大器、检偏器都与计算机连接。

进一步地，所述的检偏器安装在精密电动旋转平台上。

进一步地，所述的准直器和起偏器之间使用笼式系统连接。

进一步地，所述的待测试掺杂光纤直接放入螺线管中心管道，无需与其他任何辅助光纤熔接。

一种掺杂光纤Verdet常数的测试方法，应用上述的掺杂光纤Verdet常数的测试装置，包括如下步骤：

步骤1：连接好实验光路，将待测掺杂光纤平直放入螺线管中心通道并固定，打开ASE光源输出660nm红光，把光功率计放在待测光纤输出端，此时调整光纤三轴位移台，使光源输出的光最大限度耦合进入待测光纤；

步骤2：固定光纤三轴位移台，调整ASE光源输出功率，使从待测光纤输出的光功率为1mW，使用计算机控制精密电动旋转平台，使检偏器旋转一周，使用光功率计观察并记录通过检偏器之后光强的变化范围，将检偏器通光方向调整至最大光强和最小光强的正中间位置（比如最大光强出现在检偏器90度位置，最小光强出现在180度位置，则调整检偏器至135度位置，即最佳工作点），从光路系统中撤出光功率计；

步骤3：在起偏器和透镜之间加入斩波器，启动斩波器和锁相放大器，设定斩波器频率为100Hz，给光波加入频率信息，同时给锁相放大器提供参考信号；

步骤4：光电探测器将光路系统最后输出的光功率转化为电信号输入锁相放大器，待锁相放大器稳定，读出较为精确的电压值                                                ，打开直流电源，输出电流I，通过螺线管产生稳定磁场，再次读出电压值，求得两次电压差：=；

步骤5：在五组不同电流值下重复步骤4，做出磁场与法拉第转角关系曲线，根据公式θ=VHL，计算待测光纤的Verdet常数V，其中，为法拉第转角，H为通电螺线管内部中心通道磁场强度，L为待测光纤在螺线管中的长度。

步骤5中求法拉第转角的原理如下：

光源发出的光通过起偏器后变成线偏振光，设线偏振光的振动方向平行于轴，则输入的线偏光的琼斯矩阵为：

式中表示光束的振幅。线偏振光注入光纤后，在磁场影响下，光的振动方向与轴形成角，则从光纤输出的线偏振光的琼斯矩阵：