[发明专利]离双折射光纤拍长测量方法及装置

说明书

本发明属于利用光电子方法测量光纤性能的技术领域。

随着相干光通讯和光纤传感技术的不断发展，对光纤的传输特性提出了单模保偏振的要求。普通单模光纤由于剩余应力、芯径不均匀、外部压力等因素导致双折射，其大小一般为每米几十度至几百度。双折射大小和快慢轴方向将影响光纤的偏振传输特性。因此，普通单模光纤不能适应保偏振应用的要求。高双折射光纤正是为了克服普通单模光纤的上述缺点而产生的，高双折射光纤与普通光纤结构不同，其横截面是非圆对称的。如图1所示：纤芯1-1，包层1-2，扇形夹层1-3。由于扇形夹层1-3与纤芯1-1、包层1-2的力学参数不一致，在光纤成型冷却后形成非均匀的应力分布，即产生应力双折射，双折射的快慢轴与光纤横截面的对称轴平行。双折射的大小用拍长表示，一个拍长相当于产生360°相移的光纤长度，其大小一般为毫米至厘米量级。高双折射光纤以其单模保偏振的优点得到广泛应用，因此，如何准确测量高双折射光纤的拍长成为近年来人们关注的课题。

目前一种用来测量高双折射光纤拍长的方法是散射光弹法。（《实验应力分析》P281～288机械工业出版社1981.9;《应用光学》1975年第14卷P2406）其原理是当入射光为偏振光时在垂直于入射光传播方向的横切面内，散射光是平面偏振的，散射光的强度与垂直于观察方向的光波振幅的平方成正比。基于这一原理有两种测量方案

（一）平面偏振光入射：

如附图2所示X、Y轴为光纤的快慢轴方向，U为入射光的振动矢量。当从垂直于光传播方向的R方向观察时，所观察到的散射光是光在S方向上的投影分量，散射光强为

Is＝K〔sin²ψcos²β+cos²ψsin²β- 1/2 sin2ψsin2βcosδ〕 （1）

显然，散射光强度受相位差δ、光振动方向以及观察方向与双折射的Y轴方向的夹角φ的控制。当φ和β一经确定后，光强只是相位差δ的周期函数，因为δ值沿传播方向逐点改变，这就会出现连续的亮暗条纹，形成散射条纹图。

（二）圆偏振光入射：

当入射光为圆偏振入射时，相应的散射光强为

Is＝K（1+Sin2βSinδ）    （2）

以上两种方案的具体测量方法是首先将光纤硅橡胶保护层剥离，把光纤放在支架上。当按照平面偏振光或圆偏振光入射时，在光纤的侧向即可观察到相应的干涉条纹。

这两种方案存在以下共同的缺点：1.均为破坏性测量，测量后的光纤无法继续使用。2.散射光一般非常微弱，因此要求较高功率的激光光源。3.随着光纤制造工艺水平的提高，光纤的损耗越来越小，即横向散射光越来越小，因此散射光弹法对于低损耗高双折射光纤的拍长测量将是困难的。4.若光纤摆放时发生光轴扭转则条纹的间距不能正确反映拍长大小。5.散射光弹法需要拍照、冲洗等工序，测量速度慢6.散射光弹法只能从明暗条纹的间距来分别拍长大小，分辨率低。

中国专利85205626公开的一种光纤交直流大电流传感器是由激光器3-1，起偏器3-2，显微物镜3-3，3-7，输入、输出调节架3-4、3-6，传感头3-5，渥拉斯顿棱镜3-8、探测器3-9信号处理装置3-10组成的，如附图3所示。该装置是利用超低双折射光纤中的法拉第效应来测量大电流。

本发明的目的是为了克服现有测量方法之不足，提出一种新方案实现对高双折射光纤拍长的非破坏性测量，并提高测量的准确度和分辨率。

本发明的技术要点是利用高双折射光纤的法拉第效应实现对高双折射光纤拍长的测量。

其方法是：当入射光的振动方向平行于光纤的快轴或慢轴时，在沿光纤长度方向加一小于拍长的局部交流磁场并移动其位置，则光电探测装置检测到的交流信号连续出现三次零值所对应的磁场沿光纤移动的距离就是一个拍长的大小。

其装置是由激光器、起偏器、显微物镜、输入、输出调节器、渥拉斯顿棱镜、探测器、信号处理装置和交流磁场产生装置构成的。其中的交流磁场产生装置由线圈绕组4-1、非闭合磁芯环4-2组成，如附图4所示。非闭合磁芯环4-2的一侧有一个狭缝4-3和一个能使光纤穿过的细孔4-4，此孔的中心轴与狭缝4-3垂直。

下面对其原理及附图进行详细描述，以便进一步理解发明。本发明是应用高双折射光纤的法拉第旋光效应来实现对高双折射光纤拍长的测量，其原理是沿光纤长度方向加局部交流磁场，使偏振光的振动面发生旋转，则光电探测装置检测到的信号不仅与所加磁场有关，也与光纤双折射的分布有关，因此，移动磁场的位置便可测出光纤的拍长。