（光学工程专业论文）白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的研究.pdf

摘要 在白光干涉法偏振耦合测试中 由于保偏光纤双折射色散的存在 偏振耦合 测试的最大测试距离明显下降 白光干涉的频域分析能够反映光程差与波长之间 的关系 从而减少双折射色散对偏振耦合测试的影响 延长测试距离 从白光干涉的基本理论出发 分析了双折射色散对偏振耦合测试的影响 提 出了提高偏振耦合测试最大测量长度的频域分析的方案 在实验室已研制出的分 布式偏振耦合测试仪的基础上 搭建了频域分析的系统 完成了l a b v i e w 软件 系统的设计 进行了白光干涉光谱算法的研究 同时实验验证了有关频域理论的 理论分析 计算出了被测保偏光纤耦合强度 延长了偏振耦合测试的距离 主要工作内容 1 从白光干涉基本原理出发 分析了双折射色散对保偏光纤偏振耦合测试的影 响 推导了在耦合点处白光迈克尔逊干涉的光谱分布 2 在已有的分布式偏振耦合测试仪的基础上 完成了偏振耦合测试频域分析的 系统改造 主要分为电机控制系统 数据接收系统 数据采集系统的设计 3 通过l a b v i e w 语言完成了计算机控制步迸电机导轨的移动和光谱仪的数据 采集程序设计 满足了保偏光纤偏振耦合测试频域分析要求 4 完成了直接法 极值法 均方差法及傅立叶变换法进行干涉光谱数据分析处 理的算法研究 选用了极值法和傅立叶变换法进行数据处理 并基于m a t l a b 软件完成了算法的实现 5 对频域分析系统进行了实验测试 通过不同长度的耦合点测试证明了频域分 析系统能够测量保偏光纤耦合强度 并且减少了折射色散的影响 提高了偏 振耦合测试距离 关键词 白光干涉 偏振耦合 双折射色散 频域分析 l a b v i e w a b s t r a c t i nt h em e a s u r e m e n to fp o l a r i z a t i o nc o u p l i n gu s i n gw h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t r y t h e m e a s u r e m e n tr a n g ei np o l a r i z a t i o nc o u p l i n ga n a l y z e rd e s c e n do b v i o u s l yi n f l u e n c e db y t h eb i r e f r i n g e n c ed i s p e r s i o no fp o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e r s p m f t h ef r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i so fw h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t r yc a ns h o wt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n o p t i c a lp a t hd i f f e r e n c ea n dw a v e l e n g t h i nt h i sw a yt h ei n f l u e n c eo fb i r e f r i n g e n c e d i s p e r s i o no nm e a s u r e m e n to fp o l a r i z a t i o nc o u p l i n g i sr e d u c e da n dm e a s u r e m e n t r a n g ei sp r o l o n g e d b a s e do n w h i t e l i g h ti n t e r f e r e n c et h e o r y t h ei n f l u e n c e o fb i r e f r i n g e n c e d i s p e r s i o no nt h em e a s u r e m e n to fp o l a r i z a t i o nc o u p l i n gi sa n a l y z e da n dt h ef r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i sf o ri m p r o v i n gm e a s u r e m e n tr a n g eo ft h em e a s u r e m e n to fp o l a r i z a t i o n c o u p l i n gi sd e v e l o p e d b a s e do nt h ed e v e l o p e dd i s t r i b u t e dp o l a r i z a t i o nc o u p l i n g a n a l y z e r t h es y s t e mo ff r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i si sc o m p l e t e da n dl a b v i e w s o f t w a r es y s t e mi sd e s i g n e d t h ea l g o r i t h m so fw h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t r ys p e c t r u mi s r e s e a r c h e d i nt h ee x p e r i m e n t t h ec o u p l i n gi n t e n s i t yo ft h et e s tf i b e rh a sb e e n c a l c u l a t e da n dt h em e a s u r e m e n tr a n g eh a sb e e np r o l o n g e d m a j o ra c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o n 1 b a s e do nw h i t e l i g h ti n t e r f e r e n c et h e o r y t h ei n f l u e n c eo f b i r e f r i n g e n c ed i s p e r s i o n o nt h em e a s u r e m e n to fp o l a r i z a t i o nc o u p l i n gi sa n a l y z e da n dt h ec o u p l i n gp o i n t s p e c t r a ld i s t r i b u t i o ni nw h i t el i g h tm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e ri sd e r i v e d 2 b a s e do nt h ed e v e l o p e dd i s t r i b u t e dp o l a r i z a t i o nc o u p l i n ga n a l y z e r t h es y s t e mo f f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i so nt h em e a s u r e m e n to fp o l a r i z a t i o nc o u p l i n gi s d e v e l o p e d w h i c hi sc o m p o s e do fs t e p m o t o rc o n t r o ls y s t e m d a t ar e c e i v i n g s y s t e ma n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 3 t h ep r o g r a mo fu s i n gc o m p u t e rt oc o n t r o lt h em o v e m e n t so fs t e p m o t o rg u i d ea n d t h ed a t ac o l l e c t i o no fs p e c t r o m e t e ri sd e s i g n e db yl a b v i e wl a n g u a g e m e e t i n g t h er e q u i r e m e n t so f f r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i so nt h em e a s u r e m e n to f p o l a r i z a t i o nc o u p l i n g 4 r e s e a r c h m e n to nt h ea l g o r i t h m so fa n a l y z i n gt h ew h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t r y s p e c t r u mb yd i r e c tm e t h o d e x t r e m u mm e t h o d m e a ns q u a r ed e v i a t i o nm e t h o d a n df o u r i e rt r a n s f c i r mm e t h o di s c o m p l e t e d e x t r e m u mm e t h o da n df o u r i e r 5 u s i n gt h ef r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i ss y s t e m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so fd i f f e r e n t l e n g t hc o u p l i n gp o i n th a ss h o wt h a tt h ef r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i ss y s t e mc a n m e a s u r et h ec o u p l i n gi n t e n s i t yo fp o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e r s p m f r e d u c e t h ei n f l u e n c eo fb i r e f r i n g e n c ed i s p e r s i o na n dp r o l o n gt h em e a s u r e m e n tr a n g e k e yw o r d s w h i t e l i g h ti n t e r f e r e n c e p o l a r i z a t i o nc o u p l i n g b i r e f r i n g e n c ed i s p e r s i o n f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s l a b v i e w 滋创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得墨壅叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 烫匆匆 签字同期 年罗月7 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 勋白 签字同期 川年吕月 同 翩躲搿 签字日期 劢0 年6 月26 日 第一章绪论 第一章绪论 本章将首先阐述本论文的研究目的 然后介绍偏振耦合测试的意义 包括保 偏光纤的特性 参数和分类 以及偏振耦合的形成和检测等 接着介绍了白光干 涉信号处理的各种技术以及白光干涉频域分析的应用现状 最后概括了本论文完 成的工作和各章的主要内容 1 1 论文的研究目的 保偏光纤由于对沿其特征轴传输的线偏振光具有很强的偏振保持能力 l 输 出光与输入光的偏振态保持一致 并且与普通单模光纤有良好的相容性 而广泛 应用于光纤陀螺 光纤传感1 2 j 光纤通信等各个领域 由于各种内外部干扰如光 纤内部应力区缺陷 横向应力 弯曲 扭转等因素 使保偏光纤内部产生了寄生 偏振耦合现象 影响了保偏光纤的偏振保持能力 导致偏振消光比降低 并因此 降低了光纤陀螺的质量和测试精度 同时 偏振耦合现象从一个侧面也反映了保 偏光纤制造 缠绕 使用过程中的工艺或技术缺陷 白光干涉偏振耦合测量法因具有结构简单 灵敏度高 空间分辨率高的特点 而被广泛采用 实验室研制出的白光干涉分布式保偏光纤测试仪在保偏光纤的测 试过程中灵敏度达 7 0 d b 空间分辨率可达1 0 c m 在偏振耦合测试中 认为被测 保偏光纤的双折射与波长无关 即光纤两正交轴的折射率差为一恒定值 但是在 实际中 保偏光纤的双折射是与波长相关的 保偏光纤快慢轴的色度色散系数不 同 存在双折射色散 在测量长保偏光纤的过程中 光纤中双折射色散 3 5 成为 偏振耦合测试中不可忽视的影响因素 随着耦合点距光纤出射端距离的增加 白 光干涉条纹的包络变宽和条纹对比度下降 严重限制了偏振耦合测试的空间分辨 率和最大测试距离 本文以分布式偏振耦合测试仪为基础 提出了以光谱仪为数据接收系统的白 光干涉法测量偏振耦合的频域分析方案 研究偏振耦合测试频域分析的原理 寻 求通过频域分析来消除或减少双折射色散对偏振耦合测试影响的途径 增加保偏 光纤测试的测量距离 第一 章绪论 1 2 偏振耦合测试的意义 1 2 1 保偏光纤介绍 近年来 光纤技术得到了快速发展 从振幅调制到相位调制和偏振态的调制 为光通信系统和光纤传感器等提供了多种方案 在1 9 8 0 年以前 由于缺乏在普 通光纤中控制偏振态的技术 或者由于缺乏可用的保偏光纤 6 很难在光纤中使 用相位或偏振态调制 后来 o k o s h i 和y a m a m o t o 等人成功地研制出了传输距 离可达2 0 0 公里 刀 或者传输速率可达1 0 9 比特的相干光通信系统 8 o 在这些系 统中 最重要的就是偏振态的控制 保偏光纤可以传输两个相互正交的线偏振模式 在这两个正交方向上存在着 固有的双折射 因此保偏光纤具有对其内部传播光束的偏振态的保持能力 使出 光与输入光的偏振态保持一致 根据产生双折射的原理来分 保偏光纤可以分为形状致双折射型 波导致双 折射型和应力致双折射型等几种 应力致双折射型有领结型 熊猫型和椭圆包层 套层 9 1 2 1 等 几何形状致双折射的有高椭圆度纤芯光纤1 13 1 波导结构致双折射的 有边槽型 边隧道型等 而且还出现了单偏振保偏光纤1 1 4 1 经过多年的发展和应 用检验 几何波导结构的p m f 如边槽型 边通道型以及哑铃纤芯型等相继被淘 汰 应力感应型p m f 得到了长足的发展 如熊猫型 蝴蝶结型 椭圆纤芯及椭 圆包层型和椭圆套层发展较快1 1 5 现在真正生存下来的主要是应力致双折射的结 构形式 1 2 2 保偏光纤的特性和主要参数 普通单模光纤中传播着两个彼此正交的基模h e x 和h e y 1 6 l 如果这两个基 模的传播常数相同 即 展一 o 则该光纤可以保持在其中传输的线偏振 光的偏振方向不变 即具有保偏能力 但在实际中由于光纤结构的不完善 或者 由于光纤受到侧压力 弯曲 扭转等因素引起的微扰而使a p 不为0 即在光纤 中产生了双折射 有了这些无序的双折射 偏振光在光纤中的偏振态就会不断变 化 使光纤的出射偏振态与入射偏振态有着很大的差异 然而 当光纤中存在固 有高双折射时 则可以消除微扰双折射对偏振态的影响 1 7 1 当忽略光纤损耗时 设沿z 轴传输的两个正交本征模为 h e x 和h e y 则产生的串扰即模式耦合功率 比 1 8 为 r l 熹s i l l2 0 5 知硒 1 1 茹葛5 丽s 1 仉5 4 筇1 1 l 式 1 1 中 p p 分别为激励模式h e x 和耦合模式h e y 的功率 k 为耦合系 2 第一章绪论 数 为固有传播常数差 为传播距离 与固有模式双折射 刀 有如下关 系f 1 9 筇 车 一刀 车加6 1 2 其中 玎 玎 分别为光纤两个正交传播方向的折射率 从上面两个公式可知 越大 刁越小 也即模式双折射幽 越大 则光纤保偏性能就越好 这就是高双 折射光纤的保偏原理 光纤的保偏性能一般可以由以下参数表示 2 0 1 模式双折射锄 或拍长三 2 模式耦合系数h 或串扰7 7 1 模式双折射血 或拍长三 模式双折射a n 是保偏光纤中传输的两个正交线偏振模式之间的有效折射 率之差 它与拍长相关 拍长的物理意义是 拍长等于使两正交偏振模式的相位 差达2 兀时的光纤长度 2 l 模式双折射与拍长有如下关系 三 z a n 6 2 r t l a f l 1 3 由上式可知 拍长三 与a n 成反比 因此 拍长越小 光纤的保偏性能越好 2 模式耦合系数h 或串扰 7 串扰是指光在光纤中传输一段距离后 耦合模式的功率与原有激励模式的功 率的比值 模式耦合系数h 与串扰玎具有如下关系 2 2 二三一 4 r t a n h t 14 2 二 一2 l p 七pp 其中 为光纤长度 因此 模式耦合系数t i 1 也是衡量光纤保偏能力的重要参数 h 参数越小 光纤的保偏能力越强 1 2 3 偏振模式耦合的形成及检测 理想的标准单模光纤具有良好的几何圆对称性 因而所传输的基模h e 是 两正交模式的二重简并模态1 2 3 在实际的光纤中 由于缺陷的存在 这种二重简 并被破坏 从而引起模态双折射 保偏光纤通过预加应力和形变来实现两个本征 模之间的双折射 由于保偏光纤的双折射比寄生的缺陷要高得多 当光耦合进入 一种本征偏振态时 将基本上保持这种输入偏振态 从而具有很强的保偏能力 但是当外界的干扰强度不断增加且不以光纤轴对称时 在保偏光纤内部的光信号 将会发生偏振模式耦合现象 即有一部分光能量从一种偏振态进入另一种与其垂 直正交的偏振态上去 如图1 1 所示 偏振模式耦合会导致在光纤陀螺中产生噪 声 信号漂移或信号衰减等现象 降低光纤陀螺工作效率 但另一方面也可以利 第 一章绪论 用它对外界干扰信号的灵敏度实现对温度 压力等微小变化的高精度检测 i 图1 1 偏振模式耦合产生原理图 目前对偏振模式耦合的检测方法主要有以下几种 光学相干偏振检测法1 2 4 1 偏振光时域反射澍2 5 迈克耳逊白光干涉法 2 6 1 马赫 曾德干涉法 这四种测量 方法的特点各有不同 测量精度也有差异 下面简要介绍下本论文采用的方案 迈克耳逊白光干涉法 论文会在后续章节对该方法的原理 结构 问题 信号处 理等进行深入阐述 迈克尔逊白光干涉仪 2 7 是一种相对简单的检测方法 同样可以检测出保偏光 纤内部偏振模耦合的位置和强度 试验方案如图1 2 所示 采用低相干度的超辐 射发光二极管 s l d 作为试验用光源 工作波长8 3 0 n m 采用格兰一托马斯棱 镜作为起偏器 入射线偏振光要求经过精心调整 使其偏振方向与被测保偏光纤 的主轴相一致 检偏器调整至与光纤主轴夹角为4 5 0 以获得相互叠加的偏振主 模和耦合偏振次模 迈克逊干涉仪中的反射平面镜m 2 与一个压电陶瓷相连接 当对压电陶瓷施加频率为1 1 k h z 的调制信号后 可以得到具有周期相位调制一 束反射光 迈克尔逊干涉仪输出光的总功率大约为1 微瓦 在该试验中测试了长 度为5 3 0 m 的熊猫保偏光纤 可以测试出的偏振耦合强度为 3 0 d b 光源的相干 长度为5 0 a m 该测试方法可以达到的空间分辨率为2 6 c m 4 第一章绪论 图1 2 迈克尔逊白光干涉测试方案 1 3 白光干涉信号处理技术 自白光干涉技术产生后 许多新技术的发明和利用 促进了白光干涉技术的 成熟及发展 其中组合光源 电扫描 相位调制 外差探测技术等均在白光干涉 仪中得到了应用 1 3 1 组合光源技术 在许多白光干涉仪中 均需要准确判断零级干涉条纹的位置 即零光程差点 一般认为在不经信号处理技术即可分辨出零级条纹与 级条纹的条件是它们幅 度的差值为系统噪声的两倍 即 s n r m j n 2 0 i 4 竽1 1 5 其中a i 为零级条纹与一级条纹幅度的差值 根据白光干涉原理可得 肾卜斗 2i 6 而目前使用的低相干光源如发光二极管 l e d 超辐射发光二极管 s l d 多模激光器 m l d 等的相干长度一般在5 0 a n 以上 因此 准确判断零级条纹 所需的信噪比在5 0 d b 以上f 2 8 这在实际系统中很难达到 需要一种方法减小光 源的等效相干长度 当同时使用两个不同波长相同相干长度的低相干光源时 干涉信号的交流项 可表示为 j m e x p c 2 x 三c r c s 署x c s 弓 x 7 地x p 眦 2 c o s 刳c o s 滢刁 其中九 2 如 如 l 2 五五 i 一如i 其典型干涉条纹可见图1 3 从 图中可直观发现 零级条纹与 级条纹的幅度差值增大了 从式 1 7 t g 可见 一级条纹增加了一个余弦乘积项 甜 增大 信噪比需求降低到3 0 d b 左右 2 9 第一苹绪论 刊 卜 图1 3 组合光源干涉 图l 4 是一种典型的使用双光源测量宽带光源双光束干涉零光程差的方法 1 3 0 l 两个光源的光经过单向耦合器出射 双向耦合器使入射光经过光传感器和匹 配臂反射后构成输出光 输出到干涉仪中 罔l 4 双光源钡4 量宽带光源双光束干涉零光程差 在组合波长干涉中 除相加外 相乘 多次方 矧 j 波长组合1 3 蚓 最佳 波长组合瞰1 等技术也应用于组合光源技术中 提高零级条纹判断的准确性 l3 2 电扫描技术 白光干涉信号采集有两种方式 第一种为时域解调技术 采用导轨等机械扫 描部件改变干涉仪光程差 这种方式具有高信噪比的优点 但是通常需要高精度 平移机械装置 系统体秘大且丁作速度较慢 第二种方式为空间解调技术 即电 扫描技术 它使用c c d 或探测器阵列探测不同光程筹处的光信号 电扫描白光 干涉技术由于去除了机械移动部件 结构更加紧凑和稳定 井且取得了高速的测 量速度 因此也获得了广泛研究 m 典型的电扫描结构如图l 5 所示 图 a 中迈克耳逊干涉仪一臂具有目倾 第一章绪论 角 光线经透镜扩束后经两镜面反射 在探测器阵列处发生叠加 由于反射镜的 倾角 使得在干涉仪的工作范围内 探测器阵列上总有像元处于光程匹配位置 由于c c d 等探测器阵列可以工作于m h z 频率以上 因此电扫描测量速度非常快 速 但是由于没有机械移动部件 其量程和空间分辨率受到探测器阵列数量 探 测器尺寸以及倾角椤的限制 而且系统信噪比一般只能达到2 0 4 0 d b 左右 图 b 与图 a 不同的是它基于f i z e a u 干涉仪结构 譬i 囫 气萨i 秒j a d e t e c t o r l e n s l e n s吣斟 1 j l u i 7 一1 z e a u c a v i t y b 图1 5电扫描白光干涉结构 a m i c h e l s o n 式 b f i z e a u 式 1 3 3 相位调制技术 相位调制技术早在激光出现以前已经存在 在干涉技术中 包括自光干涉 通常采用相位调制将直流信号变为交流信号 克服干涉仪的直流漂移 提高检测 灵敏度和稳定性 当干涉仪一臂受到压电陶瓷等器件驱动 使干涉仪的光程差相 对于平均位置正负交替振荡 则干涉仪输出的交流分量为 j f a c o s 车 c o s w t 1 1 8 以 其中彳为光程差x 位置交流项幅度 为相位调制幅度 w 为调制频率 使用 锁相放大器 l o c k i na m p l i f i e r 滤除直流量和高阶量 基波幅度为 v a j i 丸 s i n 2 n x 2 1 9 式中j 丸 为一阶b e s s e l 函数 当取1 8 4 时达到最大值 1 3 4 光谱测量解调技术 采用光谱测量技术也可以实现白光干涉光程差的测量 由于光纤的色散效 应 不同波长的光将在两路产生不同的相位差 从而对应不同波长的光就有不同 的干涉光强 当两路光相位差正好是万的整数倍时 就会出现光强极大极小值 从而在频域里形成干涉条纹 宽带光源发生干涉时的光谱为 i 2 2 i 五 1 y e o s 2 n g 2 r p o 1 l o 7 第一章绪论 其中i 五 为光源的光功率谱 y 为光程差g 处的干涉条纹可见度 为任意初 始相位 1 1 0 式与光源光谱相比后可得频率与光程差相关的周期信号 i 五 1 c o s 2 n g 力 伊o j 1 1 1 进行频域变换可得到光程差g 白光干涉仪发展中还采用了外差探测 3 8 1 光扫描1 3 9 等信息处理方法 提高 了白光干涉的检测精度及易用性 拓展了应用领域 1 4 白光干涉频域分析的应用 光谱测量技术的原理如上小节1 3 4 所示 利用光谱测量技术可以对白光干 涉信号进行频域分析 由于频域分析可以避免时域分析中扫面带来的累积误差 且由于单色仪或光谱仪内部的光栅效应使得宽带光干涉变为窄带光干涉 相干长 度变长 所以已经在白光干涉很多领域中取得应用 p e t rh l u b i n a 等人在光纤色 散测量方面进行了大量的研究 4 0 坩 其系统结构如图1 6 所示 宽带光源经过准 直透镜后进入迈克尔逊干涉仪中 通过可移动反射镜调整两束光之间的光程差 通过一个光纤耦合装置将两束光耦合进被检测光纤中 最后被光谱接收装置接 收 使用傅立叶变换法可以得出光程差 在用数据拟合等方法算出光纤色散的大 小 固定反射镜 图1 6 白光干涉频域分析测量光纤色散的系统 白光干涉频域分析还在薄膜测量中得到了应用 一种典型的应用于薄膜测量 的实验装置 如图1 7 所示 使用高亮的卤光灯 经过会聚以后 再经过约l m m 的光阑 然后准直 汇聚照射在样品薄膜上 发生如图1 8 所示的干涉现象 反 8 第一章绪论 射光通过透镜后使用单色仪进行接收 通过光谱上的极值点即可得到不同波长处 的光程差 从而得到薄膜的厚度 用 图1 7 薄膜测量实验装置图1 8 白光在薄膜处的干涉现象 白光干涉频域分析在表面微型貌测量和微位移测量 倒中也得到了广泛应 1 5 本论文的主要工作 论文基于白光干涉的光谱测量解调法提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的保 偏光纤偏振耦合测试频域分析的方案 可以减少双折射色散对偏振耦合测试的影 响 提高保偏光纤测试的距离 第一章 绪论 本章首先介绍了保偏光纤偏振耦合测试的意义 包括保偏光 纤的特性 参数和分类 光纤陀螺的发展和内部结构 以及偏振耦合的形成和检 测等 接着介绍了白光干涉信号处理的各种技术以及白光干涉频域分析的应用 最后概括了本论文完成的工作和各章的主要内容 第二章 白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的原理 本章介绍了白 光测量理论 并从白光干涉理论出发 阐述了迈克尔逊白光干涉法测量保偏光纤 偏振耦合的基本原理 分析了频域干涉与时域干涉的不同点 给出了系统干涉光 强表达式 使用m a t l a b 软件仿真了保偏光纤偏振耦合系统的干涉光谱图 第三章 白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的方案与系统 本章根 据白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试的频域分析原理提出偏振耦合测试的方案 与系统 在实验室分布式偏振耦合测试仪的基础上搭建了新的频域分析的系统 利用l a b v i e w 虚拟仪器技术完成了基于数据采集卡的步进电机控制 基于光谱 仪的数据接收系统设计以及基于g p i b 卡的数据采集系统设计 第四章 基于m a t l a b 的干涉光谱数据处理系统及算法研究 本章详细讨论 了基于迈克尔逊白光干涉法测量偏振耦合的频域分析的四种数据处理算法 分别 为直接法 极值法 均方差法以及傅立叶变换法 最后根据实际情况确定了极值 9 第一章绪论 法和傅立叶变换法用于偏振耦合测试 第五章 白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的实验研究 本章利用 频域分析系统分别对不同距离处的耦合点进行了测试 与原有系统的比对了实验 结果 验证了频域分析系统可行性 并且证明了频域分析系统延长了偏振耦合测 试的距离 第六章 总结与展望 总结了本文的研究工作 指出了近一步研究工作的方 向 1 0 第二章白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的原理 第二章白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的原理 保偏光纤内部的纤芯及应力区缺陷 外部的弯曲 扭转 横向应力 温度变 化等均会引起保偏光纤中两种偏振模式的能量耦合 本章从白光干涉理论出发 介绍了保偏光纤模式耦合理论的基本模型 阐述了白光法偏振耦合测试时域分析 的基本原理 讨论了双折射色散对偏振耦合测试的影响 分析了时域分析与频域 分析的不同 给出了频域分析的光强表达式 介绍了耦合点位置和耦合强度的计 算公式 2 1 白光干涉测量理论 在测量领域 干涉测量技术已成为物理量检测中最为精确的系统之一 在这 些测量系统中 最常使用的是各类高相干干涉技术 如单模氦氖激光器作为光源 的长相干测量系统 这类系统的特点是 采用激光波长为标准量 在精密测量条 件下 可达纳米级测量精度 但其动态范围也限制在2 万相位之内 即一个波长 大小 因此 一般用于相对测量 而且这类系统一般对外部环境温度 压力 光 源光功率等条件要求苛刻 带来结构复杂 成本高等问题 近年来 采用低相干 光源的白光干涉技术取得了较大发展 可以进行大动态范围的绝对测量 且具有 分辨率高 对外部干扰不敏感等优点 成为国内外测量及传感领域的一个研究热 点 如白光干涉测量在三维微形貌检测 绷 薄膜检测 4 8 高压测量 4 9 1 色散测 量 5 0 厚度与折射率同时测型5 1 1 干涉定位 5 2 等方面有着广泛地应用 同时在 传感器复用 5 3 1 准分布式应力传剧5 4 彤 应力温度双参数传斛5 由5 7 等传感系统也 有着大量的研究与应用 2 1 1 白光干涉理论 所谓白光是相对理想单色光的一个概念 是指具有一定谱宽 相干长度较短 的低相干光源 相干长度是与光源的时间相干性相关的一个概念 表明光源发出 的一束光被延迟后的部分与未被延迟的光束本身在于涉场中相叠加发生干涉的 能力 经典光学t 5 8 1 和统计光学 5 9 1 对部分相干理论均有论述 它们认为 理想单 色光具有无穷大的相干长度 而具有一定谱宽的光源 其相干长度为 j 2 l 鲁 2 1 第二章自光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的原理 其中旯为中心波长 a 为光谱的半高全宽 f w h m 当光程差大于相干长度时 条纹可见度v 迅速趋于0 单色光与白光光源的干涉可用图2 1 形象表示 低相干 单色光 图2 1 光源非单色性对干涉条纹的影响 可见 低相干光源与单色光源不同 单色光源的条纹对比度在任意光程差内 是不变的 因此其动态范围被限制在2 n 相位内 而低相干光源谱宽 五内的每条 谱线都各自形成一组干涉条纹 除零光程差位置外 相互有偏移 叠加的效果使 整体条纹可见度随光程差的增大而减小 大于相干长度时 干涉现象消失 成为 简单的光强叠加 2 1 2 白光干涉仪的基本结构 使用低相干光源的干涉测量系统被称为 白光干涉仪 虽然人们研制出了 各种不同类型的干涉仪具体结构 但基本原理是相同的 如图2 2 所示 白光干涉仪由测量臂与参考臂组成 干涉仪的作用是将被测物理量引入两臂 光程差中 测量臂由于被测物理量引入了一个未知光程 参考臂通过反射镜位置 的移动对测量臂进行光程补偿 其作用相当于一个光学延迟线 假设参考臂与测试臂两臂光程分别为厶 三 则当k 一三 i 时 式 2 8 只有两种情况下产生干涉现象 j a z 4 1 1 a z c o s k a z i a z i 三 a a 2 4 i 厕y a z a n 6 c o sk a z a n 州i z a n 6 i b 2 2 2 双折射色散对保偏光纤偏振耦合测试的影响 在前面所述的白光干涉法偏振耦合测试中 相关的理论推导一直认为被测保 1 4 第二章白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的原理 偏光纤的双折射与入射光的波长无关 即光纤中的群模式双折射等于光源中心波 长处的双折射 认为a n 力 刀 是与波长无关的常数 但在实际测量中 保偏 光纤的快慢轴的双折射是与入射光的波长相关的 即保偏光纤中快慢轴双折射 a n 五 珂 五 一胛 五 是由波长决定的变量 光纤中存在双折射色散 保偏光纤 的双折射色散在物理上可以解释为在保偏光纤中不仅存在由于快慢轴内部结构 的各向异性产生的偏振模色散 同时在光纤的快轴和慢轴中各自存在与入射光波 长相关的色度色散 由于两正交轴色度色散系数的不同而导致了快慢轴的色散值 之差随波长变化 即双折射色散a d 在被测保偏光纤长度比较小时 色散现象 不起主导作用 两正交模式之间的双折射色散可以被忽略 但是在测量一段长的 保偏光纤时 双折射色散的影响将不能被忽视 它所带来的耦合点处白光干涉条 纹的包络展宽直接导致了分布式偏振耦合测试的最大测量范围和空间分辨率的 下降 首先建立两臂色散不均衡时的白光迈克耳逊干涉仪的模型 如图2 4 所示 对其干涉结果进行理论分析 亍固定平面反射镜 h 二二亡二色散介质 i 透镜 描平面镜 图2 4 两臂色散不均衡时的迈克耳逊白光干涉 设进入干涉仪分光棱镜光束的电磁场强度为甲 z t 当不存在不平衡色散介 质时 干涉仪输出的电磁场为 l 去 甲g 一2 d t 甲0 f 2 9 二 式中z 表示与光源的距离 t 代表时间 d 为干涉仪移动臂与等光程位置时的移 动距离 在干涉仪中引入的光程差为2 d 由于光源为宽带光源 其光谱分布函数为s b 因此电磁场强度甲 z f 满 足 甲g f 陋0 e x p k 0 z c o t d c o 2 1 0 p z 2 d f p e x p i k c o z 2 d 一伽弦国 2 11 第二章白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的原理 则无色散不均衡时干涉仪输出的电磁场 为 l 埘g f 万1p x e x p i k o z i o t e x p 陆 k 一2 j 一f 耐弦国 2 1 2 当干涉仪的固定干涉臂中引入厚度h 的色散介质时 干涉仪的输出电磁场强 度变为 王 删 z f l 荨卜 z 一2 d f 甲g 一2 白弦 f 2 1 3 式中刀 缈 三 白 为色散介质的折射率 于是有 俐巧1f s o 唧m e 啦 d 嘲陲锄枷2 踟凇卜 式中 为色散介质的传播常数 与入射光波长有关 c 为真空中的光速 探测到的光强j 可以用电磁场振幅的时间平均表示为 j i g 2 三j s b r e e x p 2 詈c d 一厅 一 c 缈谚 d 国 c 2 5 0 为光在色散介质的传播常数 将它在光源的中心频率 2 r 一 处按照泰勒级 数展开 取其前三项 刷 酬 o 一 吼 1 如一c o o 2 2 辔d oi 2 1 6 d 缈l l 根据色度色散的定义 色散系数d 为光信号在单位波长内传输单位距离时的 群时延 d 坐 一笪21 d 2 i 2 1 7 d l z 忍d o l l 珊 口r 对于白光宽带光源 其光谱分布满足高斯函数 荆 丽1e 冲 譬1 将式 2 1 6 2 1 7 和 2 1 8 代入式 2 1 5 中 得出探测到的白光干 涉的光强为 h 赤e 坤陆 掣 2 1 6 第二章白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的原理 c o s 卜抄班寿 掣 2 协 在式 2 一1 9 中 厶 吉幻甲g 2 d 2 时 耦合点处的干涉条纹分布为 五 i o 五 1 vxr b z 从五 2 万 兄 c o s 2 万 五 z 一 兄 2 2 5 近一步简化 由于一般频域分析取光谱图时取得是干涉现象较明显的条纹分 布 此时一般y a x 中缸 t o 时 z 与 满足光程差 2 n 2 a z a f t a 为0 的时候计算 耦合点位 置 a z a n 6 2 2 8 式中血 为保偏光纤双折射 由式 2 2 7 v r 叫h o h 一般情况下 只考虑弱耦合情况 即h 1 h 的高次项可忽略 可简化为 h 矿2 1 9 2 2 9 第二章白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的原理 上式中h 即为耦合点的模式耦合系数 2 3 本章小结 本章介绍了白光干涉的基本理论和白光干涉仪的基本结构 从保偏光纤中模 式耦合理论的基本模型出发 叙述了白光干涉分布式偏振耦合测试方法的基本原 理 同时介绍了双折射色散对偏振耦合测试的影响 给出了与波长相关的光谱表 达式 说明了耦合点位置和耦合强度的计算方法 为后续章节做了铺垫 第三章自光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的方案与系统 第三章白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的方案与系 统 本章介绍白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试的频域分析系统 提出了在实验 室已有的分布式偏振耦合测试仪的基础上进行改进的具体方案 包括电机控制系 统 数据接收系统 数据采集系统以及l a b v i e w 软件系统的设计 3 1 分布式偏振耦合测试仪的结构与工作原理 实验室已有的分布式偏振耦合测试仪是以白光干涉为基础 通过迈克耳逊干 涉仪的一臂移动进行光程差的补偿 通过检测补偿臂的移动距离计算出在保偏光 纤中的寄生偏振耦合点的位置 同时测量出每个耦合点处的耦合强度 偏振耦合 测试仪的整体结构如图3 1 所示 图3 1 分布式偏振耦合测试仪整体结构 分布式偏振耦合测试仪分为宽带光源与光纤起偏器 偏振调整机构 迈克耳 逊干涉解调机构和数据采集与控制机构四个部分 偏振调整机构采用步进电机带 动半波片旋转进行3 6 0 0 偏振态扫描 结合光电探测器1 探测到最大最小光强的 周期分布完成偏振调整 迈克耳逊干涉解调机构利用数据采集卡上f p g a 模块控 制另一步进电机带动导轨移动进行光程差补偿 s l d 光源输出的光经光纤起偏器起偏后进入保偏光纤 此处要求起偏器偏 2 l 第三章白光干涉 圭保偏光纤偏振辐合测试频域分析的方案与系统 振轴与保偏光纤主轴对准 般将起偏器与待测保偏光纤熔接在起 被测保偏 光纤自身形成一个传感干涉仪 经由保偏光纤的带有耦合点信息的出射光 投影 到与保偏光纤主轴成4 5 0 角的半波片主轴r 4 5 0 是由偏振调整机构调整完成 此时保犏光纤中的硝正交模被投影到同一轴上 然后配合数据采集与控制模块 由带有可移动臂的迈克耳逊干涉仪进行光程差补偿 当光电探测器2 扫描到干涉 主极大条纹时 通过导轨移动距离可以计算出耦合点的位置 分布式偏振耦合测 试仪的实物图如图3 2 所示 图3 2 偏振耦合测试仪实物图 3 2 白光干涉法测量保偏光纤偏振耦合频域分析的系统与方案 本文在实验室已有的分布式偏振耦台测试仪基础上搭建白光l 涉法测量保 偏光纤偏振耦合频域分析的系统 对原有系统的改进包括三部分 电机控制系统 数据接收系统与数据采集系统 采用u s b 数据采集卡替代原来的p c 采集卡来 控制步进屯机与导轨 使用调整架 探测光纤及光谱仪接收迈克尔逊干涉光谱 利用g p i b 总线实现计算机对干涉光谱的数据采集 实现适用于频域分析的反射 镜的移动和光谱的分析 即每移动固定距离后等待数据采集系统将数据存入电 脑 冉移动下一固定距离 通过以上方法实现对干涉光谱的采集 白光干涉法测 量僳偏光纤偏振祸台频域分析的系统如图3 3 所示 图3 3 偏振耦合测试频域分析的系统结构 第三章白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试频域分析的方案与系统 3 2 1 电机控制系统 电机控制系统包括导轨 驱动电机和数据采集卡三部分 一 导轨 导轨在电动平移台中起支撑作用 对电动平移台的承载 运行直线度 行程 等指标起决定作用 一般可分为交叉滚柱 方导轨 圆导轨和带支撑的圆导轨四 种形式 由于方导轨具有刚性好 导向精度高 行程大 寿命长等特点 系统选 用了方导轨 导轨实现了有效行程3 5 0 m m 的线性位移平台 平台任意3 0 0 m m 行程内行程 变动量小于8 u m 2 n 弧度内行程变动量小于5 t n n 重复定位精度小于5 胛 在导轨前端和尾端分别设置了两个限位传感器 当传感器信号有效时则停止 相应方向的驱动 以防止机械部件损坏 二 驱动电机 电机为平台移动提供驱动力矩 对电动平移台系统性能起决定作用 一般可 选用交流伺服电机和步进电机 交流伺服电机比较适合于高速运行 由于在干涉 仪中导轨运行速度一般低于7 0 m m m i n 速度较低 因此选用步进电机驱动 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 在工作时将输入的数字 脉冲转换成电机轴的输出角度 每个脉冲使转轴转动一个步距角 并依靠电磁力 矩将转轴准确地锁定在相应的步距位置上 控制简单 成本低 实际仪器选择了日本s a n y od e n k i 的5 相步进电机1 0 3 h 7 5 2 3 7 0 5 1 及其驱动 器p m m m d 5 3 0 3 1 1 0 电机步进角0 7 2 最大可达到2 5 0 细分 远高于干涉扫 描的要求 实际仪器选用了5 0 细分驱动 步进分辨率1 0 0 n m 对于光程差为 2 0 0 n m 工作于1 3 1 0 n m 波长时 每周期可采样6 次 3 倍于奈奎斯特采样率 保证干涉采样的数据稳定性 三 数据采集卡 系统采用u s b 6 2 5 1 数据采集卡来控制步进电机 u s b 6 2 5 1 是n i 公司推出 的一款多功能数据采集设备 具有1 6 路1 6 位分辨率a l 端口 采样率可达1 2 5 m s s 具有2 路1 6 位分辨率a o 端口 更新率可达2 8 6m s s 具有2 4 路1 0m h z 速率的数字i o 以及2 路3 2 位分辨率的计数器 定时器 计数器时基为8 0m h z 其实物图如图3 4 所示 第三章白光下涉法保偏光纤偏振耦台测试频域分析的方案与系统 习 l 鱼 图3 4 数据采集卡实物图 数据采集设备的a o 端口可定义成为一个任意波形发生器 其波形函数由软 件定义 a i 端口可定义为一个示波器 其采样频率和带宽由数据采集设备的硬 件性能决定 示波器界面在软件中