一种光纤偏振态的可视化动态检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种光纤偏振态的可视化动态检测方法及装置。采用涡旋玻片或角向偏振片生成矢量偏振光场，利用矢量偏振光场和数字图像处理技术实现光纤偏振态的可视化动态检测。相对于传统的光纤偏振态检测方案，本发明专利技术提供的技术方案可实时动态显示并检测光纤中传输光波的偏振态，对光源波长和功率变化的敏感性低，特别适合于具有较大工作波长范围的光电系统中光波偏振态的检测，检测精度高、速度快，检测结果直观、可动态显示，且系统结构简单、使用方便、无任何机械运动部件。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤偏振态的可视化动态检测方法及装置
本专利技术涉及光纤技术和偏振检测领域，进一步是涉及一种利用矢量偏振光场和数字图像处理技术实现光纤偏振态可视化动态检测的方法与装置。
技术介绍
光纤作为一种圆柱形介质光波导，在光通信与传感领域具有重要应用。然而由于光纤拉制不完善、使用时易受外界因素(应力、温度变化等)的影响，光纤中的偏振态会发生随机改变，进而增加通信误码率或降低传感精度，甚至导致系统不能正常工作。在光纤通信领域，光纤中的偏振效应(如偏振模色散、偏振相关调制及损耗等)会限制系统的传输速率和传输距离；在光纤传感领域，外界因素随机变化会导致偏振衰落，进而影响相干检测系统的性能。此外，对光纤中的偏振态进行动态实时监测，不仅可以对通信系统的工作状态进行监控，提高光纤通信的保密程度；还可以用来制成光纤入侵检测传感器，通过检测光纤偏振态是否受到外界扰动，进而判断是否有侵扰行为发生。因此，快速准确地测量光纤中传输光波的偏振态，控制并补偿光纤中偏振态的变化，具有重要的应用价值与实际意义。目前实现偏振检测的方法主要有时序型、空域型和干涉型三类。时序型检测系统通常是通过旋转光学元件(偏振片、玻片)或加入各种调制器件(电光、磁光、液晶等)改变偏振状态，并在不同时刻依次获取不同偏振状态下光强的偏振检测系统。这类系统因采用分时探测方式，实时性较差，且旋转光学元件存在非共轴误差，降低了系统的精度和稳定性。空域型检测是利用分束器件或采用多个子系统，在多个通道同时获取不同偏振状态下的输出光强，通过计算得到入射光波的Stokes(斯托克斯)分量，具体有分孔径(分波前)、分振幅和分焦平面阵列等多种形式。空域型偏振检测仪可实时获得多个偏振分量，数据处理相对简单，但会降低能量利用率并牺牲部分空间分辨率，且对各通道的空间配准要求高。干涉型偏振检测系统是利用分束器件，将光路分成调制有偏振信息的多路，然后汇聚于探测面并相干叠加，进而获取带有偏振信息的干涉图样，再利用计算机从干涉图中解算出待测光波的偏振信息。这类方案一般只适用于单波长的偏振检测系统，且从干涉图中提取偏振信息的运算量较大。近年来广泛研究的光纤偏振态检测方法，基本都可归结为以上三类。时序型如2011年7月13日由延凤平等公布的中国专利技术专利(201010597611.0)“全自动光纤偏振特性分析系统”，采用磁光调制器件实现光波偏振态的自动调整，避免了机械旋转导致的非共轴误差，但磁光器件对波长、温度等敏感，且易受外界电磁场的干扰影响。空域型如2010年3月17日由谢尚然等公布的中国专利技术专利(200910092602.3)“一种光偏振检测仪”，利用分束器以分振幅方式实现了多个通道偏振信息的同时检测，但分束器分成三个通道的能量分光比是波长相关的，即波长不同时系统的标校参数不同，影响了检测的灵活性和适应性。干涉型如2012年1月18日由肖倩等公布的中国专利技术专利(201110226648.7)“监测光纤偏振变化的方法与光路系统”，通过构建光纤干涉光路来监测光纤偏振的变化，该方案显然也只适用于单波长或窄线宽光波的偏振检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种新的光纤偏振态可视化动态检测装置，还相应提供一种基于矢量偏振光场和数字图像处理技术的光纤偏振态可视化动态检测方法。采用该方法实现的光纤偏振检测系统对光源波长和功率变化的敏感性低，检测精度高、速度快，检测结果直观、可动态显示，且无任何机械运动部件。本专利技术所采用的第一种技术方案为：一种光纤偏振态的可视化动态检测装置，包括：光纤偏振态发生及控制单元、偏振态可视化单元、偏振图像采集及计算单元，光纤偏振态发生及控制单元产生并输出不同偏振态的待测光波；偏振态可视化单元将入射偏振光转换为光强呈楔形亮暗分布的偏振图像；偏振图像采集及计算单元将偏振图像采集进计算机并经专业软件分析解算，得到待测线偏振光的方向和偏振度。所述光纤偏振态发生及控制单元包括；光源、光纤起偏器、偏振控制器、待测光纤、光纤准直器。所述光纤起偏器将光源发出的光转换为线偏振光，所述偏振控制器用于改变线偏振光的方向，所述待测光纤用于传输待测线偏振光并敏感外界参量变化，所述光纤准直器将入射偏振光扩束后准直输出，便于后续偏振态可视化单元的计算及分析。所述偏振态可视化单元包括：毛玻璃散射片、涡旋玻片、检偏器。所述毛玻璃散射片将上述光纤准直器输出的偏振光波散射成光强分布均匀的弥散光斑，所述涡旋玻片为零级涡旋半玻片，它在整个通光孔径上具有恒定的半波相位延迟，但其快轴在整个玻片上沿角向方向连续旋转，它将入射线偏振光转换为偏振方向连续变化的径向矢量偏振光；所述检偏器为高消光比偏振片，其偏振方向与涡旋玻片的零度快轴方向保持一致，它将前述径向偏振光转换为光强呈楔形亮暗分布的偏振图像，两楔形暗区中心所在的方向即为线偏振光电矢量的振动方向。所述偏振图像采集及计算单元包括：成像光学系统、红外相机、计算机。所述成像光学系统将上述偏振图像成像在所述红外相机的焦平面上，所述红外相机将光学偏振图像转化为数字图像后采集进所述计算机，所述计算机运行相应的图像处理软件，计算得到入射偏振光的偏振方向和偏振度。本专利技术所提供的另一种技术方案是：一种光纤偏振态的可视化动态检测装置，包括：光纤偏振态发生及控制单元、偏振态可视化单元、偏振图像采集及计算单元，光纤偏振态发生及控制单元产生并输出不同偏振态的待测光波；偏振态可视化单元将入射偏振光转换为光强呈楔形亮暗分布的偏振图像；偏振图像采集及计算单元将偏振图像采集进计算机并经专业软件分析解算，得到待测线偏振光的方向和偏振度；所述偏振态可视化单元包括：毛玻璃散射片、角向偏振片；所述角向偏振片是一个具有圆形同心传播轴的偏振器件，每一片小的区域都可看成是一个线型偏振片，其偏振轴的方向垂直于径向。所述角向偏振片将入射线偏振光转换为光强呈楔形亮暗分布的偏振图像，两楔形暗区中心所在的方向即为线偏振光的振动方向。所述光纤偏振态发生及控制单元、偏振图像采集及计算单元与第一种技术方案相同。第一或第二种技术方案中，所述光纤偏振态发生及控制单元中的光纤准直器也可移除，待测偏振光波直接从所述偏振控制器的光纤端面输出，并在自由空间中衍射传输，精确控制所述偏振态可视化单元、偏振图像采集及计算单元在光波传播方向上的纵向距离与横向位置，也可实现待测光纤偏振态的可视化动态检测。第一或第二种技术方案中，所述毛玻璃散射片选择散射度比较低(颗粒较细，通常500目以上)的散射片，对波长较长的红外光波也可移除毛玻璃散射片，以利于获得光强分布相对均匀的散射光场。本专利技术所提供的技术方案不仅适用于光纤中传输红外光波偏振态的可视化动态检测，也适用于光纤中传输可见光波或紫外光波偏振态的可视化动态检测，只需将上述方案中偏振态可视化单元中的涡旋玻片、偏振片、角向偏振片分别用可工作于可见光或紫外波段的涡旋玻片、偏振片、角向偏振片替换，同时将偏振图像采集及计算单元中的成像镜头和红外相机替换为对见光波或紫外光波更为敏感的成像镜头和相机即可。本专利技术所提供的技术方案不仅适用于光纤中传输光波偏振态的可视化动态检测，也适用于自由空间中传输的线偏振光偏振方向和偏振度的可视化动态检测，只需将上述方案中光纤偏振态发生及控制单元替换为普通光源和线型偏振片即可。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤偏振态的可视化动态检测装置，包括：光纤偏振态发生及控制单元、偏振态可视化单元、偏振图像采集及计算单元，其特征在于，光纤偏振态发生及控制单元产生并输出不同偏振态的待测光波；偏振态可视化单元将入射偏振光转换为光强呈楔形亮暗分布的偏振图像；偏振图像采集及计算单元将偏振图像采集进计算机并经专业软件分析解算，得到待测线偏振光的方向和偏振度；所述光纤偏振态发生及控制单元包括；光源、光纤起偏器、偏振控制器、待测光纤、光纤准直器，所述光纤起偏器将光源发出的光转换为线偏振光，所述偏振控制器用于改变线偏振光的方向，所述待测光纤用于传输待测线偏振光并敏感外界参量变化，所述光纤准直器将入射偏振光扩束后准直输出，便于后续偏振态可视化单元的计算及分析；所述偏振态可视化单元包括：毛玻璃散射片、涡旋玻片、检偏器，所述毛玻璃散射片将上述光纤准直器输出的偏振光波散射成光强分布均匀的弥散光斑，所述涡旋玻片为零级涡旋半玻片，在整个通光孔径上具有恒定的半波相位延迟，但其快轴在整个玻片上沿角向方向连续旋转，它将入射线偏振光转换为偏振方向连续变化的径向矢量偏振光；所述检偏器为高消光比偏振片，其偏振方向与涡旋玻片的零度快轴方向保持一致，它将前述径向偏振光转换为光强呈楔形亮暗分布的偏振图像，两楔形暗区中心所在的方向即为线偏振光电矢量的振动方向，所述偏振图像采集及计算单元包括：成像光学系统、红外相机、计算机，所述成像光学系统将上述偏振图像成像在所述红外相机的焦平面上，所述红外相机将光学偏振图像转化为数字图像后采集进所述计算机，所述计算机运行相应的图像处理软件，计算得到入射偏振光的偏振方向和偏振度。...

【技术特征摘要】
1.一种光纤偏振态的可视化动态检测装置，包括：光纤偏振态发生及控制单元、偏振态可视化单元、偏振图像采集及计算单元，其特征在于，光纤偏振态发生及控制单元产生并输出不同偏振态的待测光波；偏振态可视化单元将入射偏振光转换为光强呈楔形亮暗分布的偏振图像；偏振图像采集及计算单元将偏振图像采集进计算机并经专业软件分析解算，得到待测线偏振光的方向和偏振度；所述光纤偏振态发生及控制单元包括；光源、光纤起偏器、偏振控制器、待测光纤、光纤准直器，所述光纤起偏器将光源发出的光转换为线偏振光，所述偏振控制器用于改变线偏振光的方向，所述待测光纤用于传输待测线偏振光并敏感外界参量变化，所述光纤准直器将入射偏振光扩束后准直输出，便于后续偏振态可视化单元的计算及分析；所述偏振态可视化单元包括：毛玻璃散射片、涡旋玻片、检偏器，所述毛玻璃散射片将上述光纤准直器输出的偏振光波散射成光强分布均匀的弥散光斑，所述涡旋玻片为零级涡旋半玻片，在整个通光孔径上具有恒定的半波相位延迟，但其快轴在整个玻片上沿角向方向连续旋转，它将入射线偏振光转换为偏振方向连续变化的径向矢量偏振光；所述检偏器为高消光比偏振片，其偏振方向与涡旋玻片的零度快轴方向保持一致，它将前述径向偏振光转换为光强呈楔形亮暗分布的偏振图像，两楔形暗区中心所在的方向即为线偏振光电矢量的振动方向，所述偏振图像采集及计算单元包括：成像光学系统、红外相机、计算机，所述成像光学系统将上述偏振图像成像在所述红外相机的焦平面上，所述红外相机将光学偏振图像转化为数字图像后采集进所述计算机，所述计算机运行相应的图像处理软件，计算得到入射偏振光的偏振方向和偏振度。2.根据权利要求1所述的一种光纤偏振态的可视化动态检测装置，其特征在于，所述偏振态可视化单元另一种形式包括：毛玻璃散射片、角向偏振片；所述角向偏振片是一个具有圆形同心传播轴的偏振器件，每一片小的区域都可看成是一个线型偏振片，其偏振轴的方向垂直于径向，所述角向偏振片将入射线偏振光转换为光强呈楔形亮暗分布的偏振图像，两楔形暗区中心所在的方向即为线偏振光的振动方向。3.根据权利要求1或2所述的一种光纤偏振态的可视化动态检测装置，其特征在于，所述光纤偏振态发生及控制单元中的光纤准直器可移除，待测偏振光波直接从所述偏振控制器的光纤端面输出，并在自由空间中衍射传输，精确控制所述偏振态可视化单元、偏振图像采集及计算单元在光波传播方向上的纵向距离与横向位置，实现待测...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷兵，成昕，彭伟，邓如金，陈诗漪，高超，姚天甫，钟海荣，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43