專利名稱：一種光纖磁光系數(shù)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬光纖測量領(lǐng)域。
光導(dǎo)纖維具有質(zhì)量輕、抗電磁干擾、安全、耐腐蝕等優(yōu)點。目前，光導(dǎo)纖維除了用作光通信的傳輸媒質(zhì)外，在傳感領(lǐng)域也有很廣泛的應(yīng)用，可作為傳感元件應(yīng)用于高壓電力傳輸線上大電流的測量。光纖傳感電流的原理是應(yīng)用光纖的磁光效應(yīng)，即利用電流在其周圍產(chǎn)生的磁場使光纖中傳輸?shù)木€偏振光偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過測量旋轉(zhuǎn)的角度即能知道電流的大小。而磁光系數(shù)(Verdet常數(shù))就是表征材料磁光效應(yīng)大小的一個物理量，準(zhǔn)確測量這一常數(shù)具有十分重要的意義。
現(xiàn)有測量光纖Verdet常數(shù)的裝置主要包括光源、起偏器、顯微物鏡、用于固定被測光纖的微調(diào)架、環(huán)繞被測光纖的通電螺線管、光探測器和信號處理器。沿軸向?qū)饫w施加一已知磁場，通過測量偏振光偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度來求得Verdet常數(shù)。由于實際上光纖并不完全各向同性，特別在安裝、調(diào)整測量過程中，容易引入線雙折射，造成測量結(jié)果有較大誤差。美國Optics Letter雜志Vol.14，No.21，1228－1230(1989)提出分別用線偏振光及園偏振光入射，通過接收端的信號處理來消除雙折射對測量結(jié)果的影響。而實際上上述測量中用到的近于理想的園偏振光在實驗中是很難實現(xiàn)的，另外，實際光纖線雙折射分布的不均勻性也對測量結(jié)果有較大影響，因此這一測量裝置和方法得不到精確的測量結(jié)果。
本實用新型的目的在于將現(xiàn)有尚不能實際使用于一般單模光纖的磁光系數(shù)測量裝置改造成可準(zhǔn)確測量、適于實施的裝置。
附

圖1為本實用新型光纖磁光系數(shù)測量裝置示意圖。該裝置在現(xiàn)有主要包括排列在同一光路上的光源1、起偏器2、前顯微物鏡3、用于固定光纖5的微調(diào)架4、環(huán)繞被測光纖5的通電螺線管6、后顯微物鏡10、檢偏器11、光探測器12和信號處理器13的光路中，在通電螺線管6和顯微物鏡10之間，將固定光纖5的后微調(diào)架改為可將被測光纖無應(yīng)力地固定并可使其扭轉(zhuǎn)的裝置9。螺線管6的電流由電源7提供，并通過電流表8指示電流大小。上述各元件可固定在裝置的底座14上。
附圖2為可將被測光纖固定和扭轉(zhuǎn)的裝置9的示意圖，它可以是一個中心帶孔15的園盤16，該孔15用于使被測光纖5穿過，并可用膠或無應(yīng)力夾具將光纖5與園盤16相對固定。園盤上刻有可指示其偏轉(zhuǎn)角度的刻度17，該園盤16嵌在一框架18內(nèi)，框架18可固定在裝置的底座14上，園盤16可在框架18內(nèi)轉(zhuǎn)動，并可用卡子或螺釘19使其與框架18相對固定于某一旋轉(zhuǎn)位置。在框架上有一用于指示園盤旋轉(zhuǎn)角度的標(biāo)志或指針20，及可將其固定到底座14上的固定螺孔21。
所述用于固定和扭轉(zhuǎn)光纖的裝置9可放在被測光纖5的前端或尾端，一般放在尾端較為方便。因為放在光纖前端時，在轉(zhuǎn)盤帶動光纖一起轉(zhuǎn)動時，易引起光注入對不準(zhǔn)的困難。根據(jù)光纖具有的不同雙折射可適當(dāng)選取扭轉(zhuǎn)的圈數(shù)在30圈／米至50圈／米之間。通常，普通的單模光纖，拍波長在幾米至幾十米范圍，光纖的扭轉(zhuǎn)率選擇35圈／米以上即能滿足要求。光纖露出轉(zhuǎn)盤平面的長度以較小為宜，一般不大于3cm，因為較長的尾部未扭轉(zhuǎn)的光纖會使測量結(jié)果造成一定誤差。測量時，使光源1發(fā)出的光經(jīng)起偏器2、前顯微物鏡3注入光纖5后，給螺線管6接通電源7，一般采用直流電源，也可使用交流電源，此時需將信號處理器13相應(yīng)改變?yōu)榭商幚斫涣餍盘柕奶幚砥?。觀察經(jīng)檢偏器11的光的強度或功率在電流接通前后的變化，旋轉(zhuǎn)檢偏器11至適當(dāng)角度，以找出光強度或光功率在電流接通前后變化的最大值。光探測器12的作用是將光強信號轉(zhuǎn)化為電信號。改變起偏器2的角度，再旋轉(zhuǎn)檢偏器11，尋找電流接通前后光強度或光功率變化的最大值。重復(fù)上述步驟多次，當(dāng)起偏器2取某一特定的角度位置時，通過旋轉(zhuǎn)檢偏器11至某一適當(dāng)位置，可在信號處理器13上觀察到通電前后光強的最大變化，此時可得到線偏振光的最大偏轉(zhuǎn)角度，記下這一角度。則光纖的Verdet常數(shù)可由式V＝θ／(H·L)計算得到。其中θ為最大偏轉(zhuǎn)角，H為磁場強度，L為光纖長度。
本實用新型采用將光纖扭轉(zhuǎn)來克服光纖存在均勻或不均勻線雙折射而引起的測量誤差，其依據(jù)的原理是當(dāng)光纖扭轉(zhuǎn)時，扭轉(zhuǎn)的切向力在光纖中產(chǎn)生一個較強的園雙折射；同時，當(dāng)光纖的扭轉(zhuǎn)率較高時光纖的幾何旋轉(zhuǎn)起到一個消除光纖線雙折射對光纖磁光效應(yīng)影響的作用。二者疊加，就克服了線雙折射對測量結(jié)果的影響。
采用上述裝置及方法測得的Verdet常數(shù)，誤差近似在0至△β／τ之間，其中△β為光纖的線雙折射，τ為光纖的扭轉(zhuǎn)率，對于標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖，△β值約在0－2πrad／m之間或略高。當(dāng)τ為40圈／米時，對△β＝2πrad／m的光纖可能引入的最大測量誤差在2.5％以內(nèi)。對于△β值更高的光纖，若能以其它方法先測得△β值，則利用本實用新型裝置就能測出Verdet的精確值。當(dāng)線雙折射的分布不均勻時，采用較大扭轉(zhuǎn)率引起光纖幾何旋轉(zhuǎn)，就能抵消線雙折射對測量結(jié)果的影響。
現(xiàn)有測量裝置沒有考慮誤差原因及校正方法，測量結(jié)果的誤差大小無法估計，尚不能實際應(yīng)用。本實用新型測量裝置克服了現(xiàn)有測量裝置在測量原理上的缺點，具有測量準(zhǔn)確度高、容易實施的特點，可適用于較寬范圍的各種光纖Verdet常數(shù)的測量。
下面以主要由SiO2為線芯材料的光纖為例，說明采用本裝置測量Verdet常數(shù)的具體過程。
被測光纖的纖芯直徑為5μm，線雙折射△β＝40°／m，光纖在0.633μm波長下單模。光源采用0.633μm波長的He－Ne激光器，輸出功率為2mW，起偏器采用格蘭·湯普遜棱鏡；消光比大于60dB，用10倍顯微物鏡將光耦合到光纖之中。螺線管電流由一臺大功率直流電源提供，最大電流30A，螺線管長1米，平均直徑2cm，由500匝粗導(dǎo)線繞成。從光纖尾端出射的光經(jīng)10倍顯微物鏡變?yōu)榻叫泄?，通過檢偏器，由Si－Pin光探測器接收，光功率由一功率計(信號處理器)顯示。扭轉(zhuǎn)光纖的轉(zhuǎn)盤安裝在靠近光纖尾端，光纖穿過轉(zhuǎn)盤中心孔后伸出端面長度為1cm，光纖和園盤之間用膠相對固定，旋轉(zhuǎn)園盤使光纖扭轉(zhuǎn)率τ達(dá)35圈／米。然后旋轉(zhuǎn)檢偏器，找出光的偏振方向，例如在檢偏器刻度的52°位置上。給螺線管接通30A電流后，再尋找輸出光的偏振方向，例如在檢偏器53°位置上。改變起偏器的角度，觀察加上30A電流后輸出光偏振方向的偏轉(zhuǎn)角度，記下這一數(shù)值。反復(fù)調(diào)整起偏器的方向，找出接通電流前后偏振光的最大偏轉(zhuǎn)角度。經(jīng)反復(fù)多次上述步驟，測得偏振光偏振方向在電流接通前后的位置對應(yīng)在檢偏器的56°及60°位置上，即得最大偏轉(zhuǎn)角度為60°－56°＝4°，則由V＝θ／(H·L)＝4°／(n·I)＝4°／(500×30A)＝2.667×10－4deg／A＝4.6×10－6rad／A由△β／τ＝40°／(35×360°)＝0.32％，可知這一測量結(jié)果的最大相對誤差為0.32％。
權(quán)利要求1.一種光纖磁光系數(shù)測量裝置，包括依次排列在同一光路上的光源、起偏器、顯微物鏡、用于固定光纖的微調(diào)架、環(huán)繞被測光纖的通電螺線管、檢偏器、光探測器和信號處理器，其特征在于在光路中的螺線管和顯微物鏡之間，將其中一個用于固定光纖的微調(diào)架改成可將被測光纖無應(yīng)力地固定并可將其扭轉(zhuǎn)的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述光纖磁光系數(shù)測量裝置，其特征在于所述可將被測光纖無應(yīng)力地固定和扭轉(zhuǎn)的裝置可以是一個中心帶孔的園盤，該孔用于使被測光纖穿過，并可用膠或無應(yīng)力夾具將其與圓盤相對固定，園盤上刻有可指示其旋轉(zhuǎn)角度的刻度。
專利摘要本實用新型為一種光纖磁光系數(shù)測量裝置，包括依次排列在同一光路上的光源、起偏器、顯微物鏡、用于固定光纖的微調(diào)架、環(huán)繞被測光纖的通電螺線管、可將被測光纖無應(yīng)力地固定并可將其扭轉(zhuǎn)的圓盤、檢偏器、光探測器和信號處理器；采用本裝置將被測光纖扭轉(zhuǎn)可克服光纖存在線雙折射而引起的測量誤差，可適用較寬范圍的各種光纖Verdet常數(shù)的測量，準(zhǔn)確度高，容易實施。
文檔編號G01M11/02GK2098028SQ9121814
公開日1992年3月4日 申請日期1991年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1991年7月10日
發(fā)明者董小鵬 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)