劳埃特消偏器性能的精确评估方法

摘要

本发明公开了一种劳埃特消偏器性能的评估方法。劳埃特消偏器是通过将任意偏振光在各个偏振态上能量均匀化实现消偏的，其性能由所包含的两段保偏光纤的长度及其双折射主轴45°夹角的精度决定。本发明使用消偏光纤陀螺评估劳埃特消偏器性能，评估方法分四个步骤：首先将消偏器双折射主轴45°夹角误差较大的消偏光纤陀螺置于设定磁场中测试径向磁场灵敏度，得出光纤环的特性因子；其次确定消偏器45°夹角误差的阈值；接着，将含有待评估消偏器的消偏光纤陀螺置于磁场中，测试径向磁场灵敏度；最后，比较新消偏光纤陀螺径向磁场灵敏度与阈值对应的径向磁场灵敏度之间的关系，评估消偏器的性能。本发明能精确评估劳埃特消偏器的性能。

权利要求

1.一种劳埃特消偏器性能的精确评估方法，其特征在于采用消偏光纤陀螺评估劳埃特消偏器的性能，具体步骤如下：

1)消偏光纤陀螺(1)包含第一消偏器(5)和第二消偏器(6)两个劳埃特消偏器，劳埃特消偏器是由两段保偏光纤光学主轴相对夹角45°对接而成，在第一消偏器(5)的两段保偏光纤应力主轴熔接相对精确的45°角，即45.2°，当保偏熔接机本身的熔接误差为±0.1°，则第一消偏器(5)的光学主轴45°误差θ1＝0.2°±0.1°，而第二消偏器(6)熔接误差相对较大的45°角，即35°，则第二消偏器(6)的光学主轴45°角误差θ2＝-10°±0.1°，将45°角熔接完毕的第一消偏器(5)和第二消偏器(6)焊接入消偏光纤陀螺(1)；

2)将上述消偏器45°角处理过的消偏光纤陀螺(1)放置于磁场测试转台(26)上，使消偏光纤陀螺(1)的敏感轴垂直于磁场测试转台(26)向上，且径向磁场(16)的方向垂直于消偏光纤陀螺(1)的敏感轴；

3)测试5分钟未加径向磁场BR(16)时消偏光纤陀螺(1)的零偏Φ；

4)将磁场测试转台(26)以5°为间隔在360°范围内转动，得到消偏光纤陀螺(1)相对于径向磁场(16)的72个测量位置，在每个位置上分别测试5分钟加径向磁场(16)时消偏光纤陀螺(1)的零偏值，零偏值分别为ΦθB，其中θ＝5i(i＝0，…，71)；

5)分别计算步骤3)和4)测得的消偏光纤陀螺72个测量位置的径向磁场灵敏度Sθ＝(ΦθB-Φ)/BR，其中BR是径向磁场(16)的强度，θ＝5i(i＝0，…，71)；

6)取步骤5)中得到的消偏光纤陀螺(1)72个位置的径向磁场灵敏度两极值，分别为Sθmax和Sθmin，设两极值差为S0＝Sθmax-Sθmin，其中θ＝5i(i＝0，L，71)；

7)取步骤1)中的θ1＝0.2°±0.1°、θ2＝-10°±0.1°为θ1＝0.2°、θ2＝-10°，这样得出的结果相对误差为1％，并将θ1＝0.2°、θ2＝-10°及步骤6)得到的S0代入算出表示光纤环特性的因子K＝K0；

8)根据步骤7)中计算出的光纤环特性因子K0及消偏光纤陀螺(1)对两个劳埃特消偏器的要求，根据确定径向磁场灵敏度极差的阈值Sr，其中θr为待评估劳埃特消偏器45°角度误差的阈值；

9)去掉步骤1)中的第二消偏器(6)，保证消偏光纤陀螺(1)其他元件不变，将待评估劳埃特消偏器接入消偏光纤陀螺(1)，取代第二消偏器(6)，重复步骤2)、步骤3)，当满足S′r≤Sr则待评估劳埃特消偏器中两保偏光纤光学主轴45°角合格，否则，如果满足Sr′＞Sr则待评估劳埃特消偏器不合格。

2.如权利要求1所述的一种劳埃特消偏器性能的评估方法，其特征在于所述的径向磁场(16)是均匀的，其方向垂直于消偏光纤陀螺(1)敏感轴，径向磁场(16)的磁场强度为BR，BR＞1mT。

3.如权利要求1所述的一种劳埃特消偏器性能的评估方法，其特征在于所述步骤2)的磁场测试转台(26)放置于隔离振动平台(28)上。

4.如权利要求1所述的一种劳埃特消偏器性能的评估方法，其特征在于所述步骤2)的径向磁场(16)由Helmholtz线圈(27)提供，线圈由电流大小可调的直流稳压电源驱动。

5.如权利要求1所述的一种劳埃特消偏器性能的评估方法，其特征在于所述的磁场测试转台(26)放置于Helmholtz线圈(27)中央均匀磁场处，消偏光纤陀螺(1)放置于磁场测试转台(26)上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种劳埃特消偏器性能的精确评估方法。

背景技术

劳埃特消偏器是消偏光纤陀螺的关键光学部件，其存在大大抑制了消偏光纤陀螺的各种寄生效应，增强了光纤陀螺的可靠性和抗干扰能力，提高了消偏光纤陀螺的零偏稳定性，对中高精度消偏光纤陀螺的性能起决定作用。消偏光纤陀螺中的消偏器是由两段高双折射保偏光纤应力主轴之间45°熔接而成的劳埃特消偏器，由于当前熔接工艺的限制且应力主轴与光学主轴之间不重合，光学主轴的45°角存在一定误差，降低了消偏器的性能，从而影响消偏光纤陀螺的性能。目前，评估消偏器性能的方法是采用高精度的熔接机或长期测试消偏光纤陀螺的零偏稳定性：高精度熔接机只能将应力主轴的45°误差控制在0.5°以内，而光学主轴的45°误差可能更大，国内外没有有效的测量方法；长期测试消偏光纤陀螺的零偏稳定性也是一种评估消偏器性能的方法，但由于信号处理电路本身的限制，必须长期测试才能评估消偏器对陀螺的影响，无疑这样效率很低，且精度往往不够高，对消偏光纤陀螺的工程化非常不利。为了研制高精度消偏光纤陀螺，迫切需要精确评估消偏器性能的有效方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有劳埃特消偏器性能评估方法的不足，提供一种劳埃特消偏器性能的精确评估方法。
劳埃特消偏器性能的精确评估方法是采用消偏光纤陀螺评估劳埃特消偏器的性能，具体步骤如下：
1)消偏光纤陀螺包含第一劳埃特消偏器和第二劳埃特消偏器，劳埃特消偏器是由两段保偏光纤光学主轴相对夹角45°对接而成，在第一消偏器的两段保偏光纤应力主轴熔接相对精确的45°角，即45.2°，当保偏熔接机本身的熔接误差为±0.1°，则第一消偏器的光学主轴45°误差θ1＝0.2°±0.1°，而第二消偏器熔接误差相对较大的45°角，即35°，则第二消偏器的光学主轴45°角误差θ2＝-10°±0.1°，将45°角熔接完毕的第一消偏器和第二消偏器焊接入光纤陀螺系统；
2)将上述劳埃特消偏器45°角处理过的消偏光纤陀螺置于磁场测试转台上，使消偏光纤陀螺敏感轴垂直于转台向上，且径向磁场方向垂直于消偏光纤陀螺的敏感轴；
3)测试5分钟未加径向磁场BR时消偏光纤陀螺的零偏Φ；
4)将磁场测试转台以5°为间隔在360°范围内转动，得到消偏光纤陀螺相对于径向磁场的72个测量位置，在每个位置上分别测试5分钟加径向磁场时的消偏光纤陀螺的零偏值，零偏值分别为ΦθB，其中θ＝5i(i＝0，L，71)；
5)分别计算步骤3)和4)测得的消偏光纤陀螺72个位置的径向磁场灵敏度Sθ＝(ΦθB-Φ)/BR，其中BR是径向磁场的强度，θ＝5i(i＝0，L，71)；
6)取步骤5)中得到的消偏光纤陀螺72个位置的径向磁场灵敏度两极值，分别为Sθmax和Sθmin，设两极值差为S0＝Sθmax-Sθmin，其中θ＝5i(i＝0，L，71)；
7)取步骤1)中的θ1＝0.2°±0.1°、θ2＝-10°±0.1°为θ1＝0.2°、θ2＝-10°，这样得出的结果相对误差为1％，并将θ1＝0.2°、θ2＝-10°及步骤6)得到的S0代入算出表示光纤环特性的因子K＝K0；
8)根据步骤7)中计算出的光纤环特性因子K0及消偏光纤陀螺对两个劳埃特消偏器的要求，根据确定径向磁场灵敏度极差的阈值Sr，使得θ2＝θr，其中θr为待评估劳埃特消偏器45°角度误差的阈值；
9)去掉步骤1)中的第二劳埃特消偏器，保证消偏光纤陀螺其他元件不变，将待测劳埃特消偏器接入消偏光纤陀螺，取代原有的45°角度误差较大的消偏器，重复步骤2)、3)，得到包含待测消偏器的消偏光纤陀螺轴向磁场灵敏度S′，当满足Sr′≤Sr时，待评估消偏器中两保偏光纤光学主轴45°角合格；否则，如果满足Sr′＞Sr，则待评估消偏器不合格。
径向磁场是均匀的，其方向垂直于消偏光纤陀螺敏感轴，径向磁场的磁场强度为BR，BR＞1mT。
步骤2)的磁场测试转台放置于隔离振动平台上。
步骤2)的径向磁场由大型Helmholtz线圈提供，线圈由电流大小可调的直流稳压电源驱动。
磁场测试转台放置于Helmholtz线圈中央均匀磁场处，消偏光纤陀螺放置于磁场测试转台上。
本发明利用外加径向磁场，放大消偏光纤陀螺由于消偏器中两保偏光纤光学主轴45°角不理想而产生的Faraday非互易相位差，通过检测径向磁场作用下消偏光纤陀螺的零偏极值差计算Faraday非互易相位差的大小，确定消偏器中两保偏光纤光学主轴45°角误差的大小，从而使用消偏光纤陀螺径向磁敏法评估消偏器的性能。和现有的通过控制保偏光纤应力主轴之间的夹角实现两保偏光纤熔接的熔接机相比，径向磁敏法评估出两保偏光纤光学主轴的45°夹角精度高两个数量级，是当前评估消偏器性能的新方法。

附图说明

图1为本发明中评估劳埃特消偏器的性能所采用的消偏光纤陀螺原理图；
图2为劳埃特消偏器的原理图；
图3为本发明中垂直于光纤陀螺敏感轴的径向磁场；
图4为本发明中评估劳埃特消偏器性能的实验装置；
图中：消偏光纤陀螺1、SLD光源2、分束器3、IOC调制器4、第一劳埃特消偏器5、第二劳埃特消偏器6、单模光纤环7、PIN管光电探测器8、均匀磁场16、第一保偏光纤12、第二保偏光纤13、第一熔接点10、第三保偏光纤14、第四保偏光纤15、第二熔接点11、第一保偏光纤12的第一应力棒18、第一保偏光纤12的第二应力棒20、第一保偏光纤12的快轴17、第一保偏光纤12的慢轴19、第二保偏光纤13的第三应力棒22、第二保偏光纤13的第四应力棒25、第二保偏光纤13的快轴23、第二保偏光纤13的慢轴24、第一保偏光纤12的快轴17和第二保偏光纤13的快轴23之间夹角21、第一劳埃特消偏器5的45°角10、第二劳埃特消偏器6的45°角11、磁场测试转台26、Helmholtz线圈27、隔离振动台28、实验装置29。

具体实施方式

如图1所示，本发明所采用的实验系统是消偏光纤陀螺1，光源SLD2发出的宽谱光经过分束器3后分为两束，其中一束射入调制器IOC4，经过其中的起偏器P9起偏后，被Y波导分成两束，分别入射进两个消偏器5和6中，消偏后的两束光分别从两个端口耦合进单模光纤环7，每束光在光纤环中传播一周后再次分别经过消偏器6和5、调制器IOC4、分束器3，干涉后到达PIN管8。实验中将光纤环7远离其他光学元件，而其他光学元件与光纤环7之间通过单模光纤连为一个整体，这样主要是为了避免高导磁率的其他光学元件改变环境的均匀磁场分布。
图2所示的消偏器5，由保偏光纤12和保偏光纤13通过熔接点10熔接而成，保偏光纤12和保偏光纤13的长度比为1∶2，应力棒18和应力棒20的存在使得保偏光纤12具有应力快轴17和应力慢轴19，保偏光纤12的应力快轴17和保偏光纤13的应力快轴24之间夹角21为45°+θ1′，而光学主轴夹角一般不等于应力主轴夹角21，设为45°+θ1。
图3是径向磁场作用下的单模光纤环7，径向磁场16垂直于光纤环7的轴向，即平行于光纤环面，由于Faraday磁光效应，当存在径向磁场16时，消偏光纤陀螺将产生与径向磁场16成线性关系的非互易相位差，此相位差和单模光纤环7的特性、劳埃特消偏器5和6的两个45°光学主轴不对准角θ1和θ2、径向磁场16的强度BR、径向磁场16的方向θ等有关。当其他参数不变，只有θ在0°∶360°范围内变化时，径向磁场16产生的非互易相位差也在变化，其变化有一个正极值和一个负极值。由于事先不知道两个极值对应的径向磁场16的方向，所以必须采用特定装置，能使θ处于0°∶360°范围内的任一位置。
图4中29是本发明测试消偏光纤陀螺径向磁场灵敏度时所采用的装置。Helmholtz线圈27在其中央Φ250mm×250mm区域内产生均匀磁场16，磁场强度通过供电电压可调的直流电源提供。在线圈27的中部存在一个磁场测试转台26，磁场测试转台26每次转动的位置θ＝5°×i(i＝0，L，71)，在每个位置都能固定，消偏光纤陀螺1固定在磁场测试转台26上，能和磁场测试转台26一起转动，单模光纤环7的轴和磁场测试转台26的轴平行，都垂直于隔振平台28，Helmholtz线圈27产生的均匀磁场16保证平行于单模光纤环7的环面。
劳埃特消偏器性能的精确评估方法，采用消偏光纤陀螺评估劳埃特消偏器的性能，具体步骤如下：
消偏光纤陀螺1包含第一劳埃特消偏器5和第二劳埃特消偏器6，劳埃特消偏器是由两段保偏光纤光学主轴相对夹角45°对接而成，在第一劳埃特消偏器5的两段保偏光纤应力主轴熔接相对精确的45°角，即45.2°，当保偏熔接机本身的熔接误差为±0.1°，则第一劳埃特消偏器5的光学主轴45°误差θ1＝0.2°±0.1°；而第二劳埃特消偏器6熔接误差相对较大的45°角，即35°，则第二劳埃特消偏器6的光学主轴45°角误差θ2＝-10°±0.1°，将45°角熔接完毕的第一劳埃特消偏器5和第二劳埃特消偏器6焊接入消偏光纤陀螺1。
将得到的消偏光纤陀螺1置于如图4所示的转台26上，消偏光纤陀螺1的敏感轴平行于磁场测试转台26的转轴，径向磁场16垂直于消偏光纤陀螺1的敏感轴。Helmholtz线圈27不加电，测试5分钟消偏光纤陀螺1，得到消偏光纤陀螺1的零偏Φ。
将磁场测试转台26以5°为间隔在360°范围内转动，得到消偏光纤陀螺1相对于径向磁场16的72个测量位置，在每个位置处保持磁场测试转台静止不动，Helmholtz线圈27加电，使得径向磁场16的强度为为BR，BR＞1mT，分别测得消偏光纤陀螺1的零偏值分别为ΦθB，其中θ＝5i(i＝0，L，71)。
分别计算测得的消偏光纤陀螺1所处的72个位置的径向磁场灵敏度
Sθ＝(ΦθB-Φ)/BR                        (1)
其中θ＝5i(i＝0，L，71)。
取上述计算得到的消偏光纤陀螺1所处的72个位置的径向磁场灵敏度中正的最大值和负的最大值，即两极值，设分别为Sθmax和Sθmin，则两极值差为
S0＝Sθmax-Sθmin                        (2)
其中θ＝5i(i＝0，L，71)。
取θ1＝0.2°±0.1°、θ2＝-10°±0.1°为θ1＝0.2°、θ2＝-10°，这样得到的结果相对误差不超过1％，并将θ1＝0.2°、θ2＝-10°及S0代入
$K=S_0/\sqrt{({\theta }_1^2+{\theta }_2^2)}---\left(3\right)$
得到表示光纤环特性的因子K＝K0
根据计算出的光纤环特性因子K＝K0及消偏光纤陀螺1对劳埃特消偏器的要求，按照式确定消偏光纤陀螺径向磁场灵敏度极差的阈值Sr，使得θ2＝θr，θr为待评估劳埃特消偏器45°角度误差的阈值。
去掉第二劳埃特消偏器6，保证消偏光纤陀螺1其他元件不变，将待测劳埃特消偏器接入消偏光纤陀螺1，取代劳埃特消偏器6，测量包含待测劳埃特消偏器的消偏光纤陀螺1径向磁场灵敏度极值差S′，当满足
Sr′≤Sr                                    (4)
则待评估劳埃特消偏器中两保偏光纤光学主轴45°角合格。
否则，如果满足
Sr′＞Sr                                    (5)
则待评估劳埃特消偏器不合格。