一種與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種消除法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)角與波長(zhǎng)和溫度相關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。它是將被法拉第旋轉(zhuǎn)器作用后的旋轉(zhuǎn)角偏離90度的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振光分量除去，使各波長(zhǎng)剩余的光都處于相同的單一方向的線偏振態(tài)，從而消除由法拉第旋轉(zhuǎn)器的波長(zhǎng)溫度相關(guān)而引起的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的光的旋轉(zhuǎn)角度變化，使法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的輸出光的偏振態(tài)與波長(zhǎng)溫度無(wú)關(guān)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能夠消除任何種類旋光晶體導(dǎo)致的法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)角度色散及溫度相關(guān)的影響，它適用于任何使用法拉第旋光晶體的場(chǎng)合。
【專利說(shuō)明】一種與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感和光纖通訊領(lǐng)域，更具體地涉及一種消除法拉第旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角與波長(zhǎng)和溫度相關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。

【背景技術(shù)】
[0002]光信號(hào)解調(diào)為了達(dá)到高分辨力，一般都使用干涉式解調(diào)方法，光纖干涉儀的研制是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。保偏光纖價(jià)格高昂，且保偏耦合器在有些關(guān)鍵技術(shù)上還不是很完善，限制了其應(yīng)用。普通單模光纖由于雙折射效應(yīng)，干涉儀兩臂的偏振態(tài)會(huì)隨機(jī)變化，導(dǎo)致輸出干涉信號(hào)的可見(jiàn)度隨之變化，此即為偏振誘導(dǎo)信號(hào)衰落效應(yīng)。
[0003]光信號(hào)進(jìn)行干涉式解調(diào)時(shí)，干涉條紋可見(jiàn)度的波動(dòng)將直接影響解調(diào)結(jié)果的穩(wěn)定性，因此，光纖干涉儀的偏振控制已成為影響光信號(hào)解調(diào)器件的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外已提出多種消除偏振誘導(dǎo)信號(hào)衰落的方法，其中利用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行雙折射補(bǔ)償?shù)姆椒傻玫搅己玫南Ч?。然而由于法拉第旋轉(zhuǎn)晶體材料固有的旋轉(zhuǎn)角度色散和溫度相關(guān)特性，使得上述補(bǔ)償方法無(wú)法對(duì)寬帶波長(zhǎng)和大溫度范圍同時(shí)有效。專利號(hào)為CN102906629A和CN103885195A的發(fā)明專利利用透鏡、雙折射元件等成功地克服了法拉第旋轉(zhuǎn)晶體的波長(zhǎng)溫度特性帶來(lái)的不良影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，將法拉第旋轉(zhuǎn)器作用后的旋轉(zhuǎn)角偏離90度的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振光分量消除，使剩下的各波長(zhǎng)的光都具有相同的線偏振態(tài)，從而消除由法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)角度與波長(zhǎng)、溫度相關(guān)引起的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡對(duì)光的旋轉(zhuǎn)角度隨波長(zhǎng)變化以及溫度引起的旋轉(zhuǎn)角度隨溫度變化的影響，使法拉第旋轉(zhuǎn)鏡與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)、與溫度無(wú)關(guān)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:光束交匯器將偏振分光器出射的兩束光在反射鏡處光路交換，光束各自沿對(duì)方光路反向傳輸，偏振分光器將法拉第旋光晶體兩次同向旋轉(zhuǎn)后的偏振光重新合并到入射主光路，同時(shí)使其中旋轉(zhuǎn)角偏離90度的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振光分量偏離主傳輸光路，從而消除法拉第旋轉(zhuǎn)器與波長(zhǎng)溫度相關(guān)的旋轉(zhuǎn)角度的影響，使法拉第旋轉(zhuǎn)鏡與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)。
[0006]本發(fā)明較好的技術(shù)方案是:光路經(jīng)過(guò)光輸入稱合兀件、偏振分光器、雙折射晶體偏振光束交匯器、法拉第旋轉(zhuǎn)器、反射鏡、法拉第旋轉(zhuǎn)器、雙折射晶體偏振光束交匯器、偏振分光器至光輸入稱合兀件。被偏振分光器分出的兩光束經(jīng)過(guò)雙折射晶體偏振光束交匯器后兩束光沿對(duì)方的路經(jīng)反向傳輸，兩次經(jīng)過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器后兩束光的電場(chǎng)振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)接近90度，反向進(jìn)入偏振分光器后兩束光被在空間重新合并，而兩束光旋轉(zhuǎn)角偏離90度的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振分量光則被在空間拉大傳輸角度和距離，無(wú)法沿主光路傳輸，消除了旋轉(zhuǎn)角偏離90度的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振光分量對(duì)主光路光偏振態(tài)的影響，實(shí)現(xiàn)了各種波長(zhǎng)都具有相同的偏振態(tài)輸出。
[0007]本發(fā)明更好的技術(shù)方案是:上述技術(shù)方案中所述的偏振分光器是偏振分光光學(xué)干涉薄膜元件、或是雙折射晶體元件、或是雙折射晶體復(fù)合元件的同時(shí)，雙折射晶體偏振光束交匯器也是雙折射晶體元件、或雙折射晶體復(fù)合元件；或者，上述技術(shù)方案中所述的偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器二者的復(fù)合元件是復(fù)合雙折射晶體元件。做為偏振分光器的偏振分光光學(xué)干涉薄膜元件或雙折射晶體元件或雙折射晶體復(fù)合元件包括但不限于沃拉斯頓(Wollaston)棱鏡偏振器，偏振光束偏移器(PBDPolarizat1n Beam Displacer),洛匈(Rochon)棱鏡，尼科爾(Nicol)棱鏡，雙折射模角片(BirefringentCrystal Wedge),塞拿蒙棱鏡(Senarmont Prism)或諾馬斯基棱鏡(Nomarski Prism);做為雙折射晶體偏振光束交匯器的雙折射晶體元件或雙折射晶體復(fù)合元件包括但不限于沃拉斯頓(Wollaston)棱鏡偏振器,偏振光束偏移器(PBD Polarizat1nBeam Displacer),洛匈(Rochon)棱鏡，尼科爾(Nicol)棱鏡，雙折射楔角片(BirefringentCrystal Wedge),塞拿蒙棱鏡(Senarmont Prism)或諾馬斯基棱鏡(Nomarski Prism);做為偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器二者的復(fù)合元件的復(fù)合雙折射晶體元件包括但不限于諾馬斯基棱鏡(Nomarski Prism)。
[0008]由于雙折射晶體偏振光束交匯器的雙折射晶體元件或雙折射晶體復(fù)合元件僅對(duì)不同的偏振態(tài)產(chǎn)生不同的偏折作用，因此這種對(duì)不同偏振態(tài)的偏折作用與不同偏振態(tài)光束在空間的能量分布無(wú)關(guān)。
[0009]諾馬斯基棱鏡是由兩塊雙折射晶體楔角組成的復(fù)合晶體，多應(yīng)用于微分干涉相襯顯微鏡。諾馬斯基棱鏡對(duì)兩束偏振光的交匯作用僅依賴于所偏折光的偏振方向，與兩束偏振光的高斯光束能量空間分布無(wú)關(guān)，即便是這兩束光的能量空間有重合，它依舊可獲得很高的偏振消光比，諾馬斯基棱鏡的偏振消光比僅取決于雙折射晶體本身的消光比，諾馬斯基棱鏡構(gòu)成的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的消光比不受尋常光和非尋常光高斯光束能量空間分布限制。而透鏡或菲涅耳雙棱鏡做為光束交匯器構(gòu)成的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡消光比則依賴于光能量的空間分布，透鏡或菲涅耳雙棱鏡的光束交匯器則要求已分開(kāi)的兩束正交偏振光相距足夠的空間位移量，比如需要超過(guò)高斯分布的模場(chǎng)直徑兩倍以上，才能獲得較高的消光比。法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的消光比受制于兩束正交偏振光的空間位移量大小，使用較大尺寸的雙折射材料才能獲得較大的正交偏振光的位移量。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述方法，本發(fā)明采用下述法拉第旋轉(zhuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)。
[0011]本發(fā)明一種與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡:光從光輸入稱合兀件入射，依次經(jīng)過(guò)偏振分光器、雙折射晶體偏振光束交匯器、法拉第旋轉(zhuǎn)器、反射鏡、法拉第旋轉(zhuǎn)器、雙折射晶體偏振光束交匯器、偏振分光器、由光輸入I禹合兀件原路反向輸出。
[0012]本發(fā)明另一種與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡:光從光輸入耦合元件入射，依次經(jīng)過(guò)偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的復(fù)合元件、法拉第旋轉(zhuǎn)器、反射鏡、法拉第旋轉(zhuǎn)器、偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的復(fù)合兀件、由光輸入稱合兀件原路反向輸出。
[0013]本發(fā)明中提到的法拉第旋轉(zhuǎn)器:是利用磁光效應(yīng)將光的偏振方向旋轉(zhuǎn)的光學(xué)器件。法拉第旋轉(zhuǎn)器通常包含非互易性磁光晶體和為晶體提供飽和磁場(chǎng)的永久磁體。
[0014]本發(fā)明能夠完全消除法拉第非互易旋光晶體的旋轉(zhuǎn)角度色散以及旋轉(zhuǎn)角度與溫度相關(guān)對(duì)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角的影響。本發(fā)明的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠消除任何種類法拉第旋光晶體的旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)角度色散及溫度相關(guān)的影響，第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以適用于任何使用法拉第旋光晶體的場(chǎng)合，第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是消除法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)角度色散及溫度相關(guān)的能力只取決于偏振分光器本身，與其它兀件無(wú)關(guān)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為法拉第晶體的角度色散曲線圖
[0016]圖2為法拉第晶體的角度溫度相關(guān)曲線圖
[0017]圖3為諾馬斯基棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖
[0018]圖4為尋常光和非尋常光的光強(qiáng)度高斯分布示意圖
[0019]圖5為本發(fā)明的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意及光路圖
[0020]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的傳輸光束的偏振狀態(tài)圖之一
[0021]圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的傳輸光束的偏振狀態(tài)圖之二
[0022]圖8為本發(fā)明實(shí)施例1的傳輸光束的偏振狀態(tài)圖之三
[0023]圖9為本發(fā)明的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意及光路圖

【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述:
[0025]圖1是非互易性法拉第磁光晶體在飽和磁場(chǎng)作用下，其對(duì)線偏振光的旋轉(zhuǎn)角和波長(zhǎng)的色散關(guān)系，一定溫度下，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)角越小。
[0026]圖2是非互易性法拉第磁光晶體在飽和磁場(chǎng)作用下，其對(duì)線偏振光的旋轉(zhuǎn)角和溫度的關(guān)系，對(duì)一定波長(zhǎng)，溫度越高，旋轉(zhuǎn)角越小。
[0027]圖3是諾馬斯基棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，由兩塊雙折射晶體楔角組成的復(fù)合雙折射晶體，圖中的箭頭分別示意了兩塊雙折射晶體楔角的光軸方向，一個(gè)平行紙面，另一個(gè)垂直紙面。
[0028]圖4是尋常光和非尋常光的光強(qiáng)度高斯分布示意圖，示意了尋常光和非尋常光在光路中一定距離上的光能量部分重疊情況。
[0029][實(shí)施例1]
[0030]圖5中的與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡包含一個(gè)單模單光纖準(zhǔn)直器11，一個(gè)諾馬斯基棱鏡12，其光軸Xl與X軸一致，其光軸X2處于y-z平面內(nèi)，一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器13，一個(gè)介質(zhì)光學(xué)薄膜平面反射鏡14。
[0031]圖5中從單模單光纖準(zhǔn)直器11出射的光線100，沿直角坐標(biāo)系z(mì)軸傳輸，射到諾馬斯基棱鏡12上先是分為偏振方向相互垂直的兩束線偏振光尋常光111和非尋常光121，經(jīng)過(guò)棱鏡的兩塊楔角界面時(shí)又匯聚，經(jīng)由法拉第旋轉(zhuǎn)器13，振動(dòng)面均旋轉(zhuǎn)約45度，成為束光112和122，并相交于平面反射鏡14，光束112和122分別地成為反射光113和123，光路發(fā)生了相互交換，沿z軸負(fù)方向傳輸?shù)姆瓷涔?13和123第二次通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器13，振動(dòng)面也再次同向旋轉(zhuǎn)約45度，累積旋轉(zhuǎn)約90度，光束成為114和124，進(jìn)入諾馬斯基棱鏡12后，光束124被諾馬斯基棱鏡12分為非尋常光125和尋常光126，光束125來(lái)自光束124中的y-z面內(nèi)的偏振分量，光束114被諾馬斯基棱鏡12分為尋常光115和非尋常光116，光束115來(lái)自光束114中的X軸方向的偏振分量,光束116和126在空間上被合并,離開(kāi)諾馬斯基棱鏡12后成為光束200，而光束115和125則在空間上分開(kāi)了距離，偏離了主光束200，最后光束200耦合到單模單光纖準(zhǔn)直器11。
[0032]本實(shí)施例中的諾馬斯基棱鏡12同時(shí)起到了偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的作用。
[0033]圖5中光線的傳輸過(guò)程位置㈧、⑶、(C)、⑶、(E)、(F)橫截面處所對(duì)應(yīng)的偏振態(tài)依次在圖6、圖7、圖8中對(duì)應(yīng)序號(hào)的圖中指不。
[0034]本實(shí)施例的波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡通過(guò)分離旋轉(zhuǎn)角偏離90度的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振分量，實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格90度旋轉(zhuǎn)角偏振分量的輸出，與法拉第旋轉(zhuǎn)器的波長(zhǎng)和溫度特性無(wú)關(guān)。
[0035][實(shí)施例2]
[0036]圖9中的與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡包含一個(gè)單模單光纖準(zhǔn)直器21，一個(gè)偏振光束偏移器22，其光軸X3處于y-z平面內(nèi)，一個(gè)沃拉斯頓棱鏡23，其光軸X4平行x軸，光軸X5處于y-z平面內(nèi)，其棱邊平行于X軸，一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器24，一個(gè)介質(zhì)光學(xué)薄膜平面反射鏡25。
[0037]圖4中從單模單光纖準(zhǔn)直器21出射的光線300，沿直角坐標(biāo)系z(mì)軸傳輸，射到偏振光束偏移器22上分為偏振方向相互垂直的兩束線偏振光非尋常光311和尋常光321，通過(guò)沃拉斯頓棱鏡23后匯聚，經(jīng)由法拉第旋轉(zhuǎn)器24，振動(dòng)面均旋轉(zhuǎn)約45度，成為匯聚的兩束光312和322，并相交于平面反射鏡25，光束312和322分別地成為反射光313和323，光路發(fā)生了相互交換，沿z軸負(fù)方向傳輸?shù)姆瓷涔?13和323第二次通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器24，振動(dòng)面也再次同向旋轉(zhuǎn)約45度，累積旋轉(zhuǎn)約90度，光束成為314和324，通過(guò)沃拉斯頓棱鏡23后，光束324被偏振光束偏移器22分為尋常光325和非尋常光326，光束325來(lái)自光束324中的X軸方向的偏振分量，光束314被偏振光束偏移器22分為非尋常光315和尋常光316,光束315來(lái)自光束314中的y-z面內(nèi)的偏振分量，光束316和326在空間上被合并，離開(kāi)偏振光束偏移器22后成為光束400，而光束315和325則在空間上分開(kāi)了距離，偏離了主光束400，最后光束400耦合到單模單光纖準(zhǔn)直器21。
[0038]沃拉斯頓棱鏡23起到了雙折射晶體偏振光束交匯器的作用。
[0039]本實(shí)施例的波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡通過(guò)分離旋轉(zhuǎn)角偏離90度的沿旋轉(zhuǎn)角度色散方向的偏振分量，實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格90度旋轉(zhuǎn)角偏振分量的輸出，與法拉第旋轉(zhuǎn)器的波長(zhǎng)和溫度特性無(wú)關(guān)。
【權(quán)利要求】
1.一種與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡:光從光輸入耦合元件入射，依次經(jīng)過(guò)偏振分光器、雙折射晶體偏振光束交匯器、法拉第旋轉(zhuǎn)器、反射鏡、法拉第旋轉(zhuǎn)器、雙折射晶體偏振光束交匯器、偏振分光器，由光輸入f禹合兀件原路反向輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡:其特征是:所述的雙折射晶體偏振光束交匯器是雙折射晶體元件或雙折射晶體復(fù)合元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡:其特征是:所述的雙折射晶體元件或雙折射晶體復(fù)合元件是沃拉斯頓棱鏡偏振器，偏振光束偏移器，洛匈棱鏡，尼科爾棱鏡，雙折射楔角片，塞拿蒙棱鏡或諾馬斯基棱鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡:其特征是:所述的偏振分光器是偏振分光光學(xué)干涉薄膜元件、雙折射晶體元件或雙折射晶體復(fù)合元件。
5.—種與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡:光從光輸入稱合兀件入射，依次經(jīng)過(guò)偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的復(fù)合元件、法拉第旋轉(zhuǎn)器、反射鏡、法拉第旋轉(zhuǎn)器、偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的復(fù)合兀件，由光輸入f禹合兀件原路反向輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡:其特征是:所述的偏振分光器和雙折射晶體偏振光束交匯器的復(fù)合元件是是諾馬斯基棱鏡。
【文檔編號(hào)】G02F1/09GK104317072SQ201410539249
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】陳思思 申請(qǐng)人:匠研光學(xué)科技（上海）有限公司