一种基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法

技术特征：
1.一种基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、激光器(1)输出端接有保偏光纤(2)，激光器(1)产生待测激光；步骤2、保偏光纤(2)另一端与偏振光纤干涉仪系统(3)连接，待测激光进入偏振光纤干涉仪系统(3)输出携带波长信息的正交偏振的参考光及延时光；步骤3、利用空间移相系统(27)对正交偏振的参考光及延时光进行同步分光移相，得到移相量为0
°
、90
°
、180
°
、270
°
的空间移相干涉信号，实现相位延迟ψ(t)的实时调制；步骤4、通过四步移相算法解调干涉信号得到相位信息和波长信息，实现对激光器波长的实时监测，具体如下：步骤4-1、采集移相为0
°
、90
°
、180
°
、270
°
的四路干涉信号i1，i2，i3，i4；步骤4-2、通过四步移相算法解调干涉信号，得到待测相位ψ(t)：步骤4-3、对待测相位ψ(t)进行解包，将多个截断相位的区域拼接展开成连续相位，以恢复其真实相位；步骤4-4、将解包后的相位转化为波长变化δλ(t)，实现对激光器波长的实时监测：当光纤折射率n、保偏延时光纤的长度l已知时，待测相位ψ(t)的变化反映了激光器波长λ(t)的演变特性，表示为：通过公式(4)，得到相位变化和波长变化的关系，表示为：其中δλ(t)为激光器的波长变化，λ为激光器中心波长，δψ(t)为激光器的相位变化。2.根据权利要求1所述的基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法，其特征在于：步骤1中，激光器(1)的输出端接有保偏光纤(2)，偏振方向沿光纤慢轴，保偏光纤(2)输出的待测激光复振幅为e0(t)。3.根据权利要求2所述的基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法，其特征在于：步骤2中，所述偏振光纤干涉仪系统(3)沿光路依次包括光纤偏振分束器(4)、保偏延时光纤(5)、光纤偏振合束器(6)和温控模块(7)；待测激光经光纤偏振分束器(4)分为参考光和延时光，参考光和延时光经光纤偏振合束器(6)后，得到偏振方向互相正交参考光和延时光，温控模块(7)用于稳定光纤偏振分束器(4)、保偏延时光纤(5)、光纤偏振合束器(6)的温度：参考光和延时光的合成琼斯矢量e
in
(t)表示为[m e
jψ(t)
]
t
e0(t)，其中m为参考光路与延时光路的强度比，j为虚数，干涉臂光程差引入的相位延迟ψ(t)＝2πnl/λ(t)，l为保偏延时光纤(5)的长度，n为光纤折射率，λ(t)为待测激光器的波长，t表示转置。4.根据权利要求3所述的基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法，其特征在于：纤偏振分束器(4)包括公共端输入保偏光纤(8)、公共端准直透镜(9)、分束器偏振立方棱镜(10)、p端耦合透镜(11)、p光输出端保偏光纤(12)、s端耦合透镜(13)和s光输出端保偏光纤(14)；定义分束器偏振分光棱镜(10)透射光和反射光构成的平面为第一工作面；
共第一光轴依次设置公共端准直透镜(9)、分束器偏振立方棱镜(10)、p端耦合透镜(11)，s端耦合透镜(13)设置在分束器偏振立方棱镜(10)的反射光路上；公共端输入保偏光纤(8)的输入端与保偏光纤(2)的输出端熔接，p光输出端保偏光纤(12)的输出端与保偏延时光纤(5)的输入端熔接，s光输出端保偏光纤(14)的输出端与光纤偏振合束器(6)连接；公共端输入保偏光纤(8)的慢轴方向与第一工作面成45度或-45度，待测激光经公共端输入保偏光纤(8)输出，经公共端准直透镜(9)准直后，由分束器偏振分光棱镜(10)分为两路，一路为透射形成的振动方向与第一工作面平行的p光，另一路为反射形成的振动方向与第一工作面垂直的s光；p光经过p端耦合透镜(11)耦合进入p光输出端保偏光纤(12)，p光输出端保偏光纤(12)慢轴与第一工作面成0度对准，从而实现p光的偏振保持；s光经过s端耦合透镜(13)耦合进入s光输出端保偏光纤(14)，s光输出端保偏光纤(14)慢轴与第一工作面成0度对准，从而实现s光的偏振保持；s光输出端保偏光纤(14)的输出端和保偏延时光纤(5)的输出端分别接入光纤偏振合束器(6)。5.根据权利要求4所述的基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法，其特征在于：光纤偏振合束器(6)包括p光输入端保偏光纤(15)、p端准直透镜(16)、s光输入端保偏光纤(17)、s端准直透镜(18)、合束器偏振立方棱镜(19)、公共端耦合透镜(20)及公共端输出保偏光纤(21)；定义合束器偏振分光棱镜(19)透射光和反射光构成的平面为第二工作面；共第一光轴依次设置p端准直透镜(16)、合束器偏振立方棱镜(19)、公共端耦合透镜(20)，s端准直透镜(18)设置在合束器偏振立方棱镜(19)的另一入射光路上；延时光路中保偏延时光纤(5)的输出端与p光输入端保偏光纤(15)的输入端熔接，参考光路中s光输出端保偏光纤(14)的输出端与s光输入端保偏光纤(17)的输出端熔接；公共端输出保偏光纤(21)与空间移相系统(27)相连；p光输入端保偏光纤(15)的慢轴与第二工作面成0度，p光输入端保偏光纤(15)将振动方向沿慢轴方向的偏振光经p端准直透镜(16)形成平行于第二工作面振动的p准直光；s光输入端保偏光纤(17)慢轴与第二工作面成90度，s光输入端保偏光纤(17)将振动方向沿慢轴方向的偏振光经s端准直透镜(18)形成垂直于第二工作面振动的s准直光；p准直光和s准直光经过合束器偏振立方棱镜(19)合成为传输方向一致的偏振态互相正交光，经过公共端耦合透镜(20)耦合至公共端输出保偏光纤(21)，公共端输出保偏光纤(21)的慢轴方向与第二工作面成0度或者90度，实现偏振态互相正交光的偏振态保持。6.根据权利要求4所述的基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法，其特征在于：温控模块(7)包括金属热层(22)、温度传感器(23)、半导体制冷器(24)、散热器(25)、温控器(26)；光纤偏振分束器(4)、保偏延时光纤(5)及光纤偏振合束器(6)均固定在金属热层(22)的上表面，并由硅胶密封；散热器(25)固定在半导体制冷器(24)的下表面进行散热，半导体制冷器(24)固定在金属热层(22)的下表面进行温度控制，温度传感器(23)置于金属热层(22)的上表面进行温度监测；温度传感器(23)将金属热层(22)上的温度信号反馈至温控器(26)，信号温控器(26)跟据温度信号控制半导体制冷器(24)电流的正负及大小，形成温控负反馈回路，稳定金属热层(22)及光纤偏振分束器(4)、保偏延时光纤(5)及光纤偏振合束器(6)的温度。7.根据权利要求5所述的基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法，其特征在于：空间移相系统(27)包括沿光路依次设置光纤连接器(28)、准直透镜(29)、1/4波片(30)、
四象限光阑(31)、四象限偏振片(32)、四象限探测器(33)；偏振光纤干涉仪系统(3)输出的公共端输出保偏光纤(21)与空间移相系统(27)的光纤连接器(28)连接；定义光纤连接器(28)位置偏振光纤干涉仪系统(3)输出公共端输出保偏光纤(21)的慢轴所在平面定义为第三工作面。公共端输出保偏光纤(21)输出光经准直透镜(29)形成正交偏振的准直参考光及延时光，经快轴方向与第三工作面成45度的1/4波片(30)后形成共光路传输的左旋圆偏振的参考光和右旋圆偏振的延时光，其琼斯矢量e
out1
(t)＝g
λ/4
e
in
(t)，其中g
λ/4
为为1/4波片(30)的琼斯矩阵；经过四象限光阑(31)后，参考光和延时光同时被分成四个象限，经过四象限偏振片(32)后形成四个不同偏振方向的参考光和测试光；四象限偏振片(32)由透光轴与x轴夹角为θ
k
的四个偏振片构成，偏振片序号k＝1,2,3,4；正交偏振的参考光及延时光通过1/4波片(30)及四象限偏振片(32)，并由四象限探测器(33)的四个象限接收；四个象限接收光的琼斯矢量e
k
(t)表示为：其中，四象限偏振片(32)的琼斯矢量为四象限探测器(33)记录的干涉信号强度i
k
(t)表示为：i
k
(t)＝|e
k
(t)|2＝u(t)
·
{1 v
·
sin[ψ(t) 2θ
k
]}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中u(t)＝|e0(t)|2为干涉信号的背景分量，为干涉信号的对比度；四象限偏振片(32)由透光轴与x轴夹角θ
k
在k＝1,2,3,4时依次为0
°
、45
°
、90
°
、135
°
。8.根据权利要求7所述的基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法，其特征在于：携带激光器波长信息的延迟量ψ(t)调制为实时同步采集的相移量为2θ
k
的移相干涉信号，采集的干涉信号相移量分别为0
°
、90
°
、180
°
、270
°
。9.根据权利要求7所述的基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法，其特征在于：四象限光阑(31)在现有光阑透光孔内增设十字形挡板制成，透过光阑的四路光分别与四象限偏振片(32)的四个象限一一对应。

技术总结
本发明公开了一种基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法，步骤如下：利用偏振光纤干涉仪系统波长实时监测装置采集四路移相为0


技术研发人员：韩志刚 范兴玥 朱日宏 单小琴 王进 李丰芮
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2022.04.27
技术公布日：2022/7/22