本發(fā)明屬于光纖干涉技術領域，具體而言，涉及一種法拉第旋轉鏡及光纖干涉儀。

背景技術：

干涉式解調方法具有較高的分辨力，被廣泛地應用于光信號的解調中。相比于傳統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)構成的干涉儀，光纖干涉儀具有體積小、質量輕、抗電磁干擾、防腐蝕、靈敏度高、測量帶寬較寬、檢測電子設備與傳感器間隔很遠等優(yōu)點，測量壓力、應力(應變)、磁場、折射率、微振動、微位移等均有重要應用。

為了避免光纖干涉儀存在偏振衰落，影響干涉信號的輸出，通常在光纖干涉儀的兩個光纖干涉臂上均設置法拉第旋光器，以使從兩個光纖干涉臂上反射回的光的偏振方向均旋轉90度，從而提高光纖干涉儀的信噪比。然而，由于不同波長的光通過法拉第旋光器后的偏振方向旋轉角度不同，只有在其中心波長處，光的偏振方向的旋轉角度剛好為90度。且法拉第旋光器的中心波長會隨著環(huán)境溫度的變化而變化。也就是說，在某些信號光光譜范圍較寬的應用場合中，或者是一些溫差較大的應用環(huán)境中例如沙漠中的石油勘探，將法拉第旋光器應用于光纖干涉儀后，由于法拉第旋光器固有的色散和溫度特性，使得兩個干涉臂返回的光束的偏振態(tài)不同，不利于緩解光纖干涉儀的偏振衰落，也不利于提高光纖干涉儀的信噪比，從而也就限制了法拉第旋光器在光纖干涉儀中的應用。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種法拉第旋轉鏡及光纖干涉儀，以有效地改善上述問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種法拉第旋轉鏡，包括第一雙折射晶體、第二雙折射晶體、法拉第旋光器及反射裝置。所述第一雙折射晶體的晶軸角度與所述第二雙折射晶體的晶軸角度滿足預設關系，所述第一雙折射晶體在預設方向上的長度與所述第二雙折射晶體在所述預設方向上的長度之間的差值在預設范圍內。第一光束入射到所述第一雙折射晶體，經所述第一雙折射晶體分束為第一線偏振光和第二線偏振光。所述第一線偏振光和所述第二線偏振光傳輸至所述第二雙折射晶體，經所述第二雙折射晶體合束為第二光束，所述第二光束經過所述法拉第旋光器的偏振旋轉處理后入射到所述反射裝置。經所述反射裝置反射的所述第二光束依次經過所述法拉第旋光器、所述第二雙折射晶體、所述第一雙折射晶體后形成第三光束出射。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述第一雙折射晶體的晶軸與第一方向的夾角為第一夾角，所述第一雙折射晶體的晶軸與第二方向的夾角為第二夾角，所述第一夾角與所述第二夾角相等，其中，所述第一方向為所述第一光束的入射方向，且所述第二方向與所述第一方向的方向相反。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述第一雙折射晶體在第一方向上的長度與所述第二雙折射晶體在所述第一方向上的長度相等，其中，所述第一方向為所述第一光束的入射方向。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述法拉第旋轉鏡還包括準直器，入射光經所述準直器的準直處理后形成所述第一光束入射到所述第一雙折射晶體。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述法拉第旋轉鏡還包括殼體和傳導光纖，所述第一雙折射晶體、第二雙折射晶體、法拉第旋光器及反射裝置均封裝于所述殼體內，所述傳導光纖穿入所述殼體、與所述準直器的入射端光耦合。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述第一雙折射晶體與所述第二雙折射晶體均為單軸晶體。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述第一雙折射晶體與所述第二雙折射晶體由同一塊雙折射晶體切分而成。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述第一雙折射晶體與第二雙折射晶體均為長方體形的雙折射晶體，且所述第一雙折射晶體的尺寸與所述第二雙折射晶體的尺寸匹配。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述反射裝置為平面反射鏡。

第二方面，本發(fā)明實施例還提供了一種光纖干涉儀，包括第一干涉臂和第二干涉臂，所述第一干涉臂和所述第二干涉臂上均設置有上述的法拉第旋轉鏡。沿所述第一干涉臂傳輸?shù)剿龇ɡ谛D鏡的第一信號光束，經所述法拉第旋轉鏡反射后形成的第三信號光束沿所述第一干涉臂反向傳輸。沿所述第二干涉臂傳輸?shù)剿龇ɡ谛D鏡的第二信號光束，經所述法拉第旋轉鏡反射后形成的第四信號光束沿所述第二干涉臂反向傳輸。所述第三信號光束與所述第四信號光束發(fā)生干涉形成干涉信號輸出。

本發(fā)明實施例提供的法拉第旋轉鏡中，設置了晶軸角度滿足預設關系的第一雙折射晶體和第二雙折射晶體，使得第一光束依次通過第一雙折射晶體、第二雙折射晶體、法拉第旋光器后經反射裝置反射再次通過法拉第旋光器、第二雙折射晶體、第一雙折射晶體返回，消除了受法拉第旋光器的色散特性和溫度特性的影響產生的偏振分量，有效地確保了由法拉第旋轉鏡出射的光束相比于入射的光束的偏振方向旋轉了90度，不受環(huán)境溫度以及入射光波長的影響。進一步，降低了采用本法拉第旋轉鏡的光纖干涉儀對入射光波長及工作環(huán)境溫度的要求，有利于提高光纖干涉儀的信噪比。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發(fā)明第一實施例提供的法拉第旋轉鏡的一種結構示意圖；

圖2為本發(fā)明第一實施例提供的法拉第旋轉鏡中第一雙折射晶體和第二雙折射晶體的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明第一實施例提供的法拉第旋轉鏡的另一種結構示意圖；

圖4為本發(fā)明第二實施例提供的光纖干涉儀的結構示意圖。

圖中：10-光纖干涉儀；100-法拉第旋轉鏡；101-第一雙折射晶體；102-第二雙折射晶體；103-法拉第旋光器；104-磁場發(fā)生器；105-反射裝置；106-準直器；107-傳導光纖；108-殼體；200-光纖耦合器；301-第一干涉臂；302-第二干涉臂。

具體實施方式

為了避免光纖干涉儀存在偏振衰落，影響干涉信號的輸出，通常在光纖干涉儀的兩個光纖干涉臂上均設置法拉第旋光器，以使從兩個光纖干涉臂上反射回的光的偏振方向均旋轉90度，從而提高光纖干涉儀的信噪比。然而，由于不同波長的光通過法拉第旋光器后的偏振方向旋轉角度不同，只有在其中心波長處，光的偏振方向的旋轉角度剛好為90度。且法拉第旋光器的中心波長會隨著環(huán)境溫度的變化而變化。也就是說，在某些信號光光譜范圍較寬的應用場合中，或者是一些溫差較大的應用環(huán)境中例如沙漠中的石油勘探，將法拉第旋光器應用于光纖干涉儀后，由于法拉第旋光器固有的色散和溫度特性，使得兩個干涉臂返回的光束的偏振態(tài)不同，從而導致光纖干涉儀的信噪比降低，也就限制了法拉第旋光器在光纖干涉儀中的應用。

鑒于此，本發(fā)明實施例提供了一種法拉第旋轉鏡，以有效地解決現(xiàn)有法拉第旋光器中入射光波長及環(huán)境溫度影響光束偏振方向的旋轉角度的問題，有利于降低光纖干涉儀對入射光波長及工作環(huán)境溫度的要求，有利于法拉第旋轉鏡在光纖干涉儀中的應用。

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例。應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“前”、“后”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發(fā)明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。術語“垂直”并不表示要求部件絕對水平或垂直，而是可以稍微傾斜。

在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“設置”、“光耦合”應做廣義理解，例如，“光耦合”可以是直接耦合，也可以通過中間媒介間接耦合，或者是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

第一實施例

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的法拉第旋轉鏡100，包括第一雙折射晶體101、第二雙折射晶體102、法拉第旋光器103及反射裝置105。第一光束入射到第一雙折射晶體101，經第一雙折射晶體101分束為第一線偏振光和第二線偏振光。第一線偏振光和第二線偏振光傳輸至第二雙折射晶體102，經第二雙折射晶體102合束為第二光束，第二光束經過所述法拉第旋光器103的偏振旋轉處理后入射到反射裝置105。經反射裝置105反射的第二光束依次經過法拉第旋光器103、第二雙折射晶體102、第一雙折射晶體101后形成第三光束出射。其中，第一光束為平行光束或近似于平行光束。

可以理解的是，雙折射晶體為各向異性的晶體，能夠將入射光分解成兩束偏振方向互相垂直、折射角不同的線偏振光，其中一束線偏振光遵守折射定律，稱作尋常光(o光)，另一束線偏振光不遵守折射定律，稱作非尋常光(e光)。例如，雙折射晶體可以為金紅石(tio2)晶體、方解石(caco3)晶體等。

本實施例中，第一雙折射晶體101的晶軸角度與第二雙折射晶體102的晶軸角度滿足預設關系。優(yōu)選的，上述第一雙折射晶體101的晶軸與第一方向的夾角為第一夾角，第一雙折射晶體101的晶軸與第二方向的夾角為第二夾角，所述第一夾角與所述第二夾角相等，其中，所述第一方向為所述第一光束的入射方向，且所述第二方向與所述第一方向的方向相反。當然，在可接受的誤差范圍內，上述第一夾角和第二夾角可以近似相等，即第一夾角與第二夾角之間的差值的絕對值小于第一閾值，且該第一閾值比較小，接近于零。

此外，第一雙折射晶體101在上述第一方向上的長度與第二雙折射晶體102在第一方向上的長度之間的差值在預設范圍內。在可接受的誤差范圍內，上述預設范圍的邊界值接近于零，即第一雙折射晶體101在上述第一方向上的長度與第二雙折射晶體102在第一方向上的長度近似相等。優(yōu)選的，第一雙折射晶體101在上述第一方向上的長度與第二雙折射晶體102在第一方向上的長度相等。

具體的，如圖2所示，第一雙折射晶體101和第二雙折射晶體102沿第一光束的入射方向并排設置。為了盡量減小本實施例提供的法拉第旋轉鏡100的空間占用，第一雙折射晶體101和第二雙折射晶體102鄰近設置。其中，鄰近設置表示兩者相互靠近，甚至可以相接觸。假設以空間中任意一點為原點構建三維直角坐標系，其x軸的正方向(+x)沿第一光束的入射方向，y軸方向與z軸方向在滿足三維直角坐標系構建條件的前提下可以不做限制。此時，上述第一雙折射晶體101的晶軸與x軸正方向的夾角即為第一夾角θ1，第二雙折射晶體102的晶軸與x軸負方向的夾角為第二夾角θ2，且第一夾角θ1和所述第二夾角θ2優(yōu)選相等。例如，第一夾角θ1和第二夾角θ2可以均為30度、45度或60度等。此外，如圖2所示，沿x軸方向上，第一雙折射晶體101的長度d1與第二雙折射晶體102的長度d2相等。

本發(fā)明實施例中，上述第一雙折射晶體101與第二雙折射晶體102均為單軸晶體。第一雙折射晶體101與第二雙折射晶體102的形狀可以為長方體形，也可以為正方體形，或者其他能夠達到本發(fā)明實施例提供的法拉第旋轉鏡100效果的形狀。優(yōu)選的，第一雙折射晶體101的尺寸與第二雙折射晶體102的尺寸匹配。例如，若第一雙折射晶體101與第二雙折射晶體102均為長方體形，則第一雙折射晶體101的長、寬、高與第二雙折射晶體102的長、寬、高分別對應相等。

需要說明的是，第一雙折射晶體101和第二雙折射晶體102的通光面即第一雙折射晶體101和第二雙折射晶體102中，光束入射和出射的面的面積應該根據(jù)入射到通光面的光斑和由通光面出射的光斑的尺寸設置。優(yōu)選的，通光面的最小寬度大于光斑的最大直徑的3倍。

為了簡化加工工藝，且能夠有效地使得經第一雙折射晶體101分解成的第一線偏振光和第二線偏振光能夠經第二雙折射晶體102合束為第二光束，上述第一雙折射晶體101與第二雙折射晶體102由同一塊雙折射晶體切分后，經打磨等工藝加工而成。

法拉第旋光器103用于使入射的光束的偏振方向旋轉45度。具體的，法拉第旋光器103置于一個磁場發(fā)生器104內。磁場發(fā)生器104可以是外部纏繞有線圈的鐵芯，當線圈通電后會在鐵芯內產生磁場。優(yōu)選的，上述鐵芯為環(huán)形鐵芯。此外，磁場發(fā)生器104也可以是能夠產生固定磁場的永磁體。磁場發(fā)生器104產生的磁場作用于法拉第旋光器103上，使得通過法拉第旋光器103的光束的偏振方向旋轉45度。

反射裝置105用于使入射到反射裝置105的光束反射后逆向返回。本實施例中，反射裝置105可以為具有高反射率的平面反射鏡，也可以為棱鏡。

此外，為了保證入射到第一雙折射晶體101的第一光束為平行光束或能夠近似于平行的光束，請參閱圖3，本發(fā)明實施例提供的法拉第旋轉鏡100還包括準直器106，準直器106設置于第一雙折射晶體101的與第二雙折射晶體102相背的一側。入射光入射到準直器106，經準直器106的準直處理后形成第一光束入射到第一雙折射晶體101。將本發(fā)明實施例提供的法拉第旋轉鏡100應用于光纖干涉儀中時，由光纖中出射的光通常為錐形光束，通過設置準直器106能夠有效地將光纖端口出射的錐形光束準直為平行光束，以便于后續(xù)處理。

為了實現(xiàn)法拉第旋轉鏡100的產品化，以方便使用，如圖3所示，本發(fā)明實施例提供的法拉第旋轉鏡100還包括殼體108和傳導光纖107。第一雙折射晶體101、第二雙折射晶體102、法拉第旋光器103、磁場發(fā)生器104及反射裝置105均封裝于上述殼體108內。傳導光纖107的一端用于接收入射光，另一端穿入殼體108內、與準直器106的入射端光耦合。將本發(fā)明實施例提供的法拉第旋轉鏡100應用于光纖干涉儀中時，可以通過傳導光纖107的一端設置的光纖連接器與光纖干涉儀中的信號光纖耦合，也可以直接將傳導光纖107的一端與光纖干涉儀中的信號光纖熔接，信號光纖輸出的信號光即法拉第旋轉鏡100的入射光經過傳導光纖107傳輸至法拉第旋轉鏡100內，經法拉第旋轉鏡100處理為第三光束后，由傳導光纖107輸出到上述信號光纖。

為了更清楚的說明本實施例的方案，下面將對本實施例提供的法拉第旋轉鏡100的工作過程作進一步描述。

如圖3所示，入射光經傳導光纖107傳輸至準直器106，經準直器106準直形成第一光束。從準直器106出射的第一光束繼續(xù)向前傳播，入射到第一雙折射晶體101。通過第一雙折射晶體101分成偏振方向相互垂直的第一線偏振光和第二線偏振光。以第一線偏振光為o光，第二線偏振光為e光為例。第一線偏振光沿圖3中的路徑1a傳播，第二線偏振光沿圖3中的路徑1b傳播。第一線偏振光和第二線偏振光由第一雙折射晶體101出射后，繼續(xù)傳播、入射到第二雙折射晶體102。第一線偏振光在第二雙折射晶體102中沿圖3中路徑1c傳播，第二線偏振光在第二雙折射晶體102中沿圖3中路徑1d傳播，且第一線偏振光和第二線偏振光通過第二雙折射晶體102后合束為第二光束出射。第二光束繼續(xù)傳播至法拉第旋光器103，且通過法拉第旋光器103后，第二光束中包括的o光和e光的偏振方向均旋轉45度。透過法拉第旋光器103的第二光束入射到反射裝置105，經反射裝置105反射后逆向傳播至法拉第旋光器103。

經反射裝置105反射的第二光束再次透過法拉第旋光器103，使得第二光束中包括的o光和e光的偏振方向再次旋轉45度，即兩次透過法拉第旋光器103后第二光束的偏振方向共旋轉了90度。此時，第二光束中原本包括的o光轉換成了e光，原本包括的e光轉換成了o光。透過法拉第旋光器103的第二光束沿原光路反向入射到第二雙折射晶體102，由第二雙折射晶體102分成o光和e光，o光沿路徑1c反向傳播，e光沿路徑1d反向傳播，由第二雙折射晶體102出射后，繼續(xù)傳播、入射到第一雙折射晶體101，同理通過第一雙折射晶體101后合束形成第三光束。第三光束經準直器106會聚到傳導光纖107輸出。

上述過程中，由于法拉第旋光器103存在色散和溫度特性即對光束偏振方向的旋轉角度受波長和環(huán)境溫度的影響，也就是說，其并不能準確地將所有兩次通過它的光的偏振方向都旋轉90度。然而，由于第二雙折射晶體102的偏振方向選擇特性，能夠有效地過濾兩次通過法拉第旋光器103后入射到第二雙折射晶體102的第二光束，只允許相對于第一雙折射晶體101分解成的o光和e光而言，偏振方向剛好旋轉了90度的光通過，并進一步由第一雙折射晶體101合束后輸出至準直器106，有效地將兩次通過法拉第旋光器103后偏振方向旋轉角度發(fā)生偏移即不等于90度的光束過濾掉。

綜上所述，盡管法拉第旋光器103受色散和溫度特性的影響，使兩次通過法拉第旋光器103第二光束的偏振方向的旋轉角度發(fā)生偏移，本發(fā)明實施例提供的法拉第旋轉鏡100能夠使得第三光束的偏振方向總是垂直于由第二雙折射晶體102出射并首次入射到法拉第旋光器103的第二光束的偏振方向，有效地抑制了法拉第旋光器103的色散和溫度特性對第三光束的偏振方向的影響，有利于降低光纖干涉儀對入射光波長及工作環(huán)境溫度的要求，有利于法拉第旋轉鏡100在光纖干涉儀中的應用，且結構簡單，有利于微型化。

第二實施例

本實施例提供了一種光纖干涉儀。如圖4所示，所述光纖干涉儀10包括光纖耦合器200、第一干涉臂301和第二干涉臂302，第一干涉臂301和第二干涉臂302上均設置有上述第一實施例提供的相同的法拉第旋轉鏡100。其中，法拉第旋轉鏡100的具體結構及原理請參照上述第一實施例，此處不再贅述。

光纖耦合器200可以采用分光比為50:50的2×2光纖耦合器。該光纖耦合器200包括第一連接端a、第二連接端b、第三連接端c及第四連接端d。信號光由光纖耦合器200的第一連接端a進入，分為光強相等的第一信號光束和第二信號光束。第一信號光束由第三連接端c入射到第一干涉臂301，沿第一干涉臂301傳輸?shù)椒ɡ谛D鏡100，經法拉第旋轉鏡100反射后形成的第三信號光束沿第一干涉臂301反向傳輸。第二信號光束由第四連接端d入射到第二干涉臂302，沿第二干涉臂302傳輸?shù)椒ɡ谛D鏡100，經法拉第旋轉鏡100反射后形成的第四信號光束沿第二干涉臂302反向傳輸。其中，第三信號光束與第一信號光束的偏振方向相互垂直，第四信號光束與第二信號光束的偏振方向相互垂直。沿第一干涉臂301反向輸出的第三信號光束由第三連接端c進入光纖耦合器200，沿第二干涉臂302反向輸出的第四信號光束由第四連接端d進入光纖耦合器200，發(fā)生干涉形成干涉信號，由光纖耦合器200的第二連接端b輸出。

本發(fā)明實施例提供的光纖干涉儀10，采用了上述第一實施例提供的法拉第旋轉鏡100，在降低光纖干涉儀10對入射光波長及工作環(huán)境溫度的要求的基礎上，有效地消除了現(xiàn)有光纖干涉儀存在的偏振衰落問題，提高了輸出干涉信號的信噪比，從而有利于提高微弱信號的測量精度。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。