用于保偏光纤特性表征的白光干涉理论及技术研究

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本文从理论和仪器系统两个方面研究了利用白光时域和频域干涉法来表征保偏光纤的保偏和色散特性,包括偏振模耦合、偏振消光比、拍长和模间色度色散差的测量。同时,基于该仪器进行了白光干涉纳米级位移传感和材料厚度的测量,实现了仪器的拓展应用。在课题组原有对保偏光纤偏振耦合测试仪的开发基础上,在理论上建立起了保偏光纤模间白光时域和频域干涉模型;基于几何光学原理建立了保偏光纤偏振耦合测试仪的仪器误差模型,定量分析了仪器光学系统的最优化装配角度和结构,并采用了数值色散补偿,实现了仪器对1.2km保偏光纤偏振耦合的高精度检测,为高精度光纤陀螺中光偏振的检测和控制提供了一个非常有用的工具。基于保偏光纤偏振耦合的特点提出了一种新的保偏光纤偏振消光比的测量方法,测量灵敏度达-55dB。基于频域干涉模型提出了一种新的保偏光纤模间色度色散差的测量方法,该方法测量时间极短(小于5s),信噪比高(大于80dB)。利用力致耦合频域干涉测量了保偏光纤的拍长。研究了光谱干涉位相奇异点处的光谱异动,并用该方法实现了纳米级位移传感。将该仪器开发成了一台能同时测量保偏光纤偏振耦合、拍长、偏振消光比、模间色度色散差和纳米级位移的多功能测试仪。工作中的主要创新点1.详细分析了白光干涉法保偏光纤偏振耦合测试仪的仪器误差。通过定量分析仪器光学系统装配角度和算法优化,使该测试仪能对1.2km保偏光纤偏振耦合进行测量,是目前有文献报道的国内利用白光干涉法能测量的光纤长度最长的仪器。利用偏振耦合原理提出了一种新的保偏光纤偏振消光比的测量方法,测量灵敏度达-55dB。2.在保偏光纤偏振耦合测试中,提出了一种耦合强度数值色散补偿的方法。该色散补偿算法具有很高的准确性,尤其对短光纤,绝对偏差小于0.63dB。3.建立了保偏光纤模间白光频域干涉的理论模型,揭示了光谱干涉条纹在位相奇异点处与光源中心波长、光源谱宽、两干涉光束间光程差的关系。提出了一种白光频域干涉保偏光纤模间色度色散差的测量方法,能为保偏光纤偏振耦合测量和基于保偏光纤模间干涉原理的光纤传感器提供数值色散补偿的准确数据。
摘要第3-4页
ABSTRACT第4-5页
第一章 绪论第10-31页
    1.1 白光干涉技术第10-16页
        1.1.1 白光干涉仪的基本结构第10-12页
        1.1.2 白光干涉术的特点第12页
        1.1.3 白光干涉术的发展第12-16页
        1.1.4 白光干涉术的应用第16页
    1.2 保偏光纤第16-19页
        1.2.1 保偏光纤的原理和主要参数第16-19页
        1.2.2 保偏光纤的种类及发展第19页
    1.3 保偏光纤保偏特性表征方法概述第19-28页
        1.3.1 偏振耦合的测量第19-20页
        1.3.2 偏振消光比的测量第20-24页
        1.3.3 模式双折射或拍长的测量第24页
        1.3.4 模间色度色散差的测量第24-28页
    1.4 国内外保偏光纤保偏特性表征研究现状第28页
    1.5 论文选题背景和主要工作第28-31页
第二章 白光干涉保偏光纤特性表征的理论模型第31-43页
    2.1 时域白光干涉基本理论模型第31-35页
    2.2 频域白光干涉基本理论模型第35-42页
        2.2.1 迈克尔逊白光频域干涉基本理论第36-37页
        2.2.2 保偏光纤模间频域干涉模型第37-42页
    2.3 本章小结第42-43页
第三章 保偏光纤偏振耦合测试仪的误差和性能分析第43-86页
    3.1 偏振耦合测试仪的设计第43-46页
        3.1.1 光源的选取第44页
        3.1.2 扫描导轨的选取第44-45页
        3.1.3 数据采集卡的选取第45-46页
        3.1.4 探测器的选取第46页
    3.2 扫描光束倾斜对测量的影响第46-54页
        3.2.1 扫描动镜倾斜第46-51页
        3.2.2 入射光束倾斜第51-52页
        3.2.3 扫描动镜和入射光束都倾斜第52-54页
    3.3 光源宽光谱特性对测量的影响第54-61页
        3.3.1 色散对偏振耦合测量的影响第54-57页
        3.3.2 数值色散补偿第57-59页
        3.3.3 光源拍噪声分析第59-61页
    3.4 光器件偏振波动对测量的影响第61-64页
    3.5 二次耦合对测量的影响第64-70页
        3.5.1 力致或弯曲致耦合点对测量的影响第65-68页
        3.5.2 对轴不准引起的耦合点对测量的影响第68-70页
    3.6 仪器系统的信噪比分析及提高方法第70-80页
        3.6.1 测试仪信噪比分析第70-75页
        3.6.2 提高信噪比的方法第75-80页
    3.7 偏振耦合测试仪的性能分析第80-84页
        3.7.1 仪器的空间分辨率第80-81页
        3.7.2 最大测试长度第81-82页
        3.7.3 仪器的稳定性第82-83页
        3.7.4 仪器测量的准确性和重复性第83-84页
        3.7.5 仪器的动态范围和耦合强度的测量灵敏度第84页
    3.8 本章小结第84-86页
第四章 白光时域干涉保偏光纤其它特性参数表征第86-95页
    4.1 时域干涉消光比测量第86-90页
        4.1.1 测量原理第86-87页
        4.1.2 实验结果第87-88页
        4.1.3 结果分析与讨论第88-90页
    4.2 时域干涉拍长的测量第90-92页
    4.3 仪器的拓展应用第92-94页
    4.4 本章小结第94-95页
第五章 白光频域干涉保偏光纤特性表征及传感应用第95-118页
    5.1 频域干涉理论分析第95-100页
        5.1.1 干涉光谱与光程差的关系第95-98页
        5.1.2 干涉光谱与中心波长及谱宽的关系第98-99页
        5.1.3 光谱仪响应带宽及色散对干涉光谱的影响第99-100页
    5.2 频域干涉偏振耦合的测量第100-105页
    5.3 频域干涉保偏光纤拍长的测量第105-108页
    5.4 频域干涉模间色度色散差的测量第108-111页
    5.5 频域干涉光纤位移传感第111-116页
        5.5.1 干涉光谱移动法第111-113页
        5.5.2 光谱傅里叶变换法第113-116页
    5.6 频域干涉测量误差分析第116-117页
        5.6.1 反射镜表面粗糙度对测量的影响第116-117页
        5.6.2 扫描镜倾斜第117页
    5.7 本章小结第117-118页
第六章 总结与展望第118-122页
参考文献第122-140页
攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况第140-142页
致谢第142页
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