消光比及有關參數的測量裝置的製作方法
2023-12-10 00:00:01 1
專利名稱：消光比及有關參數的測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光學測量技術領域，特別涉及使用可控旋轉起偏器和電子電路運算測量光的偏振特性的測量裝置。
背景技術：
光偏振相關參數對光束或光信號的影響非常重大，光偏振消光比(ER)特性是衡量光纖系統和光信息傳輸相關系統性能的重要參數；會直接影響這些設備的運行。
消光比是描述偏振光在不同方向上的偏振程度，是光學元器件或光學設備偏振相關性能好壞的重要參數。消光比通過光束主偏振方向光強和與主偏振方向垂直方向的光強的比值來確定，具體公式為ER＝101g(Pmax/Pmin)其中ER是以dB為單位的消光比值，Pmax最強光信號強度，Pmin最小光信號強度；101g為以10為底對括號中的數求對數的10倍；光束的傳播會受到其偏振特性的影響；一束自然光11的偏振特性是各個方向偏振分量完全相同，當其通過起偏器12的時候，無論起偏器轉動到任何角度，它通過起偏器以後的光的強度都相同，所以以dB為單位的消光比的值ER為零，如圖1所示。
在光信息傳輸技術領域，所使用的光通常都具有偏振特性，當光具有了偏振特性，在它通過起偏器的時候，隨著起偏器主軸方向的不同，通過的光強度會發生變化。如果是一束理想的線偏振光21，在它通過起偏器22的時候，當光的振動方向平行於起偏器22的主軸23方向(平行紙面的方向)，則透過起偏器光強最大，如圖2所示；如果線偏振光31振動方向(平行紙面的方向)垂直於起偏器32的主軸方向33(垂直紙面的方向)，則透過起偏器的光強為零如圖3所示。
通常來說，現實中的線偏振光不存在上述的理想狀態，在通過起偏器的時候，在主偏振方向垂直於起偏器的主軸方向的時候，透過光強不可能為零；也就是說現實中的線偏振光，在其垂直主振動方向上總是會有在這個方向上的光強存在。因此，線偏振光主振動方向平行於起偏器時透過起偏器的光強，與垂直透過時的強的比值就是這束線偏振光的消光比。多數情況下，線偏振光在垂直主振動方向上都會有一定的光強，隨著這個方向上的光強與主振動方向的光強相對值的增減，產生不同的消光比。
在實際情況中，很多時候偏振光是呈橢圓偏振態出現，在橢圓偏振態的情況下，其消光比由橢圓的長軸和短軸之比來確定；對於橢圓偏振態的一個特例——圓偏振態，其長短軸的比值為1，所以，其以dB為單位的消光比和自然光一樣為零。
目前常用的測量消光比的方法，主要通過搭建一個臨時系統來測量，該測量系統的結構如圖4所示，包括一個可手工轉動的起偏器42，一個光電探測器43，一個毫伏表45。這三個器件均設置在同一光軸上並依次排列。
其主要測量過程包括以下步驟1、入射光41穿過起偏器42入射到光電探測器43上，光電探測器43產生一個對應的電信號44，在毫伏表45上顯示出對應的信號強度；2、手工往復轉動起偏器42，人眼觀察毫伏表43的數值變化，選擇最大值Pmax抄錄下來；3、再次轉動起偏器42，人眼觀察毫伏表(43的數值變化，選擇最小值Pmin抄錄下來；4、通過公式ER＝101g(Pmax/Pmin)，手工計算出消光比值ER。
這種測量方法有如下缺點1、測量時間長需要反覆旋轉起偏器，並通過抄錄的方式記錄；2、測量精度低手工轉動和毫伏表的誤差均會造成測量誤差；同時開放的系統也會受到各種外界因素的幹擾，使得測量重複精度降低；3、系統不易移動由於是搭建的系統，通常集成性很差，無法整體搬動，不利於隨時隨地的測量要求；4、只能單一測量消光比參數。
發明內容
本實用新型的目的是為克服已有技術的不足之處，設計出一種消光比及有關參數的測量裝置，該裝置不但可以快速、準確地測量光學零件、光學系統和光學設備的消光比參數；還可同時測量出其它參數，且具有結構緊湊，可獨立工作，操作簡便，便於移動的特點。
本實用新型設計的消光比及有關參數的測量裝置，其特徵在於，該裝置包括一個整體機箱，在所述機箱上安裝有用戶界面，該界面包括讓使用者操控該裝置的控制機構、顯示測量信息及設置信息的顯示裝置和光輸入埠；在該機箱內安裝有一可控旋轉的起偏器及其控制電路、光電探測器、放大電路、A/D轉換電路、CPU運算電路、數據存儲器，以及電源電路和外圍接口電路；各器件的連接關係為所述起偏器和光電探測器依次設置在光輸入埠內側，所述A/D轉換電路設置在該光電探測器的輸出端，所述控制電路、數據存儲器，電源電路、外圍接口電路，以及顯示裝置和控制機構均分別與所述CPU運算電路相連。
本實用新型的主要特點及效果1、本實用新型為用戶提供了一個方便快捷的消光比測試工具，且具有結構緊湊，可獨立工作，操作簡便，便於移動的特點。
2、直接顯示消光比結果；本裝置通過運算電路，可以將被測光由於起偏器的旋轉產生的光強變化逐一記錄下來，經過比較、分析和運算，可以把消光比數值直接顯示在屏幕上；這就充分解決了目前光電子領域所採用的方法存在的精度低、重複精度低、測量速度慢、使用不方便等問題。
3、精度高；由於採用了電路直接運算和起偏器自動旋轉，可以獲得很高的測量精度；還可以自行設定測量精度，從而可以在保證測量需求的情況下，選擇最快的測量速度。
4、多種測量模式，用戶可以根據自己的需要，設定工作模式和測量模式，可得到所需要的消光比數值以及光主偏振方向、光功率等其它參數。
5、通過採用寬波段起偏器件，本裝置可以在1310nm和1550nm兩個光波長通用。
圖1為一束自然光通過起偏器示意圖；圖2為一束理想線偏振光通過起偏器示意圖，此時其偏振方向與起偏器主軸方向平行；圖3為一束理想線偏振光通過起偏器示意圖，此時其偏振方向與起偏器主軸方向垂直；圖4為目前常用的測量消光比參數的光學裝置示意圖；圖5為本實用新型外形示意圖；圖6為本實用新型內部組成結構及工作原理圖；圖7為本實用新型控制面板實施例布局圖。
圖8為本實用新型可旋轉起偏器示意圖；具體實施方式
本實用新型的上述內容結合附圖及實施例進一步詳細說明如下本實用新型設計的消光比及有關參數的測量裝置，組成結構如圖5、6所示，本裝置包括一個整體機箱51，在機箱的前面板上安裝有由顯示屏52、控制面板53和光輸入埠54組成的用戶界面，如圖5所示。在機箱內安裝一機械裝置盒61和一電路板62，其中，機械裝置盒61內安裝一具有旋轉支架的起偏器、光電探測器、與該旋轉支架相連的電動機。起偏器和光電探測器共軸排列放置在機械裝置盒61內與光輸入埠54連接。電路板62上安裝有控制起偏器旋轉的電路，信號放大電路、A/D轉換電路，以及由CPU運算電路、數據存儲器，以及電源電路和外圍接口電路，如圖6所示。
本裝置的各部分器件的功能及實施例分別說明如下機械裝置盒用來將被測光不斷變換方向進行起偏，並轉換成電信號；其中起偏器的實施例採用普通商用產品(1260～1600nm偏振片)，它放置在一由電動機驅動的可旋轉支架上，用於對被測光不斷變換方向進行起偏；電動機的實施例採用微型電動機(HennkwellHG37C系列直流電機)，用於帶動與其相連的旋轉支架轉動；光電探測器的實施例採用(InGaAs光電探測器)，用於接收通過起偏器後的光信號，並將光信號轉換成電信號。
電路板用來接收探測信號，並將數據存儲和運算，同時可以接受控制信號的設置，並控制電機的運轉；其中信號放大電路的實施例採用常規的線性放大電路或對數放大電路，A/D轉換電路的實施例採用(利用Cygnal公司C8051系列自帶A/D)，用於將光電探測器輸出的模擬電信號轉換成數位訊號；CPU運算電路的實施例採用(Cygnal公司C8051系列)，電機控制電路的實施例採用(National Semiconductor驅動晶片按常規設計的控制電路)，可以由用戶通過設定，選擇測量精度；同時還可以選擇測量模式；存儲電路的實施例採用(Winbond M28F)；電源電路的實施例採用常規電路，用於為整個裝置供電；外圍接口電路的實施例採用基於RS232、USB和乙太網接口的常規電路，可以將有關測量數據輸出到其他顯示設備或者提供給其他控制機構利用這些數據進行其他有用的控制。
本實用新型前面板上的用戶界面的光輸入埠的實施例採用光纖，用來將被測光輸入到機械裝置盒當中。顯示屏的實施例採用一個條形商用LCD顯示屏(YUSUNG HY系列82.8mm×18.4mm)用來顯示測量和設置數據；控制面板上安裝的控制機構的實施例採用控制信號輸入按鍵(採用常規產品)構成的控制裝置和調節裝置，通過按鍵對整個測量裝置進行設置，並控制測量過程。
本實用新型的用戶界面布局實施例如圖7所示，控制面板70為長方形，其中，一個條形LCD顯示屏71設置在面板的中部上方；一個電源開關72和一個電源指示燈73安裝在面板的左部下方；光輸入埠74，用來插入光纖接頭將被測光輸入機箱中；由九個功能按鍵組成的控制信號的控制裝置75位於面板中部下方，用來選擇整個裝置的設置和工作模式；四個調節按鍵組成的調節裝置76，用來與功能按鍵配合調整設置的具體數值。
上述各個按鍵使用方式如下POWER鍵接通/斷開電源。
AUTO鍵按AUTO鍵，進入自動採集模式，在液晶屏上可顯示每個周期的消光比值ER，相對角度值θ，參考角度值θr，光功率值P。
CYCLE鍵為n圈求平均值的工作模式鍵，n可以通過調節按鍵來設定。對n圈的ER，θ，P求平均值，此模式下可以降低部分噪聲的影響。
操作過程按下CYCLE鍵，通過調節按鍵設定要取平均值的圈數(最多100圈)，然後按ENTER鍵，進入CYCLE工作模式。
MANUAL鍵按下此鍵進入手工設定角度測量瞬時值的模式。先通過調節按鍵設定要測角度的值，然後每按一次ENTER鍵，測量的角度增加一次，同時液晶屏顯示一次。
REF鍵設置參考角度，以所設定的角度作為相對零點。
STOP鍵停止正在進行的測試。
STORE鍵存儲當前顯示屏上的數據，最多可存儲15條。
RECALE鍵查看已存儲的記錄，按確定鍵後起偏器轉到相應的位置。
STORE和RECALL鍵的操作相同按下按鍵後，通過調節按鍵設定存儲/查看的記錄的號(ID號)，然後確認即可。
SPEED鍵用來選擇電機速度，通過調節按鍵的上、下鍵修改，選擇後按ENTER。共有4種速度可以選擇0.1S，0.2S，0.4S，1.0S。速度對精度會有一定影響，速度越快，精度相對要低。
四個調節按鍵左、右按鍵用來移動光標，選擇需要調節的數值；上下按鍵用來增減所選定的數值。
本實用新型的可旋轉支架的實施例的具體結構如圖8所示，包括一支撐架81，在該支架上安裝有軸承82和電動機83，在軸承上安裝有可裝夾偏振片的從動齒輪84，帶有一與從動齒輪相配合的主動齒輪85，該主動齒輪套固在電動機的主軸上。
本實用新型有三種工作模式(1)AUTO模式AUTO模式下起偏器開始旋轉同時以15KHz的採樣率進行數據採集，當完成一個周期時計算並顯示一次ER，Angle，Power；然後繼續進行下一周期的採集。
在進入此模式前，可以通過SPEED來選擇電機速度，還可以通過REF來設定參考角度。要停止時按STOP鍵。
(2)CYCLE模式CYCLE模式下通過調節按鍵設定了要求平均值的圈數n後，按ENTER鍵，起偏器開始旋轉同時開始數據採集，並記錄每個周期的最大值和最小值，當完成n個周期後計算並顯示一次平均值；以後，每完成一個周期都計算和顯示一次平均值，這個平均值是該周期以前的n個周期的平均。通過求平均值的方法可以降低部分噪聲的影響。
在進入此模式前，可以通過SPEED來選擇電機速度，還可以通過REF來設定參考角度。要停止此模式按STOP鍵。
(3)MANUAL模式在MANUAL模式下，通過調節按鍵設定了每次要轉過的角度後，按ENTER鍵，起偏器轉過一圈，在此過程中記錄下設定角度處的瞬時值和這個周期的最小值，然後計算並顯示。當再次按下ENTER鍵時，重複以上過程，只是瞬時值時在原來角度的基礎上增加一次設定的角度。
在進入此模式前，可以通過SPEED來選擇電機速度，還可以通過REF來設定參考角度。
本實用新型的工作過程如下1、被測光由光纖引入機箱內通過起偏器，進入到光電探測器；2、電動機由電動機控制電路控制工作並通過旋轉支架使起偏器旋轉一周或一周以上，從而使光電探測器測到的光強隨被測光的偏振而發生變化；3、光電探測器產生一個與光強相對應的模擬電信號；此信號通過A/D轉換電路轉換成數字電信號輸入到CPU運算電路；4、CPU運算電路將這些電信號的信息分成若干數量的點逐一記錄，並存入數據存儲器中，並記錄下各點電信號對應的光的強度，也存入數據存儲器中；5、CPU運算電路將存儲器的光信號強度逐一比較，從中選出強度最大的光信號和強度最小的光信號；
6、CPU運算電路按照消光比計算公式計算出消光比數值，並顯示在顯示屏上7、在運算出消光比值的同時，CPU運算電路通過提取電動機上提取的信號，判斷出最大光強所對應的旋轉角度，從而計算出被測光束的主偏振方向，並顯示在顯示屏上。
本實用新型的主要用途之一，是可以在少於1秒的時間內，準確測量出輸入光束的消光比；具體工作過程如下1、輸入光通過可旋轉起偏器，進入光電探測器，光電探測器接收後產生一個電信號2、電動機帶動可旋轉起偏器轉動一周；光電探測器依次將接收到的不同強度的光信號轉變成對應強度的電信號；3、光電探測器後的電路將將電信號按極短間隔時段逐點轉換成數位訊號並存儲記錄；4、運算電路對所有電信號進行比較，選出最大值和最小值；根據公式ER＝101g(Pmax/Pmin)計算出消光比值；5、顯示電路實時將消光比值顯示在顯示屏上；本實用新型的主要用途之二，是能夠在測量輸入光的消光比值的同時，測定輸入光的主偏振方向，其工作過程如下1、在以上測量步驟第三項，存儲數位訊號的同時，記錄每一個信號所對應的起偏器旋轉角度；2、選擇信號最大值所對應的角度，並顯示在顯示屏上；本實用新型的主要用途之三，是能夠在測量輸入光的消光比值的同時，測定輸入光的主偏振方向，其工作過程如下1、在進行到主要用途之一的第4步的時候，計算出光功率值；2、顯示電路實時將光功率值顯示在顯示屏上；
權利要求1.一種消光比及有關參數的測量裝置，其特徵在於，該裝置包括一個整體機箱，在所述機箱上安裝有用戶界面，該界面包括讓使用者操控該測量裝置的控制機構、顯示測量信息及設置信息的顯示裝置和光輸入埠；在該機箱內安裝有一可控旋轉的起偏器及其控制電路、光電探測器、放大電路、A/D轉換電路、CPU運算電路、數據存儲器，以及電源電路和外圍接口電路；各器件的連接關係為所述起偏器和光電探測器依次設置在光輸入埠內側，所述A/D轉換電路設置在該光電探測器的輸出端，所述控制電路、數據存儲器，電源電路、外圍接口電路，以及顯示裝置和控制機構均分別與所述CPU運算電路相連。
2.如權利要求1所述的消光比及有關參數的測量裝置，其特徵在於，可控旋轉的起偏器由一電動機，旋轉支架和偏振片或晶體起偏鏡所組成，其中，所述電動機與旋轉支架相連，所述偏振片固定在旋轉支架上。
3.如權利要求1所述的消光比及有關參數的測量裝置，其特徵在於，所述控制機構包括控制裝置和調節裝置；所述控制裝置可用來進入自動採集模式、進入n圈求平均值的工作模式、手工設定角度測量瞬時值模式、設置參考角度、停止正在進行的測試、存儲當前顯示屏上的數據、查看已存儲的記錄、選擇電機速度、確認當前設置；所述的調節裝置用來與控制裝置配合調整設置的具體數值。
4.如權利要求1所述的消光比及有關參數的測量裝置，其特徵在於，所述顯示裝置、控制裝置、可控旋轉起偏器、光電探測器、供電電源電路均可通過線纜與整體機箱從外部連接。
5.如權利要求1所述的消光比及有關參數的測量裝置，其特徵在於，所述的放大電路為線性放大電路。
6.如權利要求1所述的消光比及有關參數的測量裝置，其特徵在於，所述的放大電路為對數放大電路。
7.如權利要求1所述的消光比及有關參數的測量裝置，其特徵在於，所述的起偏器使用的偏振片或晶體起偏鏡採用波長範圍在1260～1600nm之間的偏振片。
8.如權利要求1所述的消光比及有關參數的測量裝置，其特徵在於，所述的起偏器使用的偏振片或晶體起偏鏡採用波長範圍在1260～1600nm之間的晶體起偏鏡。
專利摘要本實用新型涉及消光比及有關參數的測量裝置，屬於光學測量技術領域。該裝置包括一個整體機箱，在所述機箱上安裝有用戶界面，該界面包括控制機構、顯示裝置和光輸入埠；在該機箱內安裝有一可控旋轉的起偏器及其控制電路、光電探測器、放大電路、A/D轉換電路、CPU運算電路、數據存儲器，以及電源電路和外圍接口電路；其中起偏器和光電探測器依次設置在光輸入埠內側，A/D轉換電路設置在該光電探測器的輸出端，控制電路、數據存儲器，電源電路、外圍接口電路，以及顯示裝置和控制機構均分別與所述CPU運算電路相連。該裝置不但可以快速、準確地測量消光比參數和其它參數，且具有結構緊湊，可獨立工作，操作簡便，便於移動的特點。
文檔編號G01J4/00GK2911623SQ20062000830
公開日2007年6月13日 申請日期2006年3月17日 優先權日2006年3月17日
發明者姚曉天 申請人:北京高光科技有限公司