一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路及其测量方法与流程

1.本公开属于光学测量技术领域，具体涉及一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路及其测量方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.一种利用磁光隔离器探测磁场强度的测量系统与方法(2016108560759)提供了一种利用磁光隔离器探测磁场强度的测量系统与方法，实现了空间点磁场强度的精确稳定测量。该测量系统中主要采用单模光纤构成光学回路，通过测量激光的振幅(即光强)反映磁场强度。
4.然而，光纤内部线性双折射难以避免，在实际运行中，由于温度、振动等外界环境波动会造成光纤线性双折射的变化，使得光纤中的激光振幅发生改变，从而影响系统的测量精度。
5.在全光纤电流互感器技术中，基于安倍环路定律，通过测量磁场强度反映电流的大小。其主要基于光学干涉原理测量磁场引起的磁光效应，为了应对光纤线性双折射的影响，传感光纤采用了保圆光纤，并且在传感光纤端部安装光纤反射镜，以实现光路的互易，从而减弱甚至消除线性双折射的影响。基于光学干涉原理的光学回路本来就比较复杂，这些措施无疑更增加了测量系统的复杂性和工程造价。
6.利用磁光隔离器探测磁场强度的测量系统与方法基于激光的偏振态检测磁场引起的磁光效应，磁光效应引起的激光偏振角变化，使得通过检偏器的激光振幅发生改变，因此检测光强就能够反映磁场强度。
7.在振幅调制型光纤传感器领域，通常采用双波长补偿法、旁路光纤监测法、光桥平衡补偿法等方法应对非测量量引起的光强变化，减少误差。然而这些方法都不适合上述利用磁光隔离器探测磁场强度的测量系统。
8.双波长补偿法需要使用两个不同波长的激光器和光电探测器，大大增加了光学系统的复杂程度，并且由于不同波长光的磁光效应不相同，也会使得信号处理环节难以应对。
9.旁路光纤监测法通过在在测量光路旁增加一条参考光纤，以监测光源功率波动、温度变化等的影响并加以补偿。但是由于毕竟参考光纤与测量光路并不完全一致，因而无法精确监测测量光路的光纤损耗、应力双折射等引起的变化，因此补偿效果有限。
10.光桥平衡补偿法采用光学四端网构成光路系统，包含两个光源和两个光强探测器，光源轮流发光，将两个光强探测器的输出经过一定的运算，就能够消除由于光源功率波动、光探测器灵敏度变化，以及光纤传输损耗变化等引起的误差。但是仍旧存在光路复杂、控制难度高、系统昂贵的问题，并且系统存在多个激光耦合器，对激光强度损耗严重，并且耦合器误差无法消除，补偿效果有限。


技术实现要素：

11.为了解决上述问题，本公开提出了一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路及其测量方法，通过测量和分析正向和反向两束激光的光强，可以消除双折射引起的误差，准确测量磁场强度。
12.根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路，采用如下技术方案：
13.一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路，包括：
14.包括：
15.第一光路，包括第一环形器以及分别与第一环形器连接的第一激光器和第一光探测器；
16.第二光路，与所述第一光路互易，包括第二环形器以及分别与第二环形器连接的第二激光器和第二光探测器；
17.测量光路，连接所述第一光路和所述第二光路；所述测量光路包括通过依次连接的第一偏振片、法拉第旋转器和第二偏振片；所述第一偏振片与所述第一环形器连接，所述第二偏振片与所述第二环形器连接。
18.作为进一步的技术限定，所述第一环形器和所述第二环形器均采用光纤环形器；所述测量光路通过单模光纤分别与所述第一光路和所述第二光路相连接。
19.作为进一步的技术限定，所述第一偏振片采用检偏器，所述第二偏振片采用起偏器。
20.根据一些实施例，本公开的第二方案提供了用于磁光效应测量磁场强度的互易光路的测量方法，采用了第一方案中的用于磁光效应测量磁场强度的互易光路，采用如下技术方案：
21.一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路的测量方法，包括以下步骤：
22.获取第一输入光强和第二输入光强；
23.根据第一输入光强、第一环形器和测量光路，得到第一光路的第一输出光强；
24.根据第二输入光强、第二环形器和测量光路，得到第二光路的第二输出光强；
25.根据第一输出光强和第二输出光强，得到磁场强度；
26.其中，所述磁场强度通过偏振角旋转角计算得到，所述偏振角旋转角通过第一输出光强与第二输出光强的组合计算得到。
27.作为进一步的技术限定，所述第一输入光强和第二输入光强分别是第一激光器和第二激光器的输出光强。
28.根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路，采用如下技术方案：
29.一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路，包括：
30.第一光路，包括第一环形器以及与第一环形器连接的第一光探测器；
31.第二光路，与所述第一光路互易，包括第二环形器以及与第二环形器连接的第二光探测器；
32.测量光路，连接所述第一光路和所述第二光路；所述测量光路包括通过依次连接的第一偏振片、法拉第旋转器和第二偏振片，所述第一偏振片与所述第一环形器连接，所述
第二偏振片与所述第二环形器连接；
33.所述第一环形器和所述第二环形器均通过分束器与激光器连接。
34.作为进一步的技术限定，所述第一环形器和所述第二环形器均采用光纤环形器；所述测量光路通过单模光纤分别与所述第一光路和所述第二光路相连接。
35.作为进一步的技术限定，所述第一偏振片采用检偏器，所述第二偏振片采用起偏器。
36.根据一些实施例，本公开的第四方案提供了用于磁光效应测量磁场强度的互易光路的测量方法，采用了第三方案中的用于磁光效应测量磁场强度的互易光路，采用如下技术方案：
37.一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路的测量方法，包括以下步骤：
38.基于分束器获取第一输入光强和第二输入光强；
39.根据第一输入光强、第一环形器和测量光路，得到第一光路的第一输出光强；
40.根据第二输入光强、第二环形器和测量光路，得到第二光路的第二输出光强；
41.根据第一输出光强和第二输出光强，得到磁场强度；
42.其中，所述磁场强度通过偏振角旋转角计算得到，所述偏振角旋转角通过第一输出光强与第二输出光强的组合计算得到。
43.作为进一步的技术限定，所述分束器将激光器所发出的激光光强分成光强为激光光强一半的两束光，分别为第一输入光强和第二输入光强。
44.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
45.本公开中的利用磁光隔离器探测磁场强度的测量系统的光路传输双向激光，由于光纤双折射效应对不同传输方向的激光是相同的，而磁光效应只与磁场方向有关，与激光传输方向无关，因而通过测量和分析正向和反向两束激光的光强，可以消除双折射引起的误差，准确测量磁场强度。
附图说明
46.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
47.图1是本公开实施例一中的一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路图；
48.图2是本公开实施例三中的一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路图。
具体实施方式：
49.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
50.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
51.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
52.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
53.实施例一
54.本实施例介绍了一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路。
55.如图1所示的一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路，包括：
56.第一光路，包括第一环形器以及分别与第一环形器连接的第一激光器和第一光探测器；
57.第二光路，与所述第一光路互易，包括第二环形器以及分别与第二环形器连接的第二激光器和第二光探测器；
58.测量光路，连接所述第一光路和所述第二光路；所述测量光路包括通过依次连接的第一偏振片、法拉第旋转器和第二偏振片；所述第一偏振片与所述第一环形器连接，所述第二偏振片与所述第二环形器连接。
59.在本实施例中，第一环形器和第二环形器采用光纤环形器。
60.光纤环形器是一种无源三端光纤器件，使得从第一端口输入的光只输出到第二端口；而从第三端口输入的光只流向第一端口，实现了光在环形器中的的单向传输。将第一环形器的第一端口和第二环形器的第一端口端分别与测量光路的光纤两端相接；第一环形器的第二端口和第二环形器的第二端口分别连接第一光探测器和第二光探测器；第一环形器的第三端口和第二环形器的第三端口分别连接第一激光器和第二激光器。
61.基于图1中的记载，从第一环形器的第三端口到第二环形器的第二端口构成激光的一条通道，即下行光路通道；从第二环形器的第三端口到第一环形器的第二端口构成激光的另一条通道，即上行光路通道。因第一光路和第二光路之间是互易的，光纤双折射效应对两个光路是相同的；而在磁光隔离器中，上行光路通道依次经过的起偏器和检偏器，对下行光路通道而言则分别是检偏器和起偏器。
62.实施例二
63.本实施例介绍了一种基于实施例一中所介绍的用于磁光效应测量磁场强度的互易光路的测量方法。
64.一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路的测量方法，包括以下步骤：
65.获取第一输入光强和第二输入光强；
66.根据第一输入光强、第一环形器和测量光路，得到第一光路的第一输出光强；
67.根据第二输入光强、第二环形器和测量光路，得到第二光路的第二输出光强；
68.根据第一输出光强和第二输出光强，得到磁场强度；
69.其中，所述磁场强度通过偏振角旋转角计算得到，所述偏振角旋转角通过第一输出光强与第二输出光强的组合计算得到。
70.具体的，针对上行光路通道，检偏器与起偏器的偏振角相差β角度；针对下行光路通道，检偏器与起偏器的偏振角相差-β角度。
71.根据马吕斯定理，由第二光探测器所检测到的下行光路通道的光强(即第一输出光强)大小如下所示：
[0072][0073]
其中，i
m+
表示第一输出光强，i0表示输入光强，β表示检偏器与起偏器的角度差，θ
表示磁光效应引起的偏振角偏差。
[0074]
则由第一光探测器检测到的上行光路的光强(即第二输出光强)大小如下所示：
[0075][0076]
一般的，检偏器与起偏器的夹角为45
°
，即β＝45
°
。如果再设置两个光路的输入光强大小相同，即i
0+
＝i
0-＝i0,则可以计算得到：
[0077][0078]
由此得到了磁光效应引起的偏振角旋转角度，再依据法拉第磁光效应公式，就可以计算出磁场强度。
[0079]
其中，法拉第磁光效应公式如下：
[0080]
θ＝v
·b·
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0081]
式中，b是磁场感应强度，l是磁光材料长度，v是费尔德常数。
[0082]
在上述测量和计算过程中，由于第一光路和第二光路互易，因此温度、应力等引起的光纤双折射的变化可以相互抵消，因而消除了这些环境因素带来的误差，可以大大提高利用磁光隔离器探测磁场强度的测量系统和方法的精度和稳定性。
[0083]
需要指出的是，在某些光学电流互感器方案中，也推导出了与上述公式(3)相同的磁光效应旋转角计算式，但是它们采用的是单方向光路，通过沃拉斯顿棱镜等器件将输出激光分解成正交的两束偏振光，代入公式(3)中进行计算，用于消除输入光强变化的影响，并不能解决光纤双折射的问题。而本实施例是采用上行和下行两个方向光路通道的输出光强进行计算，能够解决光纤双折射的问题，无需将偏振光分解，实现更加简单。
[0084]
实施例三
[0085]
本实施例介绍了一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路。
[0086]
如图2所示的一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路，包括：
[0087]
第一光路，包括第一环形器以及与第一环形器连接的第一光探测器；
[0088]
第二光路，与所述第一光路互易，包括第二环形器以及与第二环形器连接的第二光探测器；
[0089]
测量光路，连接所述第一光路和所述第二光路；所述测量光路包括通过依次连接的第一偏振片、法拉第旋转器和第二偏振片，所述第一偏振片与所述第一环形器连接，所述第二偏振片与所述第二环形器连接；
[0090]
所述第一环形器和所述第二环形器均通过分束器与激光器连接。
[0091]
与实施例一中的用于磁光效应测量磁场强度的互易光路相比较，不同之处在于不采用实施例中的第一激光器和第二激光器，而是采用了一个激光器和一个分束器的结构设置，通过分束器将激光器所输出的激光分成50％的两束激光，分别输入到第一环形器的第二端口和第二环形器的第二端口。
[0092]
除此之外，其他的结构设置均与实施例一中的用于磁光效应测量磁场强度的互易光路一致，在此不再赘述。
[0093]
实施例四
[0094]
本实施例介绍了一种基于实施例三中所介绍的用于磁光效应测量磁场强度的互
易光路的测量方法。
[0095]
一种用于磁光效应测量磁场强度的互易光路的测量方法，包括以下步骤：
[0096]
基于分束器获取第一输入光强和第二输入光强；
[0097]
根据第一输入光强、第一环形器和测量光路，得到第一光路的第一输出光强；
[0098]
根据第二输入光强、第二环形器和测量光路，得到第二光路的第二输出光强；
[0099]
根据第一输出光强和第二输出光强，得到磁场强度；
[0100]
其中，所述磁场强度通过偏振角旋转角计算得到，所述偏振角旋转角通过第一输出光强与第二输出光强的组合计算得到。
[0101]
具体的计算过程与实施例二中方法一致，在此不再进行赘述。
[0102]
由于光分束器是无源器件，其长期稳定性优于激光器，从而进一步减少了测量误差。但是光分束器会带来光强的损失，在工程应用中需要权衡利弊。
[0103]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。