一种基于偏振光纤干涉仪的激光器波长实时监测方法

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；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E 0 (t)；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；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 E 0 (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；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I 1 ，I 2 ，I 3 ，I 4 ；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Δψ(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；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)位置为偏振光纤干涉仪系统(3)输出公共端，输出保偏光纤(21)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)＝|E 0 (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°。 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：光纤偏振分束器(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)。 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：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。 4.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：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。 5.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：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°。 6.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：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。