1.基于螺旋光栅的全光纤角动量干涉传感测量系统,其特征在于,包括单波长激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、第一轨道角动量光束转化传输模块(3)、第二轨道角动量光束转化传输模块(4)、传感光纤模块(5)、第二光纤耦合器(6)、光束旋转角度检测模块(7)、准直镜(8);
所述第一轨道角动量光束转化传输模块(3)包括第一传输光纤和制作在第一传输光纤上的第一螺旋光纤光栅;所述第一传输光纤的其中一端构成所述第一轨道角动量光束转化传输模块(3)的输入端,所述第一传输光纤的另一端构成所述第一轨道角动量光束转化传输模块(3)的输出端;
所述第二轨道角动量光束转化传输模块(4)包括第二传输光纤和制作在第二传输光纤上的第二螺旋光纤光栅;所述第二传输光纤的其中一端构成所述第二轨道角动量光束转化传输模块(4)的输入端,所述第二传输光纤的另一端构成所述第二轨道角动量光束转化传输模块(4)的输出端;
所述单波长激光器(1)经传输光纤射出波长为λ的基模高斯光束至第一光纤耦合器(2)的输入端,所述第一光纤耦合器(2)接收该波长为λ的基模高斯光束,且按照预设比例划分该波长为λ的基模高斯光束为波长λ的基模高斯光束A和波长λ的基模高斯光束B;
所述第一光纤耦合器(2)输出波长λ的基模高斯光束A至第一轨道角动量光束转化传输模块(3),所述第一传输光纤的其中一端接收预设波长λ的基模高斯光束A,所述制作在第一传输光纤上的第一螺旋光纤光栅将所述预设波长λ的基模高斯光束A转换为相同波长的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P;
同时第一光纤耦合器(2)输出波长λ的基模高斯光束B至第二轨道角动量光束转化传输模块(4),所述第二传输光纤的其中一端接收预设波长λ的基模高斯光束B;所述制作在第二传输光纤上的第二螺旋光纤光栅将所述预设波长λ的基模高斯光束B转换为相同波长的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q;
所述第一传输光纤的另一端输出相等波长的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P,所述第二传输光纤的另一端输出相等波长的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q,且所述第一传输光纤的另一端、第二传输光纤的另一端分别与第二光纤耦合器(6)相连,所述第二光纤耦合器将相等波长的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P与相等波长的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q合并,生成干涉光束I,第二光纤耦合器(6)的输出端与准直镜(8)的光入射端相连,准直镜(8)的光入射端接收该干涉光束I;准直镜(8)的光射出端面向光束旋转角度检测模块(7)的输入端,并射出所述干涉光束I至光束旋转角度检测模块(7)的输入端,所述光束旋转角度检测模块(7)的输入端接收该干涉光束I,所述光束旋转角度检测模块(7)用于检测该干涉光束I的旋转角度Δα;
所述传感光纤模块(5)置于第一传输光纤表面上或第二传输光纤表面上,且用于提供其所设传输光纤的待测传感量γ。
2.根据权利要求1所述的基于螺旋光栅的全光纤角动量干涉传感测量系统,其特征在于,所述第一传输光纤和第二传输光纤为少模光纤、环芯光纤或光子晶体光纤三者中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的基于螺旋光栅的全光纤角动量干涉传感测量系统,其特征在于,所述传感光纤模块(5)提供的待测传感量γ为温度数据、磁场数据、拉伸数据或扭转数据。
4.根据权利要求1所述的基于螺旋光栅的全光纤角动量干涉传感测量系统,其特征在于,第一螺旋光纤光栅产生的轨道角动量光束P的拓扑电荷数p不等于第二螺旋光纤光栅产生的轨道角动量光束Q的拓扑电荷数q,且所述第二光纤耦合器生成的干涉光束I的瓣数为|p‑q|。
5.根据权利要求1所述的基于螺旋光栅的全光纤角动量干涉传感测量系统,其特征在于,所述光束旋转角度检测模块(7)为电荷耦合器件、光电探测阵列或光电探测器。
6.基于权利要求1‑5任一项所述的基于螺旋光栅的全光纤角动量干涉传感测量系统的方法,其特征在于,当传感光纤模块(5)置于位于第二传输光纤表面上时,执行步骤A至步骤B,之后执行步骤C1获得第一传输光纤与第二传输光纤之间的待测传感量γq引起的传输相位差 然后执行步骤D获得第一传输光纤传输的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q和第二传输光纤传输的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P的传输相位差Δβ;再执行步骤E1至步骤G1,获得第二螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q的电场幅值E'q(r,θ)、以及受到传输相位差 和传输相位差Δβ影响的第一螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P与第二螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q合并产生的瓣数为|p‑q|的花瓣状干涉光束I的强度Iq(r,θ),之后通过旋转角度检测方法获得花瓣状干涉光束的旋转角度Δαq,并根据旋转角度Δαq、第一传输光纤与第二传输光纤之间传输相位差 的关系,通过步骤H1获得传感测量光纤模块(5)的待测传感量γq;
当传感测量光纤模块(5)设置于第一传输光纤表面上时,执行步骤A至步骤B,之后执行步骤C2获得第一传输光纤与第二传输光纤之间的待测传感量γp引起的传输相位差然后执行步骤D获得第一传输光纤传输的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q和第二传输光纤传输的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P的传输相位差Δβ;再执行步骤E2至步骤G2,获得第一螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P的电场幅值E'p(r,θ)、以及受到传输相位差 和传输相位差Δβ影响的第一螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P与第二螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q合并产生的瓣数为|p‑q|的花瓣状干涉光束I的强度Ip(r,θ),之后通过旋转角度检测方法获得花瓣状干涉光束I的旋转角度Δαp,并根据旋转角度Δαp、第一传输光纤与第二传输光纤之间传输相位差 的关系,通过步骤H2获得传感测量光纤模块(5)的待测传感量γp;
步骤A:基于预设传输光纤中的基模高斯光束的有效折射率、第一螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P的有效折射率、以及第二螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q的有效折射率分别为n0、np、nq;分别按照如下公式:Λp=p·λ/(n0‑np),
Λq=q·λ/(n0‑nq),
计算第一螺旋光纤光栅周期Λp、以及第二螺旋光纤光栅周期Λq;其中,λ是波长;
随后进入步骤B;
步骤B:按如下公式:
Ep(r,θ)=Rp(r)exp(jpθ)exp(j2πnpz/λ),
Eq(r,θ)=Rq(r)exp(jqθ)exp(j2πnqz/λ),
分别计算第一螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P的电场幅值Ep(r,θ)、第二螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q的电场幅值Eq(r,θ),其中Rp(r,θ)表示拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P的横场分布,Rq(r,θ)表示拓扑电荷数为q的轨道角动量光束的横场分布,z是传播方向,λ是波长,r是极坐标上与极点的距离,θ是按逆时针方向与极轴的角度,j为虚数单位;
步骤C1:预设第二传输光纤上传感光纤模块(5)传感部分的光纤长度为Lm,第二传输光纤上传感光纤模块(5)传感部分的光纤的折射率为neff,当传感光纤模块(5)的待测传感量γq发生变化时,按照如下公式:计算第一传输光纤与第二传输光纤之间的待测传感量γq引起的传输相位差 其中,Δneff(γq)为待测传感量γq引起的长度为Lm的传输光纤的折射率变化,ΔLm(γq)是待测传感量引起的传输光纤长度的变化;
步骤C2:预设第一传输光纤上传感光纤模块(5)传感部分的光纤长度为L'm,第二传输光纤上传感光纤模块(5)传感部分的光纤的折射率为n'eff,当传感光纤模块(5)的待测传感量γp发生变化时,按照如下公式:计算第一传输光纤与第二传输光纤之间的待测传感量γp引起的传输相位差 其中,Δn'eff(γp)为待测传感量γp引起的长度为L'm的传输光纤的折射率变化,ΔL'm(γp)是待测传感量引起的传输光纤长度的变化;
步骤D:按如下公式:
Δβ=2π(nqLq‑npLp)/λ,
计算第一传输光纤传输的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q和第二传输光纤传输的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P的传输相位差Δβ,Lq为第二传输光纤长度,Lp为第一传输光纤长度;
步骤E1:按照如下公式:
计算传感光纤模块(5)位于第二传感光纤表面上时,第二螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为q的轨道角动量光束Q的电场幅值E'q(r,θ);
步骤E2:按照如下公式:
计算传感光纤模块(5)设置于第一传感光纤表面上时,第一螺旋光纤光栅产生的拓扑电荷数为p的轨道角动量光束P的电场幅值E'p(r,θ);
步骤F1:按如下公式:
EI(r,θ)=Ep(r,θ)+E'q(r,θ),
计算传感光纤模块(5)设置于第二传感光纤表面上时的干涉光束I的电场幅值EI(r,θ);
步骤F2:按如下公式:
E′I(r,θ)=E'p(r,θ)+Eq(r,θ),
计算传感测量光纤模块(5)置于第一轨道角动量光束转化传输模块(3)上时的干涉光束I的电场幅值E′I(r,θ);
步骤G1:按如下公式:
计算该干涉光束I的强度I(r,θ),并确定所述干涉光束I为瓣数为|p‑q|的花瓣状干涉光束;
其中,IDC(r,θ)和IAC(r,θ)分别表示瓣数为|p‑q|的花瓣状干涉光束I的直流强度和交流强度;
步骤G2:按如下公式:
计算该干涉光束I的强度I'(r,θ),并确定所述干涉光束I为瓣数为|p‑q|的花瓣状干涉光束;其中,I'DC(r,θ)和I'AC(r,θ)分别表示瓣数为|p‑q|的花瓣状干涉光束I的直流强度和交流强度;
步骤H1:所述旋转角度检测方法基于瓣数为|p‑q|的花瓣状干涉光束I的旋转角度Δαq由 确定,即并且 进一步获得干涉光
束I的旋转角度Δαq和测量待测传感量γq的关系:
最终获得传感测量光纤模块(5)设置于第二
传输光纤上时的待测传感量γq。
步骤H2:所述旋转角度检测方法基于瓣数为|p‑q|的花瓣状干涉光束I的旋转角度Δαp由 确定,即并且 进一步获得干涉光
束I的旋转角度Δαp和测量待测传感量γp的关系 最终
获得传感光纤模块(5)设置于第一传输光纤上时的待测传感量γp。
7.根据权利要求6所述的基于螺旋光栅的全光纤角动量干涉传感测量系统的方法,其特征在于,所述旋转角度测量方法为互相关法或四步相移法或质心相移测量法中任意一种。