基于光束轨道角动量的光纤传感器.pdf

在本发明公开的光纤传感器，激光器用于输出基模高斯光束。光纤传感单元将基模高斯光束分成第一光束及第二光束，将第一光束调制成轨道角动量光束，及利用第二光束与轨道角动量光束形成干涉光束并输出干涉光束至扩束器。扩束器对干涉光束进行扩大。测量单元将经过扩束器的干涉光束分成第一子干涉光束及第二子干涉光束，测量第一子干涉光束对应的第一光功率及第二子干涉光束对应的第二光功率并获得第一光功率及第二光功率的变化值。上述光纤传感器中，光纤传感单元将基模高斯光束分成两束光后输出干涉光束，测量单元测量两个干涉光束的光功率变化值，在后续处理过程中，该光功率变化值可被用于计算光程差的改变量，进而实现传感器的功能。

1.  一种基于光束轨道角动量的光纤传感器，其特征在于，包括激光器、光纤传感单元、扩束器及测量单元，该光纤传感单元、该扩束器及该测量单元沿该激光器输出的光的光路依次放置；
该激光器用于输出基模高斯光束；
该光纤传感单元用于将该基模高斯光束分成第一光束及第二光束，将该第一光束调制成轨道角动量光束，及利用该第二光束与该轨道角动量光束形成干涉光束并输出该干涉光束至该扩束器；
该扩束器用于对该干涉光束进行扩大；
该测量单元用于将经过该扩束器的该干涉光束分成第一子干涉光束及第二子干涉光束，测量该第一子干涉光束对应的第一光功率及该第二子干涉光束对应的第二光功率并获得该第一光功率及该第二光功率的变化值。

2.  如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，该光纤传感单元包括光纤分束器、传感光纤、液晶空间光调制器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、偏振片及第一分光棱镜；
该光纤分束器用于将该基模高斯光束分成该第一光束及该第二光束，该第一光束依次经过该第一光纤准直器、该偏振片及该第一分光棱镜进入该液晶空间光调制器，该液晶空间光调制器用于将该第一光束调制成该轨道角动量光束并传送至该第一分光棱镜；
该传感光纤连接该光纤分束器及该第二光纤准直器，并用于将该第二光束传送至该第二光纤准直器，该第二光纤准直器用于将该第二光束传送至该第一分光棱镜；
该第一分光棱镜用于将该轨道角动量光束及该第二光束形成该干涉光束并输出该干涉光束至该扩束器。

3.  如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，该光纤传感单元包括光纤分束器、传感光纤、液晶空间光调制器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、偏振片及第一分光棱镜；
该光纤分束器用于将该基模高斯光束分成该第一光束及该第二光束，该第一光束依次经过该第一光纤准直器及该偏振片进入该液晶空间光调制器，该液晶空间光调制器用于将该第一光束调制成该轨道角动量光束并传送至该第一分光棱镜；
该传感光纤连接该光纤分束器及该第二光纤准直器，并用于将该第二光束传送至该 第二光纤准直器，该第二光纤准直器用于将该第二光束传送至该第一分光棱镜；
该第一分光棱镜用于将该轨道角动量光束及该第二光束形成该干涉光束并输出该干涉光束至该扩束器。

4.  如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，该光纤传感单元包括光纤分束器、传感光纤、液晶空间光调制器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器、第四光纤准直器、偏振片及第一分光棱镜；
该光纤分束器用于将该基模高斯光束分成该第一光束及该第二光束，该第一光束依次经过该第一光纤准直器及该偏振片进入该液晶空间光调制器；
该液晶空间光调制器用于将该第一光束调制成该轨道角动量光束并将该轨道角动量光束传送至该第三光纤准直器；
该第三光纤准直器连接该传感光纤，并用于将该轨道角动量光束耦合至该传感光纤；
该传感光纤连接该第三光纤准直器及该第四光纤准直器，并用于将该轨道角动量光束传送至该第四光纤准直器，该第四光纤准直器用于将该轨道角动量光束传送至该第一分光棱镜；
该第二光纤准直器与该光纤分束器连接并用于将该第二光束传送至该第一分光棱镜；
该第一分光棱镜用于将该轨道角动量光束及该第二光束形成该干涉光束并输出该干涉光束至该扩束器。

5.  如权利要求2或4所述的光纤传感器，其特征在于，该液晶空间光调制器是反射式液晶空间光调制器。

6.  如权利要求3或4所述的光纤传感器，其特征在于，该液晶空间光调制器是透射式液晶空间光调制器。

7.  如权利要求2或3或4所述的光纤传感器，其特征在于，该测量单元包括第二分光棱镜、第三分光棱镜、第五光纤准直器、第六光纤准直器、摄像装置及光功率计；
该第二分光棱镜用于反射校正光至该摄像装置，并透射经过该扩束器的该干涉光束至该第三分光棱镜；
该摄像装置用于利用该校正光进行成像以用于校正该第五光纤准直器与该第六光 纤准直器的位置；
该第三分光棱镜用于将经过该扩束器的该干涉光束分成该第一子干涉光束及该第二子干涉光束，并将该第一子干涉光束透射至该第五光纤准直器，及将该第二子干涉光束反射至该第六光纤准直器；
该第五光纤准直器用于将该第一子干涉光束传送至该光功率计；
该第六光纤准直器用于将该第二子干涉光束传送至该光功率计；
该光功率计用于测量该第一子干涉光束对应的第一光功率及该第二子干涉光束对应的第二光功率并获得该第一光功率及该第二光功率的变化值。

8.  如权利要求4所述的光纤传感器，其特征在于，该传感光纤是轨道角动量光纤，该轨道角动量光纤从内向外依次包括：
芯层，该芯层的材料为纯石英、空气或掺有共掺杂物的石英，该共掺杂物包括氟、磷化合物中的一种；
设置在该芯层周围且掺有共掺杂剂的环形区域，该共掺杂剂包括锗；以及
设置在该环形区域周围的包层。

9.  如权利要求8所述的光纤传感器，其特征在于，该芯层的直径为500nm～6000nm，该环形区域的厚度为500nm～6000nm。

10.  如权利要求7所述的光纤传感器，其特征在于，该第五光纤准直器和该第六光纤准直器的位置相对于经过该扩束器的该干涉光束在同一个圆周上，且第五光纤准直器和第六光纤准直器相对于该圆周圆心的夹角满足其中n是正整数，L是该轨道角动量光束的阶数且为整数。

11.  如权利要求2或3所述的光纤传感器，其特征在于，该传感光纤是标准单模光纤或多模光纤。

基于光束轨道角动量的光纤传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，更具体而言，涉及一种基于光束轨道角动量相干检测的马赫曾德干涉仪型光纤传感器。
背景技术
光的轨道角动量模式是一种具有螺旋相位面的传播模式，轨道角动量的阶数可以是任意整数，且不同阶数轨道角动量的光束之间相互正交，这种独特的相位特性和拓扑结构使其在基础研究和应用研究等领域备受关注。
尽管光的轨道角动量模式已经被广泛的研究，但其在传感领域的应用依然没有相关文献，存在着技术空白。在通信领域，光的轨道角动量模式被用于提高通信容量，能够同时传输多个轨道角动量模式的新型光纤作为长距离、大容量信息传输的载体，近年来已经成为研究热点。这种新型光纤的研制使基于光束轨道角动量的光纤传感器成为一种可能。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种基于光束轨道角动量的光纤传感器。
一种基于光束轨道角动量的光纤传感器，包括激光器、光纤传感单元、扩束器及测量单元，该光纤传感单元、该扩束器及该测量单元沿该激光器输出的光的光路依次放置。
该激光器用于输出基模高斯光束。该光纤传感单元用于将该基模高斯光束分成第一光束及第二光束，将该第一光束调制成轨道角动量光束，及利用该第二光束与该轨道角动量光束形成干涉光束并输出该干涉光束至该扩束器。该扩束器用于对该干涉光束进行扩大。该测量单元用于将经过该扩束器的该干涉光束分成第一子干涉光束及第二子干涉光束，测量该第一子干涉光束对应的第一光功率及该第二子干涉光束对应的第二光功率并获得该第一光功率及该第二光功率的变化值。
上述光纤传感器中，光纤传感单元将基模高斯光束分成两束光后输出干涉光束，测量单元测量两个干涉光束的光功率变化值，在后续处理过程中，该光功率变化值可被用于计算光程差的改变量，进而实现传感器的功能。
在一些实施方式中，该光纤传感单元包括光纤分束器、传感光纤、液晶空间光调制 器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、偏振片及第一分光棱镜。该光纤分束器用于将该基模高斯光束分成该第一光束及该第二光束，该第一光束依次经过该第一光纤准直器、该偏振片及该第一分光棱镜进入该液晶空间光调制器，该液晶空间光调制器用于将该第一光束调制成该轨道角动量光束并传送至该第一分光棱镜。该传感光纤连接该光纤分束器及该第二光纤准直器，并用于将该第二光束传送至该第二光纤准直器，该第二光纤准直器用于将该第二光束传送至该第一分光棱镜。该第一分光棱镜用于将该轨道角动量光束及该第二光束形成该干涉光束并输出该干涉光束至该扩束器。
在一些实施方式中，该光纤传感单元包括光纤分束器、传感光纤、液晶空间光调制器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、偏振片及第一分光棱镜。
该光纤分束器用于将该基模高斯光束分成该第一光束及该第二光束，该第一光束依次经过该第一光纤准直器及该偏振片进入该液晶空间光调制器，该液晶空间光调制器用于将该第一光束调制成该轨道角动量光束并传送至该第一分光棱镜。该传感光纤连接该光纤分束器及该第二光纤准直器，并用于将该第二光束传送至该第二光纤准直器，该第二光纤准直器用于将该第二光束传送至该第一分光棱镜。该第一分光棱镜用于将该轨道角动量光束及该第二光束形成该干涉光束并输出该干涉光束至该扩束器。
在一些实施方式中，该光纤传感单元包括光纤分束器、传感光纤、液晶空间光调制器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器、第四光纤准直器、偏振片及第一分光棱镜。该光纤分束器用于将该基模高斯光束分成该第一光束及该第二光束，该第一光束依次经过该第一光纤准直器及该偏振片进入该液晶空间光调制器。
该液晶空间光调制器用于将该第一光束调制成该轨道角动量光束并将该轨道角动量光束传送至该第三光纤准直器。该第三光纤准直器连接该传感光纤，并用于将该轨道角动量光束耦合至该传感光纤。该传感光纤连接该第三光纤准直器及该第四光纤准直器，并用于将该轨道角动量光束传送至该第四光纤准直器，该第四光纤准直器用于将该轨道角动量光束传送至该第一分光棱镜。该第二光纤准直器与该光纤分束器连接并用于将该第二光束传送至该第一分光棱镜。该第一分光棱镜用于将该轨道角动量光束及该第二光束形成该干涉光束并输出该干涉光束至该扩束器。
在一些实施方式中，该液晶空间光调制器是反射式液晶空间光调制器。
在一些实施方式中，该液晶空间光调制器是透射式液晶空间光调制器。
在一些实施方式中，该测量单元包括第二分光棱镜、第三分光棱镜、第五光纤准直器、第六光纤准直器、摄像装置及光功率计。该第二分光棱镜用于反射校正光至该摄像装置，并透射经过该扩束器的该干涉光束至该第三分光棱镜。该摄像装置用于利用该校正光进行成像以用于校正该第五光纤准直器与该第六光纤准直器的位置。该第三分光棱镜用于 将经过该扩束器的该干涉光束分成该第一子干涉光束及该第二子干涉光束，并将该第一子干涉光束透射至该第五光纤准直器，及将该第二子干涉光束反射至该第六光纤准直器。该第五光纤准直器用于将该第一子干涉光束传送至该光功率计。该第六光纤准直器用于将该第二子干涉光束传送至该光功率计。该光功率计用于测量该第一子干涉光束对应的第一光功率及该第二子干涉光束对应的第二光功率并获得该第一光功率及该第二光功率的变化值。
在一些实施方式中，该传感光纤是轨道角动量光纤，该轨道角动量光纤从内向外依次包括：芯层，该芯层的材料为纯石英、空气或掺有共掺杂物的石英，该共掺杂物包括氟、磷化合物中的一种；设置在该芯层周围且掺有共掺杂剂的环形区域，该共掺杂剂包括锗；以及设置在该环形区域周围的包层。
在一些实施方式中，该芯层的直径为500nm～6000nm，该环形区域的厚度为500nm～6000nm。
在一些实施方式中，该第五光纤准直器和该第六光纤准直器的位置相对于经过该扩束器的该干涉光束在同一个圆周上，且第五光纤准直器和第六光纤准直器相对于该圆周圆心的夹角满足其中n是正整数，L是该轨道角动量光束的阶数且为整数。
在一些实施方式中，该传感光纤是标准单模光纤或多模光纤。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明较佳实施方式的光纤传感器的结构示意图；
图2是本发明较佳实施方式的光纤传感器的干涉图像示意图；
图3是本发明较佳实施方式的光纤传感器的光功率与光程差变化量的关系示意图；
图4是本发明较佳实施方式的光纤传感器的另一结构示意图；
图5是本发明较佳实施方式的光纤传感器的另一干涉图像示意图；
图6是本发明较佳实施方式的光纤传感器的光功率与光程差变化量的另一关系示意图；
图7是本发明较佳实施方式的光纤传感器的再一结构示意图；
图8是本发明较佳实施方式的光纤传感器所用的传感光纤的截面示意图；及
图9是本发明较佳实施方式的光纤传感器的又一结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设定进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设定之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
请参阅图1，本发明第一较佳实施方式的基于光束轨道角动量的光纤传感器100包括激光器102、光纤传感单元104、扩束器106及测量单元108，该光纤传感单元104、该扩束器106及该测量单元108沿该激光器102输出的光的光路依次放置。
该激光器102用于输出基模高斯光束。例如，该基模高斯光束的波长为1550nm。
该光纤传感单元104用于将该基模高斯光束分成第一光束及第二光束，将该第一光束调制成轨道角动量光束，及利用该第二光束与该轨道角动量光束形成干涉光束并输出该干涉光束至该扩束器106。
具体地，光纤传感单元104包括光纤分束器110、传感光纤112、液晶空间光调制器114、第一光纤准直器116、第二光纤准直器118、偏振片120及第一分光棱镜122。
该光纤分束器110用于将该基模高斯光束分成该第一光束及该第二光束两路光束。该第一光束依次经过该第一光纤准直器116、该偏振片120及该第一分光棱镜122进 入该液晶空间光调制器114。本实施方式中，该第一分光棱镜122是非偏振分光棱镜。
第一光束在经过该第一光纤准直器116后变为平行光。之后，第一光束通过偏振片120，被第一分光棱镜122反射至液晶空间光调制器114。
该液晶空间光调制器114用于将该第一光束调制成该轨道角动量光束并传送至该第一分光棱镜122。例如，液晶空间光调制器114将第一光束调制为L阶轨道角动量光束。本实施方式中，该液晶空间光调制器114是反射式液晶空间光调制器。液晶空间光调制器114将轨道角动量光束反射至第一分光棱镜122。
该传感光纤112连接该光纤分束器110及该第二光纤准直器118，并用于将该第二光束传送至该第二光纤准直器118。本实施方式中，传感光纤112为G.652标准单模光纤。可以理解，在其它实施方式中，该传感光纤112可以是其它标准单模光纤或多模光纤。
该第二光纤准直器118用于将该第二光束传送至该第一分光棱镜122。第二光束经过第二光纤准直器118后变为平行光束入射至第一分光棱镜122。
该第一分光棱镜122用于将该轨道角动量光束及该第二光束形成该干涉光束并输出该干涉光束至该扩束器106。分别到达第一分光棱镜122的轨道角动量光束与第二光束在第一分光棱镜122中干涉形成干涉光束并传输至该扩束器106。
该扩束器106用于对该干涉光束进行扩大形成扩束光。
该测量单元108用于将经过该扩束器106的该干涉光束分成第一子干涉光束及第二子干涉光束，测量该第一子干涉光束对应的第一光功率及该第二子干涉光束对应的第二光功率并获得该第一光功率及该第二光功率的变化值。
具体地，该测量单元108包括第二分光棱镜124、第三分光棱镜126、第五光纤准直器128、第六光纤准直器130、摄像装置132及光功率计134。
该第二分光棱镜124用于反射校正光至该摄像装置132，并透射经过该扩束器106的该干涉光束至该第三分光棱镜126。该校正光可用于在光纤传感器100测量前，校正第五光纤准直器128及第六光纤准直器130的位置。
该摄像装置132用于利用该校正光进行成像以用于校正该第五光纤准直器128与该第六光纤准直器130的位置。该摄像装置132可为红外线摄像机。例如，在光纤传感器100测量前，可在第二光纤准直器118的入光端放置一校正用光源(图未示)，如红外线光源。该校正用光源发射的校正光通过第二光纤准直器118进入第一分光棱镜122。激光器102发射的光束经光纤分束器110、第一光纤准直器116、偏振片120、第一分光棱镜122及液晶空间光调制器114进入第一分光棱镜122。第一光束及校正光在第一分光棱镜122中干涉产生校正用干涉光。该校正用干涉光通过扩束器106后 到达第二分光棱镜124。一部分校正用干涉光经第二分光棱镜124进入摄像装置132。可根据摄像装置132上观察到的干涉光图像来放置第五光纤准直器128和第六光纤准直器130，使第五光纤准直器128和第六光纤准直器130的位置相对于经过扩束器106的扩束光在同一个圆周上。
该第三分光棱镜126用于该干涉光束分成该第一子干涉光束及该第二子干涉光束，并将该第一子干涉光束透射至该第五光纤准直器128，及将该第二子干涉光束反射至该第六光纤准直器130。本实施方式中，该第二分光棱镜124及第三分光棱镜126均是非偏振分光棱镜。
该第五光纤准直器128用于将该第一子干涉光束传送至该光功率计134。该第六光纤准直器130用于将该第二子干涉光束传送至该光功率计134。
该光功率计134用于测量该第一子干涉光束对应的第一光功率及该第二子干涉光束对应的第二光功率并获得该第一光功率及该第二光功率的变化值。
在光纤传感器100实验前，可根据红外摄像装置132上观察到的样正用干涉光所形成的干涉图像来放置第五光纤准直器128和第六光纤准直器130，使第五光纤准直器128和第六光纤准直器130的位置相对于经过扩束器106的扩束光而言在同一个圆周上，且第五光纤准直器128和第六光纤准直器130相对于该圆周圆心的夹角α满足其中n是正整数，例如n可以干涉光束的周期，L为轨道角动量光束的阶数，且为整数。传感光纤112是光纤传感器100的传感部分。外界因素改变引起传感光纤112的长度、形状等改变从而引入光程差的变化，使干涉光束变化，进而使第五光纤准直器128接收的第一子干涉光束和第六光纤准直器130接收的第二子干涉光束的光功率变化。该光功率变化值可由光功率计134测量所得。而根据光功率计134测量的光功率变化值可以计算得到光程差的改变量，进而实现传感器的功能。
例如，在利用红外线校正第五光纤准直器128和第六光纤准直器130时，摄像装置132观察到的干涉光强分布图如图2所示。第五光纤准直器128和第六光纤准直器130的放置以及其相对于扩束光的位置如图2所示，其中第五光纤准直器128和第六光纤准直器130相对于圆周圆心的角度α＝45°。
在进行实验时，液晶空间光调制器114将第一光束调制为L＝-1阶轨道角动量光束。调节第二光纤准直器118的位置，使光程差增加1个波长时，干涉条纹逆时针旋转360°，光功率计134中测量得到第一子干涉光束和的光功率和第二子干涉光束的光功率分别如图3中的圆点和空心方框所示，图3中的实曲线和虚曲线分别是功率测量值的拟合曲线。
根据第五光纤准直器128所接受到的第一子干涉光束的光功率曲线比第六光纤准直器130所接受到的第二子干涉光束的光功率曲线超前约四分之一个相位，可以判断光程差是在 增大，根据光功率值的变化量可以得到光程差变化的具体值，因而实现传感器的功能。
综上所述，上述光纤传感器100中，光纤传感单元104将基模高斯光束分成两束光后输出干涉光束，测量单元108测量两个干涉光束的光功率变化值，在后续处理过程中，该光功率变化值可被用于计算光程差的改变量，进而实现传感器的功能。
进一步地，本发明中基于光束轨道角动量的光纤传感器100，首次将轨道角动量模式用于传感领域。该光纤传感器100是一种新型的马赫曾德干涉仪型光纤传感器，利用了光束轨道角动量相干检测，其测量精度可以达到亚波长量级，能够完成对温度、压力、弯曲形变等变量的测量。通过光功率计134测量两个光纤准直器128、130接收光功率的变化，可以测量出光程差变化量的大小和变化方向。随着所使用的轨道角动量模式阶数的绝对值|L|提高，其测量精度逐渐下降，这样就可以通过改变|L|的值来改变测量精度，从而在不同的应用场景选择合适的测量精度，提高测量效率。
请参图4，本发明第二较佳实施方式提供一种光纤传感器200。本实施方式的光纤传感器200与第一较佳实施方式的光纤传感器100基本相同，其不同之在于：本实施方式的光纤传感单元202不同。
本实施方式的光纤传感单元202包括光纤分束器204、传感光纤206、液晶空间光调制器208、第一光纤准直器210、第二光纤准直器212、偏振片214及第一分光棱镜216。
该光纤分束器204用于将激光器218输出的基模高斯光束(例如波长是1550nm)分成第一光束及第二光束，该第一光束依次经过该第一光纤准直器210及该偏振片214进入该液晶空间光调制器208。第一光束在经过该第一光纤准直器210后变为平行光。之后，第一光束通过偏振片214进入液晶空间光调制器208。
该液晶空间光调制器208用于将该第一光束调制成轨道角动量光束并传送至该第一分光棱镜216。例如，液晶空间光调制器208将第一光束调制为L阶轨道角动量光束。本实施方式中，液晶空间光调制器208是透射式液晶空间光调制器。液晶空间光调制器208将轨道角动量光束透射至第一分光棱镜216。
该传感光纤206连接该光纤分束器204及该第二光纤准直器212，并用于将该第二光束传送至该第二光纤准直器212，该第二光纤准直器212用于将该第二光束传送至该第一分光棱镜216。本实施方式中，传感光纤206为G.652标准单模光纤。可以理解，在其它实施方式中，该传感光纤206可以是其它标准单模光纤或多模光纤。
该第一分光棱镜216用于将该轨道角动量光束及该第二光束形成该干涉光束并输出该干涉光束至扩束器220。
实验时，摄像装置222观察到的干涉光强分布图如图5所示。第五光纤准直器224和第六光纤准直器226相对于圆周圆心的角度α＝5°。
液晶空间光调制器208将第一光束调制为L＝+10阶轨道角动量光束。调节第二光纤准直器212的位置，使光程差增加10个波长时，干涉条纹逆时针旋转360°。光功率计228中测量得到第一子干涉光束的光功率和第二子干涉光束的光功率分别如图6中的虚曲线和实曲线所示。
根据第五光纤准直器224所接受到的第一子干涉光束的光功率曲线比第六光纤准直器226所接受到的第二子干涉光束的光功率曲线超前约四分之一个相位，可以判断光程差是在增大，根据光功率值的变化量可以得到光程差变化的具体值。由于L＝10，光程差每变化1个波长，干涉条纹旋转36°。因此本实施例中的光纤传感器200的测量精度比第一较佳实施方式的光纤传感器100的测量精度低，实现了测量精度变换的功能。
请参图7，本发明第三较佳实施方式提供一种光纤传感器300。本实施方式的光纤传感器300与第一较佳实施方式的光纤传感器100基本相同，其不同之处在于：本实施方式的光纤传感单元302不同。
本实施方式的光纤传感单元302包括光纤分束器304、传感光纤306、液晶空间光调制器308、第一光纤准直器310、第二光纤准直器312、第三光纤准直器314、第四光纤准直器316、偏振片318及第一分光棱镜320。
该光纤分束器304用于将激光器322输出的基模高斯光束(例如波长是1550nm)分成第一光束及第二光束，该第一光束依次经过该第一光纤准直器310及该偏振片318进入该液晶空间光调制器308。第一光束在经过该第一光纤准直器310后变为平行光。之后，第一光束通过偏振片318进入液晶空间光调制器308。
该液晶空间光调制器308用于将该第一光束调制成轨道角动量光束并将该轨道角动量光束传送至该第三光纤准直器314。例如，液晶空间光调制器308将第一光束调制为L阶轨道角动量光束。本实施方式中，该液晶空间光调制器308是反射式液晶空间光调制器。液晶空间光调制器将308轨道角动量光束反射至第三光纤准直器314。
该第三光纤准直器314连接该传感光纤306，并用于将该轨道角动量光束耦合至该传感光纤306。
该传感光纤306连接该第三光纤准直器314及该第四光纤准直器316，并用于将该轨道角动量光束从该第三光纤准直器314传送至该第四光纤准直器316。本实施方式中，该传感光纤306是轨道角动量光纤，该轨道角动量光纤306从内向外依次包括：芯层、设置在该芯层周围且掺有共掺杂剂的环形区域及设置在该环形区域周围的包层。
作为进一步优选地，该芯层的材料为纯石英、空气或掺有共掺杂物的石英。该共掺杂物包括氟、磷化合物中的一种。
作为进一步优选地，该共掺杂剂包括锗。
作为进一步优选地，芯层直径为500nm～6000nm。
作为进一步优选地，掺有共掺杂剂的环形区域的厚度为500nm～6000nm。
该第四光纤准直器316用于将该轨道角动量光束传送至该第一分光棱镜320。
该第二光纤准直器与该光纤分束器连接并用于将该第二光束传送至该第一分光棱镜。本实施方式中，第二光纤准直器312通过传输光纤324与光纤分束器304连接，传输光纤324可为标准单模光纤或多模光纤，例如是G.652标准单模光纤。
该第一分光棱镜320用于将该轨道角动量光束及该第二光束形成该干涉光束并输出该干涉光束至扩束器326。
实验时，液晶空间光调制器308将第一光束调制为L＝1阶轨道角动量光束，并通过第三光纤准直器314耦合至传感光纤306传输，然后通过第四光纤准直器316出射并透射过第一分光棱镜320。第二光束与平行轨道角动量光束在第一分光棱镜320中干涉，干涉光束经过扩束器326成为扩束光，经扩束器326后的该干涉光进入第三分光棱镜328后分成第一子干涉光束及第二子干涉光束，分别由第五光纤准直器330和第六光纤准直器332接收，并由光功率计334测量接收到的光功率。本实验中，传输光纤324为G.652标准单模光纤，传感光纤306的芯层是纯石英，芯层直径为1500nm，环形区域掺杂锗，环形区域的厚度为2000nm。如图8所示为光学显微镜观察到的轨道角动量光纤306横截面图。本实施方式的光纤传感器300的其它实验过程，可参以上实施方式的光纤传感器的具体实验过程，在此不再详细展开。
综上所述，上述光纤传感器300中，光纤传感单元302将基模高斯光束分成两束光后输出干涉光束，测量单元测量两个干涉光束的光功率变化值，在后续处理过程中，该光功率变化值可被用于计算光程差的改变量，进而实现传感器的功能。
请参图9，本发明第四较佳实施方式提供一种光纤传感器400。本实施方式的光纤传感器400与第一较佳实施方式的光纤传感器100基本相同，其不同之处在于：本实施方式的光纤传感单元402不同。
本实施方式的光纤传感单元402包括光纤分束器404、传感光纤406、液晶空间光调制器408、第一光纤准直器410、第二光纤准直器412、第三光纤准直器414、第四光纤准直器416、偏振片418及第一分光棱镜420。
该光纤分束器404用于将激光器422输出的基模高斯光束(例如波长是1550nm)分成第一光束及第二光束，该第一光束依次经过该第一光纤准直器410及该偏振片418进入该液晶空间光调制器408。第一光束在经过该第一光纤准直器410后变为平行光。之后，第一光束通过偏振片418进入液晶空间光调制器408。
该液晶空间光调制器408用于将该第一光束调制成轨道角动量光束并将该轨道角 动量光束传送至该第三光纤准直器414。例如，液晶空间光调制器408将第一光束调制为L阶轨道角动量光束。本实施方式中，该液晶空间光调制器408是透射式液晶空间光调制器。液晶空间光调制器408将轨道角动量光束透射至第三光纤准直器414。
该第三光纤准直器414连接该传感光纤406，并用于将该轨道角动量光束耦合至该传感光纤406。
该传感光纤406连接该第三光纤准直器414及该第四光纤准直器416，并用于将该轨道角动量光束从该第三光纤准直器414传送至该第四光纤准直器416。本实施方式中，该传感光纤406是轨道角动量光纤，该轨道角动量光纤406从内向外依次包括：芯层、设置在该芯层周围且掺有共掺杂剂的环形区域及设置在该环形区域周围的包层。
作为进一步优选地，该芯层的材料为纯石英、空气或掺有共掺杂物的石英。该共掺杂物包括氟、磷化合物中的一种。
作为进一步优选地，该共掺杂剂包括锗。
作为进一步优选地，芯层直径为500nm～6000nm。
作为进一步优选地，掺有共掺杂剂的环形区域的厚度为500nm～6000nm。
该第四光纤准直器416用于将该轨道角动量光束传送至该第一分光棱镜420。
该第二光纤准直器412与该光纤分束器404连接并用于将该第二光束传送至该第一分光棱镜420。本实施方式中，第二光纤准直器412通过传输光纤424与光纤分束器404连接，传输光纤424可为标准单模光纤或者多模光纤，例如是G.652标准单模光纤。
该第一分光棱镜420用于将该轨道角动量光束及该第二光束形成干涉光束并输出该干涉光束至扩束器426。
本实施方式的光纤传感器400的具体实验过程，可参以上实施方式的光纤传感器的实验过程，在此不再详细展开。
综上所述，上述光纤传感器400中，光纤传感单元402将基模高斯光束分成两束光后输出干涉光束，测量单元测量两个干涉光束的光功率变化值，在后续处理过程中，该光功率变化值可被用于计算光程差的改变量，进而实现传感器的功能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。