CN102253390A - 一种光纤位移干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤位移干涉仪，其特点是：所述的光纤位移干涉仪中的光纤衰减器与光纤耦合器之间还依次连接有相位调制器、偏振控制器和在线功率计；光纤环形器的另外一个端口与波分复用器的一个端口连接，波分复用器的另外两个端口分别与光纤探头和可见光激光器连接。本发明的光纤位移干涉仪能够有效改善光纤位移干涉仪的信号质量和使用安全性，使干涉仪的调试更加简便。
Description
技术领域
本发明属于激光测试仪器技术领域，具体涉及一种利用激光多普勒效应、光束干涉原理和光纤结构设计的用于瞬态速度测量的光纤位移干涉仪。
背景技术
激光位移干涉仪是基于多普勒效应和光束干涉原理基础上的测速仪器，其工作原理如下：激光照射在待测运动物体的表面，反射的激光因多普勒（Doppler）效应会产生与运动物体速度成正比的频移，令频移的反射光与激光器本征光发生干涉，干涉频率的变化反映了运动速度的变化，通过得到干涉频率随时间变化的历史从而可以非接触地、连续测量运动物体表面的速度、位移和加速度的变化过程。
激光位移干涉仪和激光速度干涉仪是冲击波物理和爆轰物理研究领域内重要的测试仪器。早期的激光位移干涉仪是有离散光学元器件（如分束镜和反射镜）组成的迈克尔逊干涉仪，由于只能用来测试镜面反射面运动，另外当时的光电转换器和示波器记录记录带宽无法满足要求，所以应用范围十分有限，主要是激光速度干涉仪担任测试的主角。
光纤通信技术和高速光电器件的发展使光纤位移干涉仪迅速发展起来，2004年美国劳伦斯·利弗莫尔实验室（LLNL）在UCRL-CONF-206034会议上发表了一篇文章（Velocimetry using heterodyne techniques），文章中介绍了信号光和参考光同轴传输的光纤位移干涉仪及其应用。中国工程物理研究院流体物理研究所在美国《应用物理快报》（APPLIED PHYSICS LETTERS）杂志2006年第89卷发表了一篇相关文章，文章题目为《具有皮秒时间分辨率的全光纤位移干涉仪》（Optical-fiber interferometer for velocity measurements with picosecond resolution），该文章介绍了一种具有皮秒时间分辨率能够测量任意反射面运动速度的全光纤位移干涉仪，简称DISAR（displacement interferometer system for any reflector），DISAR采用信号光和参考光分离的结构，并且采用3×3光纤耦合器作为信号解调器件。中国专利文献数据库公开了名称为《一种全光纤位移干涉仪》（专利号：200510022172.X）的发明专利技术。该专利技术的光纤位移干涉仪主要用于冲击波物理和爆轰物理的速度测量。在光纤位移干涉仪测量速度中，探头接收激光功率大小决定着干涉信号的质量好坏。为了判断探头接收光功率的大小，通常采用拨动光纤的方法，通过观察干涉信号的幅度大小来判断光功率的大小，但是拨动光纤的方法产生的干涉信号幅度和频率都不稳定，无法定量判断。另外偏振色散效应使光纤位移干涉仪两支路激光的偏振态不一致，造成干涉信号幅度的下降。最后，由于光纤位移干涉仪采用波长为1550 nm的不可见激光，使用者的身体容易受到激光照射，存在安全隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光纤位移干涉仪。
本发明的光纤位移干涉仪中的激光器、光纤隔离器、光纤分束器依次相连，光纤分束器分成两个支路：一条支路与光纤衰减器连接；另外一条支路依次与光纤环形器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤衰减器和在线功率计连接；两条支路的终点分别与光纤耦合器的两个输入端口连接，光纤耦合器的输出端口与光电转换器连接。所述干涉仪中的器件均采用单模光纤相连；其特点是：所述的光纤衰减器与光纤耦合器之间还依次连接有相位调制器、偏振控制器和在线功率计；光纤环形器的另外一个端口与波分复用器的一个端口连接，波分复用器的另外两个端口分别与光纤探头和可见光激光器连接。
本发明中的在线功率计采用尾纤结构直接连接在光纤上，实时显示和输出光纤中激光功率。配合光强衰减器，调节两支路光强一致，从而获得高条纹对比度的实验信号，同时在线功率计输出实验中的支路光功率，有利于实验信号的分析和处理。
本发明中的相位调制器可以放置光纤位移干涉仪两条支路的任意支路。在光纤位移干涉仪测量速度中，探头接收激光功率大小决定着干涉信号的质量好坏。为了判断探头接收光功率的大小，通常采用拨动光纤的方法，通过观察干涉信号的幅度大小来判断光功率的大小，但是拨动光纤的方法产生的干涉信号幅度和频率都不稳定，无法定量判断。相位调制器采用尾纤结构直接连接在光纤上，采用信号发生器驱动，可以产生幅度和频率稳定的实验调试信号，通过观察调试信号的幅度便可以知道探头接收光的大小，有利于获得质量更好的实验信号。
本发明中的偏振控制器可以放置在光纤位移干涉仪两支路的任意支路，直接连接在光纤上。激光在光纤中传输时，其偏振态由于受到光纤偏振模式色散的影响会随着光纤长度发生变化，通过调节偏振控制器可以改变光纤中激光的偏振态。光纤位移干涉仪调试时，开启相位调制器，调节偏振控制器，直至获得最大的调制信号幅度，这时两支路偏振态处于最佳吻合状态。
本发明的光纤位移干涉仪，波分复用器连接在环形器和光纤探头之间，另外一个端口连接可见光激光器，波分复用器使光纤探头同时出射1550 nm不可见激光和可见光激光，一方面方便实验的调试；另一方面能够有效防止不可见激光照射人眼或其它易被激光损伤物体，避免不可见激光潜在危险的产生。
本发明的光纤位移干涉仪能够有效改善光纤位移干涉仪的信号质量，消除光纤位移干涉仪所用激光不可见造成的安全隐患。本发明的光纤位移干涉仪信号质量更好，调试更加简单，使用也更加安全。
附图说明
图1为本发明的光纤位移干涉仪的结构示意图。
图中，1.激光器 2.光纤隔离器 3.光纤分束器 4.光纤环形器 5.波分复用器 6.光纤探头 7.光纤衰减器Ⅰ 8.光纤放大器 9.可见光激光器 10.相位调制器 11.光纤滤波器 12.偏振控制器 13.光纤衰减器Ⅱ 14.在线功率计Ⅰ 15.在线功率计Ⅱ 16.光纤耦合器 17.光电转换器Ⅰ 18.光电转换器Ⅱ 19.光电转换器Ⅲ。
具体实施方式
图1为本发明的光纤位移干涉仪的结构示意图。从图中可以看出，本发明的光纤位移干涉仪中含有激光器1、光纤隔离器2、光纤分束器3、光纤环形器4、波分复用器5、可见光激光器9、光纤探头6、光纤衰减器、光纤放大器8、光纤滤波器11、相位调制器10、偏振控制器12、在线功率计、光纤耦合器16和光电转换器，这些器件均采用单模光纤连接。激光器1、光纤隔离器2和光纤分束器3依次相连，光纤分束器3分出两路激光：其中的一路为信号光支路；另外一路为参考光支路。信号光支路中的光纤环形器4、光纤放大器8、光纤滤波器11和光纤衰减器Ⅱ13依次连接，光纤环形器4的另外一个端口与波分复用器5和光纤探头6相连接，波分复用器5与可见光激光器9连接。参考光支路中的光纤衰减器Ⅰ7、相位调制器10、偏振控制器12和在线功率计Ⅰ14依次连接。两条支路的终点分别与光纤耦合器16的两个输入端口连接，光纤耦合器16的输出端口连接光电转换器Ⅰ17、光电转换器Ⅱ18和光电转换器Ⅲ19。在光纤衰减器Ⅱ13与光纤耦合器16之间连接有在线功率计Ⅱ15.
本发明的光纤位移干涉仪的工作过程是：激光器1发射的激光被光纤分束器3分成信号光支路和参考光支路两路激光。信号光支路通过光纤探头6照射到运动靶面上，运动靶面的反射光产生多普勒频移，频移的大小与运动靶面的速度成正比。光纤探头6同时接收从运动靶面返回多普勒频移光。由于参考光支路的激光没有多普勒频移，所以信号光与参考光在光纤耦合器16中形成的干涉信号的频率即为频移，反映了靶面的运动速度。光电转换器Ⅰ 17、光电转换器Ⅱ18和光电转换器Ⅲ19记录下干涉信号，通过对干涉信号进行处理，便可以获得靶面的速度和位移。
由于可见激光与1550 nm激光的波分复用器并不是常用的复用波长，本发明的实施例中采用光通信行业中常用的波分复用器，如采用980 nm/1550 nm波分复用器，探测激光的波长与波分复用器的复用波长一致，都为1550nm，可见光激光器9接在980 nm端口上。
本发明的实施例中的光纤分束器采用1×2光纤分束器，也可采用2×2光纤分束器替代。本发明的实施例中的光纤耦合器采用3×3光纤耦合器，也可采用2×2光纤耦合器或2×1光纤耦合器等替代。
本发明的实施例中的相位调制器10和偏振控制器12也可以连接在信号光支路中，如分束器和环行器之间，环行器和耦合器之间的任意位置。但是为了避免对信号支路光功率的衰减，最好把相位调制器和偏振控制器连接在参考光路中。
Claims (2)
1.一种光纤位移干涉仪，所述干涉仪中的激光器（1）、光纤隔离器（2）、光纤分束器（3）依次相连，光纤分束器分成两条支路：一条支路与光纤衰减器Ⅰ（7）连接；另外一条支路依次与光纤环形器（4）、光纤放大器（8）、光纤滤波器（11）、光纤衰减器Ⅱ（13）连接，两条支路的终点分别与光纤耦合器（16）的两个输入端口连接，光纤耦合器（16）的输出端口连接光电转换器；所述干涉仪中的器件均采用单模光纤连接，其特征在于：所述的光纤衰减器Ⅰ（7）与光纤耦合器（16）之间还依次连接有相位调制器（10）、偏振控制器（12）和在线功率计Ⅰ（14）；光纤环形器（4）的另外一个端口与波分复用器（5）的一个端口连接，波分复用器（5）的另外两个端口分别与光纤探头（6）、可见光激光器（9）连接；在光纤衰减器Ⅱ（13）与光纤耦合器（16）之间连接有在线功率计Ⅱ（15）。
2.根据权利要求1所述的光纤位移干涉仪，其特征在于：所述的波分复用器（5）的其中一个复用波长与探测激光波长一致。
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