CN102818910A

CN102818910A - 使用强色散介质的相对运动传感器

Info

Publication number: CN102818910A
Application number: CN2011101547695A
Authority: CN
Inventors: 王汝涌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明公开了一种用强色散介质的相对运动传感器，它由一个光源、一个含有一段强色散介质并各部分间有相对运动的波导回路、一个分光/合光器，把从光源发出的光束分成在回路中传播的两束光并把它们再合并、一个测量两束光间的传播时间差的探测器组成。当回路固定到有着相对运动的两个物体时，根据探测器测到的传播时间差可以得到相对运动的速度。本发明的优点是使用一段强色散介质，这样两光束传播时间差按介质群折射率增加，因此相对运动传感器的灵敏度可极大地提高。

Description

使用强色散介质的相对运动传感器

技术领域

本发明涉及的是相对运动传感器，具体涉及一种使用强色散介质的相对运动传感器。

背景技术

在机械测量中，测量两个物体间的直线相对运动速度传统上是用多普勒效应法或磁线圈法。根据推广的Sagnac效应，用一个光学回路可以探测相对运动，然而用强色散介质的话，相对运动传感器的灵敏度可以按介质群折射率增加，因此可以构造一个极高灵敏度的相对运动传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一个灵敏度极高的使用强色散介质的相对运动传感器。

为了实现这一目的，本发明的技术方案如下：一种使用强色散介质的相对运动传感器由一个光源、一个含有一段强色散介质并各部分间有相对运动的波导回路、一个分光/合光器，把从光源发出的光束分成在回路中传播的两束光并把它们再合并、一个测量两束光间的传播时间差的探测器组成。这个波导回路可以有多个圈数、有各种形状、并且各个部分有各种相对运动的形式。

本发明的另一目的在于提供一个灵敏度极高的探测相对运动的方法。

为了实现这一目的，本发明的技术方案如下：一种探测相对运动的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：选择一个含有一段强色散介质并各部分间有相对运动的波导回路、由光源发出一个光束、把光束分成在回路中传播的两束光、把它们合并、测量两束光间的传播时间差、把传播时间差转换成相对运动的速度。

本发明的优点是使用一段强色散介质，这样两光束传播时间差按介质群折射率增加，因此相对运动传感器的灵敏度用强色散介质可极大地提高。

附图说明

图1为一个任意形状的光学回路。

图2为一个光学准平行四边形，它的各部分间有相对运动。

图3为一个有一段强色散介质的光学准平行四边形，它的各部分间有相对运动。

图4为一个光学上很稳定的光学准平行四边形。

具体实施方式

推广的Sagnac效应的实验指出在运动的光纤中，两个相向传播的光束间有一个传播时间差。图1是一个任意形状的光学回路，图中1为光源，2为分光/合光器，3为探测器。当一段玻璃光纤相对于该回路的其它部份运动时会产生一个相向传播的光束间的传播时间差，Δt＝2v·dl/c²，其中v是光纤段相对于回路其它部分的速度，dl是光纤段矢量。图2为一光学准平行四边形，图中4为光源，5为分光器，6为合光器，7为探测器。当顶边相对于底边以速度v运动时，总的传播时间差是Δt＝vl/c²，其中l是顶边的长度(左右两边的传播时间差互相抵消)。

然而，当在一个波导回路中，使用强色散介质的话，传播时间差可以极大地增加。因此，我们设计一个波导回路，在该波导回路中包括第一顶边、第二顶边以及连接该第一顶边和第二顶边的连接光路，该第一顶边和第二顶边之间做相对运动，第一顶边和第二顶边之一采用强色散介质。在该实施例中，第一顶边采用强色散介质。

图3为本发明的一个实施例，在该实施例中，有一个含有一段强色散介质的光学准平行四边形，它的各部分间有相对运动。当回路第一顶边是一强色散介质并以速度v运动，介质中的光速c₁是c₁＝(c/n₁)+(1-1/n₁ ²)v

其中n₁是介质的折射率。

由于当该第一顶边以速度v运动时有多普勒效应，Δω＝aωv/c(a为多普勒效应系数，小於1，和准平行四边形形状有关，ω为光频率)，介质的折射率n₁与无多普勒效应时的折射率n₁₀比较成为

n₁＝n₁₀-Δn＝n₁₀-Δω(dn/dω)＝n₁₀-(aωv/c)(dn/dω)＝n₁₀-(av/c)(n_g1-n₁₀)≈n₁₀-n_g1(av/c)

其中n_g1是介质群折射率。

在该第一顶边中的光的传播时间是

t₁＝l/(c₁-v)＝n₁₀l/c+vl/c²-n_g1avl/c²

可以看到，如果在第二顶边的光的传播时间保持不变(如第二顶边是一空气核光纤)，两顶边的传播时间差有一个额外项，n_g1avl/c²，即两顶边的传播时间差按介质群折射率增加。对一个慢光介质，群折射率可达10⁸，因此相对运动传感器的灵敏度用慢光介质可极大地提高。

如图3所示，如果光学准平行四边形的第一顶边固定在一个物体，第二顶边固定在另一个物体，当两个物体间有一相对运动时，回路将探测出一个与相对速度v成正比的时间差Δt＝n_g1avl/c²，或相位差Δφ＝2πn_g1avl//cλ。如果探测器测量一光学回路的相位移的灵敏度是10^-3rad.(一个不高的要求)，当第一顶边长度l＝1m，光波长λ＝10^-6m，我们可以测到线性速度v＝Δφcλ/2πn_g1al＝0.5nm/s，即用不高要求的探测器，就有纳米级灵敏度的运动传感器。

用强色散介质的相对运动传感器的构造见图3。它包括光源11、一波导回路12、它有一段强色散介质13并各部分间有相对运动、把光源发出的光分成两束在回路中传播的分光器14、把两束光合并的合光器15、以及一个测量两束光的传播时间差的探测器16。

用强色散介质的相对运动传感器的另一个构造见图4。它包括光源21、一波导回路22、它有一段强色散介质23并各部分间有相对运动、把光源发出的光分成两束在回路中传播并合并的分光/合光器24、以及一个测量两束光的传播时间差的探测器25。这个结构在光学上是稳定的。

上述只是本发明的具体实施例，本领域的技术人员显然可以以等同替换的方式对本发明进行各种修改和实现。另外，上述实施例并不能作为对本发明的限制，上述实施例可以在本发明的权利要求范围内进行修改和变化。因此，下面的权利要求才是对本发明保护范围的要求。

Claims

1.一种用强色散介质的相对运动传感器，其特征在于它的组成如下：

光源;

光波导回路，它至少有一段强色散介质，并该波导回路各部分间有相对运动;

分光/合光器，它把所述光源发出的光束分成两束并在所述回路中传播，并把所述两束光合并;

传播时间差探测器，用来测量所述两束光的传播时间差。

2.根据权利要求1 所述的一种用强色散介质的相对运动传感器，其中所述的强色散介质是一慢光介质。

3.根据权利要求1 所述的一种用强色散介质的相对运动传感器，其中所述的强色散介质是一有负群折射率的介质。

4.根据权利要求1 所述的一种用强色散介质的相对运动传感器，其中所述的光源包括发出强色散介质工作所需的泵浦光源。

5.根据权利要求1 所述的一种用强色散介质的相对运动传感器，其中所述的光波导回路有多个圈数、有各种形状、并且各个部分有各种相对运动的形式。

6.一种用强色散介质的探测相对运动的方法，其特征在于它包括：

选择光波导回路，该光波导回路有一段强色散介质并各部分间有相对运动;

从光源发出光束;

把所述光源发出的光束分成两束并在所述回路中传播;

把所述两束光合并;

测量所述两束光的传播时间差;

把所述传播时间差转换成相对运动的速度。

7.根据权利要求 6所述的一种用强色散介质的探测相对运动的方法，其中所述的强色散介质是一慢光介质。

8.根据权利要求 6 所述的一种用强色散介质的探测相对运动的方法，其中所述的强色散介质是一有负群折射率的介质。

9.根据权利要求 6 所述的一种用强色散介质的探测相对运动的方法，其中所述的光源包括发出强色散介质工作所需的泵浦光源。

10.根据权利要求 6 所述的一种用强色散介质的探测相对运动的方法，其中所述的光波导回路有多个圈数、有各种形状、并且各个部分有各种相对运动的形式。