CN103743552B - 一种大量程连续光程延迟线的标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计属于光纤传感与光学测量领域，具体涉及到了一种大量程连续光程延迟线的标定装置。一种大量程连续光程延迟线的标定装置，包括：宽谱光源、2×2耦合器、连续光程延迟线、光电信号转换与信号记录装置，宽谱光源通过一段传输光纤与2×2耦合器的第一输入端相连，2×2耦合器的两个输出端分别连接干涉仪的两个传输臂；其中固定臂中是由固定长度的周期性延迟器和光学反射镜连接组成；而光程扫描臂则是由连续光程延迟线构成，2×2耦合器的第二输入端与光电信号转换与信号记录装置相连接。本发明借助于固定长度周期性延迟器本身具有的特性以及程控位移台的高精度扫描，实现了对光程延迟量的高精度测量，延迟精度可达fs量级。

Description

一种大量程连续光程延迟线的标定装置

技术领域

本发明设计属于光纤传感与光学测量领域，具体涉及到了一种大量程连续光程延迟线的标定装置。

背景技术

近些年来，光纤传输在通信领域得到了广泛的应用，并且得到了快速的发展。而各种光纤器件的研究和应用也随之涌现出来。作为新型信号处理器件的光纤延迟线（FiberDelayLine，FDL）已经从最初简单的一段光纤发展到现阶段具有多种复杂结构的独立器件，成为光信息处理技术中的关键器件之一，具有多种信号处理功能，如在光纤传感与光学测量系统中参与实现测量信号的采集与传输、在光纤通信系统中实现信号的编码与缓存、在光控相控阵天线系统中实现微波信号的精确相位分配与控制、雷达回波信号的相关除噪等。相比传统的延迟线（如电缆延迟线、石英延迟线等），光纤延迟线具有工作频率高、带宽大、损耗低、结构简单、易实现多位延迟、抗电磁干扰能力强、保密性好、重量轻及性价比高等特点，应用前景广阔。

但由于在不同条件下，需要不同的延迟时间，所以就要求延迟器件能够实现延迟时间的可调。而目前常用的可变光延迟线由多条光纤或者光波导组成，每条光路长度不同，通过级联光开关的选择，使得光信号可以通过不同长度的光纤或波导，从而获得不同的延迟时间，但是就目前而言，光延迟线存在若干缺点：1、增量可调型延迟线具有较大的延迟范围，但非连续可调；2、连续可调型延迟线的调节精度高，但延迟范围通常较小，通常在几百ps以下；3、延迟线连接损耗大、精度低。而这些缺点也大大限制了光学延迟线的应用范围。所以如何能够实现一种既有大动态范围，又可以连续可变，低损耗，高精度的光学延迟线，在光通信、光传感以及光学处理等领域具有迫切的需求。

2009年，北京航空航天大学张春熹等人公开了一种基于红外宽谱光源的光学低相干杨氏干涉仪（一种光纤延迟量的低相干测量方法及系统，CN101561296A），将延迟量由时间量的测量转变为长度测量，结合干涉零级条纹定位和精密可变光程器件，实现了对光纤延迟线延迟量的测量。缺点在于测量范围有限、光路连接插入损耗大、精度低。

2011年，北京航空航天大学胡姝玲等人公开了一种用于光纤延迟量测量的方法与装置（一种用于光纤延迟线测量系统的延迟量测量方法及其实现装置，CN102353520A），同样是通过杨氏干涉仪，将延迟量由时间量转化为长度进行测量，实现了对延迟量的测量。本专利相较于张春熹等人的专利，优点在于采用了反馈控制，处理速度更快，精度高，可实现自动化调节，但缺点在于测量范围有限，光纤延迟线的测量受限于微位移测量模块。

本发明公开了一种大量程连续光程延迟线的标定装置，在干涉仪两臂分别放置一个固定长度的周期性延迟器和连续光程延迟线，在光程标定时，根据白光干涉原理，通过记录两臂之间产生的白光干涉信号的位置和连续式光程扫描装置零点与扫描起点之间的距离，计算可以得到延迟光路外接光纤与周期性延迟器长度n倍之间的精确关系。综合以上，即可以实现一种对光学延迟线进行标定的装置系统，对光纤延迟线的延迟量进行精确测量，并且在保证延迟精度的前提下，扩大了延迟范围，实现了光程的无缝接续。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更高的延迟精度高,实现光程的无缝接续问题的一种大量程连续光程延迟线的标定装置。

一种大量程连续光程延迟线的标定装置，包括：宽谱光源、2×2耦合器、连续光程延迟线、光电信号转换与信号记录装置，

宽谱光源通过一段传输光纤与2×2耦合器的第一输入端相连，2×2耦合器的两个输出端分别连接干涉仪的两个传输臂；其中固定臂中是由固定长度的周期性延迟器和光学反射镜连接组成；而光程扫描臂则是由连续光程延迟线构成，2×2耦合器的第二输入端与光电信号转换与信号记录装置相连接；

连续光程延迟线是由光程倍增装置和连续式光程扫描装置连接组成，其中光程倍增装置是通过光开关和固定长度的不同延迟器组合而成，光程扫描装置则是通过光学准直器、光学反射镜和程控位移台连接得到的；

干涉仪的两个传输臂之间的关系满足：在没有进行光程倍增的前提下，当光学反射镜处于运动起点位置时，固定臂的绝对光程大于光程扫描臂；当光学反射镜处于运动终点位置时，固定臂与周期性延迟器长度l之和小于光程扫描臂；

由宽谱光源发出的稳定宽谱光，经过一段传输光纤，通过2×2耦合器注入到干涉仪两个传输臂中，当光程倍增装置中的光开关选择延迟光路M_n时，在连续式光程扫描装置的扫描下，得到两个传输臂之间的白光干涉信号；固定臂中的周期性延迟器周期性循环，与光程相关扫描臂发生多次匹配，得到白光干涉信号；相邻两个白光干涉信号之间的距离为周期性延迟器的长度l；出现第一个干涉峰的位置记为光程连续扫描的第一标定点，与连续式光程扫描装置零点之间的距离记为X_n；通过光电信号转换与信号记录装置中的信号记录装置，记录X_n与l的具体数值。

光程倍增装置与连续式光程扫描装置通过传输光纤连接而成；光程倍增装置由N个长度固定的不同延迟光路组成，延迟光路的光程分别为L₀、L₁……、L_n，L₀=0，n=0，1，2，……，n相邻延迟光路的光程增加满足L_n+1-L_n＜S₀，X₀-d＜L_n+1-L_n＜S₀，S₀为光程扫描装置的光程连续扫描范围，且L_n+2-L_n+1≤L_n+1-L_n，d为误差值，相邻两臂的光程差满足条件：

$\frac{L_{n+1}}{L_n}=2+d(n\≥1),$ L₁＝X₀+d；

光程倍增装置装有光学开关，在光学开关的控制下，单独或级联使用依次实现不同延迟光路固定光程L₀、L₁……、L_n的切换，由光学准直器、光学反射镜和程控位移台组成的连续式光程扫描装置，待延迟光信号由光学准直器准直后出射，经过光学反射镜后，再次回到光学准直器中；光学反射镜在程控位移台的带动下，实现光程的连续扫描。

周期性延迟器的长度为l，l＜S₀，其中为光程扫描装置的最大扫描量程，其直通臂与循环臂的分光比为1：x。

周期性延迟器是一个周期性变化的Fabry-Perot光学腔，Fabry-Perot腔两端之间的距离为a，满足关系2a＜S₀。

还包括宽谱光源与2×2耦合器的输入端相连，2×2耦合器的第一输出端与周期性延迟器相连，组成了干涉仪的固定臂；2×2耦合器的第二输出端依次连接光程倍增装置和连续式光程扫描装置；其中连续式光程扫描装置是由一组光学准直器、一组光学反射镜和程控位移台连接而成的；周期性延迟器的输出端和连续式光程扫描装置的输出端分别与2×2耦合器的第一、第二输入端相连，2×2耦合器的输出端与光电探测器连接，将光信号转换为电信号传输给信号记录装置。

本发明的有益效果在于：

（1）测量精度高：借助于固定长度周期性延迟器本身具有的特性以及程控位移台的高精度扫描，实现了对光程延迟量的高精度测量，延迟精度可达fs量级；

（2）扫描范围大：将固定延迟模块和可变光程延迟机构组合在一起，实现了任意光程的连续扩展；

（3）连续光程扫描装置满足了对干涉仪两臂共用的要求，对光纤延迟线延迟量的标定，不受限于光程扫描装置，不需要外加额外的光程扫描装置；

（4）适应性强：通过应用不同拓扑结构以及不同光学器件进行组合，满足了对于不同光纤传感系统的需求。

附图说明

图1是反射型大量程连续光程延迟线的标定装置示意图。

图2是当环形腔长度l满足关系：L₀/2＜l＜L₀时，光程扩展接续的工作示意图。

图3是当环形腔长度l满足关系：0＜l＜L₀/2时，光程扩展接续的工作示意图。

图4是另外一种反射型大量程连续光程延迟线的标定装置示意图。

图5是透射型大量程连续光程延迟线的标定装置示意图。

图6是对于光学延迟线延迟量的测量流程图

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步描述：

一种大量程连续光程延迟线的标定装置，包括：宽谱光源101、2×2耦合器103、连续光程延迟线150、光电信号转换与信号记录装置120，其特征是：

（1）宽谱光源101通过一段传输光纤102与2×2耦合器103的第一输入端1a相连，2×2耦合器103的两个输出端1c、1d分别连接干涉仪的两个传输臂l₁、l₂；其中固定臂l₁中是由固定长度的周期性延迟器111和光学反射镜112组成；而光程扫描臂l₂则是由连续光程延迟线150构成。2×2耦合器103的第二输入端1b与光电信号转换与信号记录装置120相连接；

（2）连续光程延迟线150是由光程倍增装置130和连续式光程扫描装置140组成。其中光程倍增装置130是通过光开关131和固定长度的不同延迟器132组合而成，光程扫描装置140则是通过光学准直器141、光学反射镜143和程控位移台142连接得到的；

（3）连续光程延迟线的标定装置按连接关系可分为反射型干涉仪系统和透射型干涉仪系统两种结构，其中反射型干涉仪系统采用的是Michelson干涉仪结构，透射型干涉仪系统采用的是Mach-Zehnder干涉仪结构；

（4）干涉仪的两个传输臂l₁、l₂之间的关系应满足：在没有进行光程倍增的前提下，当可移动光学反射镜143处于运动起点位置时，固定臂l₁的绝对光程略大于光程相关扫描臂l₂；当可移动光学反射镜143处于运动终点位置时，固定臂l₁与周期性延迟器111长度l之和小于光程相关扫描臂l₂。

（5）由宽谱光源101发出的稳定宽谱光，经过一段传输光纤102，通过2×2耦合器103注入到干涉仪两个传输臂l₁、l₂中，当光程倍增装置130中的光开关131选择延迟光路M_n时，在连续式光程扫描装置140的扫描下，利用白光干涉测量方法，会得到两个传输臂l₁、l₂之间的白光干涉信号，而此时固定臂l₁中的周期性延迟器111在不断地周期性循环，与光程相关扫描臂l₂发生多次匹配，得到相应的白光干涉信号。相邻两个白光干涉信号之间的距离为周期性延迟器111的长度l，出现第一个干涉峰的位置记为光程连续扫描的第一标定点，其与扫描装置零点之间的距离记为X_n。通过信号记录装置121，分别读出对应的X_n与l的具体数值，经过分析计算可得光程倍增装置111中外接光纤长度与X_n和l之间精确的对应关系。

所述的周期性延迟器111，其特征是：周期性延迟器111的长度为l，满足关系：l＜S₀，其中S₀为连续式光程扫描装置140的最大扫描量程。其直通臂111d与循环臂111c的分光比为1：x，随着周期性延迟性111的不断循环中，输出光强在逐渐衰减，在光程扩展的时候，利用衰减的程度可以判断出在每个位置出现的干涉峰对应为第几标定点。在连续式光程扫描装置140的扫描过程中，周期性延迟器111的长度l要保证时刻落在扫描装置的扫描范围（0～S₀）之内。

所述的周期性延迟器111，其特征是一个周期性变化且长度固定不变的环形腔，它由2×2光纤耦合器的一个输出端111c或者111d和一个输入端111a或者111b相连构成，通过待测光信号在环形腔内的周期性传输，从而实现了对于光程的标定作用。

所述的周期性延迟器111，其特征是一个周期性变化的Fabry-Perot光学腔，Fabry-Perot腔两端之间的距离为a，满足关系2a＜S₀。通过Fabry-Perot腔两端晶体构成的谐振腔产生的自激振荡，从而实现了对于光程的标定作用。

所述的透射型大量程连续光程延迟线的标定装置，其特征是：宽谱光源501与2×2耦合器502的输入端5a相连，2×2耦合器502的第一输出端5c与周期性延迟器511相连，组成了干涉仪的固定臂l₁；2×2耦合器502的第二输出端5d依次连接光程倍增装置520和连续式光程扫描装置530；其中连续式光程扫描装置530是由一组光学准直器531、532、一组光学反射镜533、534和程控位移台535连接而成的；周期性延迟器511的输出端和连续式光程扫描装置530的输出端分别与2×2耦合器503的第一、第二输入端5e、5f相连，2×2耦合器503的输出端5g与光电探测器504连接，将光信号转换为电信号传输给信号记录装置540。

本发明是一种对光学延迟线标定装置的一种技术改进。在连续光程延迟线相对的一臂放置一个固定长度的周期性延迟器。实现了对延迟光路中延长光纤的精确测量，从而满足了对光学延迟线高精度、无缝接续的需求。本发明所述的连接结构主要分为反射型干涉仪系统和透射型干涉仪系统。反射型干涉仪系统如图1，透射型干涉仪系统如图5。

如图1所示，是一种反射型连续光程延迟线的标定装置，其中固定臂连接有一个周期性延迟器，扫描臂则由光程倍增装置和连续式光程扫描装置组成的。由宽谱光源出射的稳定宽谱光，经过一段传输光纤后，由2×2耦合器进入到Michelson干涉系统的两臂，在扫描臂中的光信号，首先经过光程倍增装置，通过光开关的控制，可以通过固定长度的不同延迟光路（M₀、M₁……M_n），从而获得不同的延迟时间，实现光程的阶跃调整；之后待测光信号进入到光学准直器中，经准直后出射，经反射镜反射后回到光学准直器中，通过程控位移台带动光学反射镜不断移动，实现了光程的连续可调。而对于固定臂中的光信号，利用周期性延迟器的特点，当待测光信号经过它时，一部分光依旧沿着延迟器传输，另一部分光信号则通过光学反射镜反射回到2×2耦合器中。周期性延迟器中的光信号每循环一周，就会与光程延迟装置中的光信号进行一次光程匹配，实现对光程倍增装置中延长光纤的精确测量，同时也保证了光程的无缝接续，从而做到了对高精度光学延迟线的实现。

如图2和图3所示，为光程切换时，光程接续过程的两种情况：

周期性延迟器的长度为l，满足关系：l＜S₀；其中S₀为连续式光程扫描装置的最大扫描量程，其次对于干涉仪的两个干涉臂（l₁、l₂）应满足：在没有进行光程倍增的前提下，当可移动光学反射镜处于运动起点位置时，固定臂（l₁）的绝对光程略大于光程相关扫描臂（l₂）；当可移动光学反射镜处于运动终点位置时，固定臂（l₁）与周期性延迟器长度（l）之和小于光程相关扫描臂（l₂）；并且当程控位移台带动光学反射镜扫描过程中，周期性延迟器长度（l）要保证时刻落在可变光程延迟结构的扫描范围（0～S₀）之内。

1、当环形腔长度l满足关系：S₀/2＜l＜S₀时

（1）当光开关选择直通（L₀=0）条件下，固定臂当中的光信号不经过环形腔时，干涉仪两臂当中的光信号在移动反射镜距离零点为X₀处光程发生匹配，产生白光干涉信号211，当固定臂当中的光信号在环形腔内旋转一周的时候，干涉仪两臂当中的光信号再次相遇发生干涉，产生白光干涉信号212；

（2）当光开关选择光路M₁时，由于光程扫描装置之前多了一段长度为L₁的光纤，所以两臂当中的光信号干涉发生的起点位置发生了改变，如图2B所示，距离零点为X₁处，两束光发生了干涉，产生了白光干涉信号213，之后，固定臂当中的光信号继续在环形腔内传输一周，传输的长度为l，此时，再次与另外一臂的光信号相遇，发生干涉，产生白光干涉信号214；通过连续式光程扫描装置以及干涉图谱我们可以知道X₀、X₁以及l的值，所以通过计算可以求得，额外延长光纤的长度，当干涉峰值产生在重叠区域前时，符号取+号时，当干涉峰值产生在重叠区域内时，符号取-号时。如图2我们可以知道，白光干涉信号212与干涉信号213为同一个位置产生的干涉峰，而两种情况下，干涉扫描装置含有一部分长为X的重叠部分，这样带来优点在于既做到了光程的扩展，又使得光开关切换过程中，做到了无缝接续，提高了延迟精度；

（3）当光开关选择光路M₂时，原理相同，由于扫描臂中的光信号多传输了L₂距离，所以两臂光信号干涉发生的起点位置发生了改变，如图2B所示，距离零点为X₂处，两束光发生了干涉，产生了白光干涉信号215，之后，固定臂中的光信号继续在环形腔内传输一周，传输的长度为l，此时，再次与扫描臂中的光信号相遇，发生干涉，产生白光干涉信号216；通过计算我们可以知道 $L_2=X_0+2l\stackrel{-}{+}{X}_2;$

（4）同理可知，当光开关选择光路M_n时，干涉发生的起点位置为距离零点X_n处，通过计算我们可以得到外加光纤长度L_n的通用公式为：

$L_n=X_0+\mathrm{nl}\stackrel{-}{+}{X}_n---\left(1\right)$

2、当环形腔长度l满足关系：O＜l＜S₀/2（这里以l略小于S₀/2为例）

（1）当光开关选择直通（L₀=0）条件下，固定臂当中的光信号不经过环形腔时，干涉仪两臂当中的光信号在移动反射镜距离零点为Y₀处光程发生匹配，产生白光干涉信号311，与第一种情况不同的是，在扫描器扫描过程当中，固定臂当中的光信号会在环形腔内旋转两周，从而会得到两个白光干涉信号312与313；

（2）当光开关选择光路M₁时，同第一种情况类似，扫描台的起点位置为距离零点Y₁的地方，同样，在扫描全程内，干涉仪两臂的光信号会发生两次干涉，产生干涉峰315和316，通过连续扫描装置以及干涉图谱，我们可以得到Y₀、Y₁以及l的值，通过计算，我们可以求得， $L_1=Y_0+2l\stackrel{-}{+}{Y}_1;$

（3）当光开关选择光路M₂时，同理我们可以得到三个干涉信号，通过计算我们可以知道， $L_2=Y_0+4l\stackrel{-}{+}{Y}_2;$

（4）综合以上，当光开关选择光路M_n时，我们可以知道干涉发生的起点为距离扫描台零点的Y_n处，并且得到外接光纤长度的通用公式：

$L_n=Y_0+2\mathrm{nl}\stackrel{-}{+}{Y}_n---\left(2\right)$

两种情况相比较，第一种条件可以看成是第二种条件的一个特殊情况，对于第一种条件下，要求环形腔的长度l必须落在扫描器的扫描范围内，而对于第二种条件，则没有特定的要求，因为第二种条件直接保证了在扫描范围内至少存在着两个干涉峰。

如图4，是基于反射型连续光程延迟线的标定装置，其中的周期性延迟器为一个F-P腔，原理相同，都是利用了环形腔或者F-P腔的具有周期性的特点，环形腔利用的是光在封闭的光纤内循环传输，而F-P腔则是利用两端晶体的天然解理面作为反射镜，构成矩形介质波导谐振腔，并在腔内不断反射。外加光纤长度L_n的计算方法同上，经过计算可得：

$L_n=X_0+2\mathrm{na}\stackrel{-}{+}{X}_n---\left(3\right)$

图5是基于Mach-Zehnder干涉仪结构的透射型连续光程延迟线的标定装置，待测光信号由宽谱光源出射，经过2×2耦合器，分别进入到干涉仪的两个测量臂中，固定臂是由传输光纤和周期性延迟器组成，由于周期性延迟器本身具有的特点以及其长度固定的要求，实现了对于延迟线延迟量的精确测量；而对于干涉仪的测量臂则是由传输光纤、光程倍增装置以及连续式光程扫描装置组成的。光程倍增装置是由光开关以及固定长度的不同延迟器件构成，通过光开关的控制，实现了光程倍增的阶跃调整。连续式光程扫描装置是由一组光学准直器、一组光学反射镜以及程控位移台组成的，光束通过第一光学准直器输入，先后经过两个相互垂直的光学反射镜反射后，进入到第二光学准直器中，通过输出端口e输出，随着程控位移台带动光学反射镜的不断移动，实现了光程的连续扫描。从两臂输出的光信号通过2×2耦合器的输出臂交给探测器，将光信号转换为电信号，传输给信号记录装置。

为清楚地说明本发明实现了大量程连续光程延迟线的标定装置，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：反射型大量程连续光程延迟线的标定装置

主要光电器件的选择及其参数如下：

（1）宽谱光源101的中心波长为1550nm，半谱宽度＞45nm，出纤功率＞2mW；

（2）2×2耦合器103的工作波长为1550nm，分光比50：50；

（3）环形腔111的工作波长为1550nm，插入损耗≤0.5dB；

（4）1×8光开关131的工作波长为1550nm，插入损耗≤0.8dB；

（5）延长光纤为G.652普通光纤132，型号为SMF28e；

（6）光学准直器141的工作波长为1550nm，它与可移动光学反射镜143（反射率为95%以上）之间的光程扫描距离大约在0～200mm之间变换，平均插入损耗为3.0dB；

（7）光学反射镜112的中心波长为1550nm，直径为20mm，厚2mm，平均反射率＞95%，平行度＜3′，通光孔径＞90%；

（8）程控位移台142采用的是0～200mm的位移台，位置精度为1μm；

（9）光电探测器104的光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100～1700nm。

在如图1所示的结构中，因为光程倍增装置选用的是1×8的光开关，所以测量臂构成了8通道的光纤延迟线，可以获得8个离散的延迟量。如图6所示为光纤延迟线延迟量的测量过程，具体如下：

（1）开启仪器，光开关复位，程控位移台归零；

（2）通过程控位移台选择延迟光路M₀；

（3）通过信号记录装置获得干涉仪两臂之间产生的白光干涉信号；

（4）读取干涉信号，找到第一标定点与扫描装置起点之间的距离X₀=10.000mm；

（5）读取干涉信号，通过相邻两个干涉峰之间的距离读出周期性延迟器长度l=120.000mm；

（6）控制光开关，改变延迟光路，依次选择延迟光路M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇；

（7）通过获得选择每个延迟光路时，干涉仪两臂之间产生的白光干涉信号，记录每个白光干涉峰的位置；

（8）记录每个延迟光路的最后一个标定点与下一路延迟光路扫描装置零点之间的距离，X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇分别为10.000mm、10.500mm、10.800mm、10.200mm、10.500mm、10.400mm、11.100mm；

（9）通过公式可求得延迟光路的外接光纤的长度分别为120.000mm、239.500mm、359.200mm、479.800mm、599.500mm、719.600mm、838.900mm；

（10）通过光纤长度与延迟时间之间的关系：

$\mathrm{\ΔL}=\mathrm{\Δ\τ}\·\frac{C}{n}$

其中C为光速，n为光纤的折射率（n≈1.46）。可以计算出每个延迟光路的延迟时间分别为：0.584ns，1.166ns，1.748ns，2.335ns，2.918ns、3.502ns、4.083ns；扫描台的扫描范围为0～0.667ns，扫描精度为3fs；

（11）测量结束，通过本实施例可以实现从0～9.500ns的延迟，延迟步长为3fs。

实施例2：透射型大量程连续光程延迟线的标定装置

一个透射型大量程连续光程延迟线的标定装置如图5所示，与实施例1相比，大多数光电器件参数完全相同，不同的是，实施例2中，连续式光程扫描装置采用了一组光学准直器、一组光学反射镜和程控位移台配合使用，周期性延迟器的长度发生了变化。

在如图5所示的结构中，同样采用了1×8的光开关构成了8通道的光纤延迟线，可以获得8个离散的延迟量。如图6所示为光纤延迟线延迟量的测量过程，具体如下：

（1）开启仪器，光开关复位，程控位移台归零；

（2）将程控位移台选择延迟光路M₀；

（3）通过信号记录装置获得干涉仪两臂之间产生的白光干涉信号；

（4）读取干涉信号，找到第一标定点与扫描装置起点之间的距离X₀=10.500mm；

（5）读取干涉信号，通过相邻两个干涉峰之间的距离读出周期性延迟器长度l=67.000mm；

（6）控制光开关，改变延迟光路，依次选择延迟光路M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇；

（7）通过获得选择每个延迟光路时，干涉仪两臂之间产生的白光干涉信号，记录每个白光干涉峰的位置；

（8）记录每个延迟光路的最后一个标定点与下一层延迟光路扫描装置零点之间的距离，X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇分别为10.300mm、10.100mm、10.400mm、11.200mm、10.800mm、10.200mm、10.900mm；

（9）通过公式可求得延迟光路的外接光纤的长度分别为133.700mm、267.900mm、401.600mm、534.800mm、669.200mm、803.800mm、937.100mm；

（10）通过光纤长度与延迟时间之间的关系：

$\mathrm{\ΔL}=\mathrm{\Δ\τ}\·\frac{C}{n}$

其中C为光速，n为光纤的折射率（n≈1.46）。可以计算出每个延迟光路的延迟时间分别为：0.651ns，1.304ns，1.954ns，2.603ns，3.257ns、3.912ns、4.561ns；扫描台的扫描范围为0～0.667ns，扫描精度为3fs；

（11）测量结束，通过本实施例可以实现从0～5.894ns的延迟，延迟步长为3fs。

Claims (3)

1.一种大量程连续光程延迟线的标定装置，包括：宽谱光源(101)、2×2耦合器(103)、连续光程延迟线(150)、光电信号转换与信号记录装置(120)，其特征是：

宽谱光源(101)通过一段传输光纤(102)与2×2耦合器(103)的第一输入端(1a)相连，2×2耦合器(103)的两个输出端分别连接干涉仪的两个传输臂，即固定臂(l₁)、光程扫描臂(l₂)；其中固定臂(l₁)中是由固定长度的周期性延迟器(111)和第一光学反射镜(112)连接组成；而光程扫描臂(l₂)则是由连续光程延迟线(150)构成，2×2耦合器(103)的第二输入端(1b)与光电信号转换与信号记录装置(120)相连接；

连续光程延迟线(150)是由光程倍增装置(130)和连续式光程扫描装置(140)连接组成，其中光程倍增装置(130)是通过光开关(131)和固定长度的不同延迟器(132)组合而成，连续式光程扫描装置(140)则是通过光学准直器(141)、第二光学反射镜(143)和程控位移台(142)连接得到的；

干涉仪的两个传输臂之间的关系满足：在没有进行光程倍增的前提下，当第二光学反射镜(143)处于运动起点位置时，固定臂(l₁)的绝对光程大于光程扫描臂(l₂)；当第二光学反射镜(143)处于运动终点位置时，固定臂(l₁)与周期性延迟器(111)长度l之和小于光程扫描臂(l₂)；

由宽谱光源(101)发出的稳定宽谱光，经过一段传输光纤(102)，通过2×2耦合器(103)注入到干涉仪两个传输臂中，当光程倍增装置(130)中的光开关(131)选择延迟光路M_n时，在连续式光程扫描装置(140)的扫描下，得到两个传输臂之间的白光干涉信号；固定臂(l₁)中的周期性延迟器(111)周期性循环，与光程扫描臂(l₂)发生多次匹配，得到白光干涉信号；相邻两个白光干涉信号之间的距离为周期性延迟器(111)的长度l；出现第一个干涉峰的位置记为光程连续扫描的第一标定点，与连续式光程扫描装置零点之间的距离记为X_n；通过光电信号转换与信号记录装置中的信号记录装置(121)，记录X_n与l的具体数值；

所述的光程倍增装置与连续式光程扫描装置通过传输光纤连接而成；光程倍增装置由N个长度固定的不同延迟光路组成，延迟光路的光程分别为L₀、L₁……、L_n，L₀＝0，n＝0，1，2，……，n相邻延迟光路的光程增加满足L_n+1-L_n＜S₀，X₀-d＜L_n+1-L_n＜S₀，S₀为连续式光程扫描装置的最大扫描量程，且L_n+2-L_n+1≤L_n+1-L_n，d为误差值，相邻两臂的光程差满足条件：

$\frac{L_{n+1}}{L_n}=2+d(n\≥1),L_1=X_0+d;$

光程倍增装置装有光开关，在光开关的控制下，单独或级联使用依次实现不同延迟光路固定光程L₀、L₁……、L_n的切换，由光学准直器、第二光学反射镜和程控位移台组成的连续式光程扫描装置，待延迟光信号由光学准直器准直后出射，经过第二光学反射镜后，再次回到光学准直器中；第二光学反射镜在程控位移台的带动下，实现光程的连续扫描。

2.根据权利要求1所述的一种大量程连续光程延迟线的标定装置，其特征在于：所述的周期性延迟器的长度为l，l＜S₀，其中S₀为连续式光程扫描装置的最大扫描量程，其直通臂与循环臂的分光比为1：x。

3.根据权利要求1所述的一种大量程连续光程延迟线的标定装置，其特征在于：所述的周期性延迟器是一个周期性变化的Fabry-Perot光学腔，Fabry-Perot腔两端之间的距离为a，满足关系2a＜S₀。