CN104503079A - 一种双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种可用于后向散射光时域干涉与频域干涉测量系统中，也可用于多路复用光纤白光干涉传感器阵列的解调系统中的双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器。双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器，由单模光纤1，锥形区2，偏心双芯光纤3，双芯光纤端面环形反射膜4，自聚焦透镜棒5和反射镜6组成，单芯光纤与偏心双芯光纤的连接是通过将两种光纤焊接后在焊点处实施加热拉锥而形成锥形区从而形成了一个分光器，通过锥形区将两种光纤连接起来，分光器将来自光源的注入光分成两路。本发明消除了由于分立光路给测量系统带来的误差和不确定性。

Description

一种双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种可用于后向散射光时域干涉与频域干涉测量系统中，也可用于多路复用光纤白光干涉传感器阵列的解调系统中的双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器。

背景技术

光纤白光干涉技术与方法是光纤技术领域中独具特色的一种测量方法和传感技术。该项专门技术在宽谱光干涉特性研究，绝对形变光纤传感测量，光波导器件的结构及其对光波反射特性参量的检测，光纤陀螺环中光偏振态横向耦合测量与评估，尤其是在医学临床诊断的组织结构形态的光学层析技术等方面，都具有广泛的应用。

光程相关器是空域干涉解调系统中空间光程扫描匹配的主要单元。该单元的目的是实现解调仪与干涉测量仪的光程匹配，从而实现通过干涉仪的方法完成测量的任务。光程相关器主要由两部分组成：一部分是解调仪的光路结构；另一部分是空间光程扫描装置。

为解决光纤干涉仪系统中的光程相关问题，1995年美国H-P公司Wayne V.Sorin和DouglasΜ.Baney公开了一种基于Michelson干涉仪结构的光程自相关器(美国专利：专利号5557400)。如图1所示，它基于非平衡Michelson干涉仪结构，利用光信号在Michelson干涉仪固定臂和可变扫描臂之间形成的光程差与光纤传感器的前后两个端面反射光信号的光程差之间的匹配实现光学自相关，获得传感器的白光干涉信号。该相关器由一个3dB光纤耦合器组成，入射光波注入后，该光波经过2×2光纤耦合器后被分成两路，一路经过固定长度光纤后经过其尾端反射器返回输出；另一路经过连接在光纤端的光学准直器后，被可移动的反射扫描镜反射回来，形成光程可调的光波后到达输出端。由该光纤光程相关器所产生的这两个光波具有的光程差为2(nΔL+x)，其中2nΔL是两固定长度光纤差带来的，而2x则是空间可调整的光程。Michelson干涉仪型光纤光程相关器的优点是构造简单，使用的器件少。但缺点是所有器件都是分离的，当环境温度分布不均匀时，由于温度差导致固定长度参考光路和扫描光路这两部分就会产生光程差，这将进一步导致测量精度的下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除由于分立光路环境温度梯度给测量系统带来的误差和不确定性的双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器。

本发明的目的是这样实现的：

双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器，由单模光纤1，锥形区2，偏心双芯光纤3，双芯光纤端面环形反射膜4，自聚焦透镜棒5和反射镜6组成，单芯光纤与偏心双芯光纤的连接是通过将两种光纤焊接后在焊点处实施加热拉锥而形成锥形区从而形成了一个分光器，通过锥形区将两种光纤连接起来，分光器将来自光源的注入光分成两路，两路光信号经过双芯光纤，其中偏心的一路光被双芯光纤端面所镀的环形反射膜反射回来，作为信号输出；另一路光信号沿着中心纤芯传输并穿过环形反射膜被自聚焦透镜棒准直后抵达平面反射镜，平面反射镜可以沿着光路方向移动，调整反射输出信号与信号输出之间的光程差。

双芯光纤的偏离轴心的芯子与轴心的间距为d，双芯光纤端面采用中心局部掩模镀有环形金属反射膜作为反射镜，环形反射膜的内径小于2d，轴心芯子的光可以对准并出射到自聚焦透镜棒的轴心。

双芯光纤为对称的双芯光纤，两个纤芯都等间距偏离光纤的轴心，而偏离轴心的芯子与轴心的间距为d，双芯光纤端面的一半采用掩模方法，使光纤端面一半镀有半圆形金属反射膜，其中的一个光纤芯子中传输的光被半圆形反射膜反射回来，另一个光纤芯子的光对准并出射到自聚焦透镜棒的轴心。

本发明的有益效果在于：

本发明采用双芯光纤，将干涉仪的两路光的大部分光路微缩集成在同一根光纤中，由于两个光路之间的空间距离仅有数十微米，且都在同一个光纤石英包层中，因此其环境温度差异会非常小，可以视为近似相同。于是这两路光的光程随温度变化情况也近似相同，这就使得这两者之间的光程差相对非常稳定，消除了由于分立光路给测量系统带来的误差和不确定性。可用于后向散射光时域干涉与频域干涉测量系统中，也可用于多路复用光纤白光干涉传感器阵列的解调系统中。

附图说明

图1是典型的白光干涉Michelson干涉仪式光程相关器的结构示意图。

图2是采用双心光纤构造的双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器的结构示意图。图3是由单芯光纤与偏心双芯光纤构成的双光路结构示意图，在双芯光纤端，采用了中心局部掩模的办法，镀制了环形金属膜作为光反射膜，将偏离轴心光路的信号反射回去，而使另一路没有受到反射的光信号经过自聚焦透镜实现准直。

图4是由单芯光纤与对称双芯光纤构成的双光路结构示意图，在双芯光纤端，采用了部分光纤端面掩模的办法，镀制了半圆形金属膜作为光反射膜，将双芯光纤的一路光信号反射回去，而使另一路没有受到反射的光信号经过自聚焦透镜实现准直。

图5是将该双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器接入到连接有测量系统实现光程相关器具体应用的光路示意图。

图6是将该双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器接入到连接有位移测量的实际应用实例的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

基于双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器，其结构如图2所示。该光程相关器是由单模光纤1，锥形区2，偏心双芯光纤3，双芯光纤端面环形反射膜4，自聚焦透镜棒5和反射镜6组成。该光程相关器是按如下方式构成的：单芯光纤1与偏心双芯光纤3的连接是通过将两种光纤焊接后在焊点处实施加热拉锥而形成锥形区2从而形成了一个分光器，同时也通过该锥形区将两种光纤连接起来。这个分光器将来自光源的注入光7分成两路，这两路光信号经过双芯光纤3，其中偏心的一路光被双芯光纤端面所镀的环形反射膜4反射回来，作为信号8输出；另一路光信号沿着中心纤芯传输并穿过环形反射膜4被自聚焦透镜棒5准直后抵达平面反射镜6，平面反射镜6可以沿着X方向前后移动，从而调整反射输出信号9与信号8之间的光程差，实现光程相关。

该双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器中，所采用的双芯光纤为偏心双芯光纤，其中心的纤芯处于光纤的轴心，而偏离轴心的芯子与轴心的间距为d，该双芯光纤端面镀有环形反射膜4，作为反射镜的环形反射膜的内径小于2d，以保证偏离光纤轴心的光纤芯子中传输的光被该环形反射镜反射回来，如图3所示。

不违背本发明专利的精神，该双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器中，也可以采用对称的双芯光纤，两个纤芯都等间距偏离光纤的轴心，而偏离轴心的芯子与轴心的间距为d，该双芯光纤端面的一半镀有反射膜4，以保证两个光纤芯中其中的一个光纤芯子中传输的光被该半圆形反射镜反射回来，而另一个光纤芯子的光可以对准并出射到自聚焦透镜棒的轴心，如图4所示。

该双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器可以用来构造光纤白光干涉测量系统，如图5所示。这个测量系统围绕一个四端口光纤环形器，依次将低相干宽谱光源14(例如：ASE光源)的光首先进入光纤环形器的端口a，经由出口b，到达光程可调的双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器15。该光程相关器的作用有二，一是将来自同一光源的光分成两束；二是使这两束光信号产生可调整的光程差。来自光源的光经过该光程相关器后被分成具有一定光程差的两束光经过四端口光纤环形器的b端口后，由端口c通过传输光纤16被送入干涉测量单元17，在光纤干涉测量单元中，由于待测量单元会产生两个反射信号，将待测物理量包含其中，于是通过光程相关器进行光程匹配扫描，配上得干涉光信号经过传输光纤16后，通过四端口光纤环形器的端口d被光电探测器所接收，该信号被放大器18放大后抵达信号采集与处理系统19，对信号进行分析与处理。

本发明采用双芯光纤，将干涉仪的两路光的大部分光路微缩集成在同一根光纤中，由于两个光路之间的空间距离仅有数十微米，且都在同一个光纤石英包层中，因此其环境温度差异会非常小，可以视为近似相同。于是这两路光的光程随温度变化情况也近似相同，这就使得这两者之间的光程差相对非常稳定，消除了由于分立光路环境温度梯度给测量系统带来的误差和不确定性。

图2中，单芯光纤1与偏心双芯光纤3的连接是通过将两种光纤焊接后在焊点处实施加热拉锥而形成锥形区2从而形成了一个分光器，同时也通过该锥形区将两种光纤连接起来。这个分光器将来自光源的注入光7分成两路，这两路光信号经过双芯光纤3，其中偏心的一路光被双芯光纤端面所镀的环形反射膜4反射回来，作为信号8输出；另一路光信号沿着中心纤芯传输并穿过环形反射膜4被自聚焦透镜棒5准直后抵达平面反射镜6，平面反射镜6可以沿着X方向前后移动，从而调整反射输出信号9与信号8之间的光程差，实现光程相关。

采用双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器进行测量干涉仪构造的形式有多种，图6给出了一种可实现位移测量的典型结构。为了实现不同物理量的测量，可以通过将不同结构的测量单元嵌入到干涉测量臂的办法来构造出测量干涉仪。

图6对应的情况是测量干涉仪和光程相关器都是反射型的，在这种情况下，对应的拓扑连接属于典型的四点之间的连接，因此需要采用四端口光纤环形器。为了进一步给出更为直观的说明，图6以一个采用Fizeau光学楔实现位移光程匹配干涉测量的系统为例，给出上述典型光路的连接组合方式。在该系统中，通过四端口光纤环形器，将宽带ASE光源14通过端口a到端口b注入到双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器15中。该光程相关器的作用有二，一是将来自同一光源的光分成两束；二是使这两束光信号产生可调整的光程差。被分成两束并具有一定预设光程差的光信号离开端口b，通过端口c，再经过远传光纤16，被送入测量干涉仪中。而测量干涉仪是图6所示的Fizeau光学楔实现大量程位移的干涉测量系统。

Fizeau光学楔通过几何位移，可将微小的光程变化转化为较大尺度的位移变化，从而实现宏尺度的位移测量。该装置由一个楔形光器件21作为产生斐索干涉仪的光楔被固定在可滑动的顶杆22上，光学楔正对着光纤准直器20，当与顶簧相连接的滑杆发生位移时，光学楔所产生的光程变化正比于滑杆的位移。由于光学楔的角度很小，这样较小的光程变化就可以对应于较大的滑杆的机械位移，因此通过这种机械放大，就实现了采用微尺度技术获得宏尺度位移测量。

Claims (3)

1.一种双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器，由单模光纤(1)，锥形区(2)，偏心双芯光纤(3)，双芯光纤端面环形反射膜(4)，自聚焦透镜棒(5)和反射镜(6)组成，其特征在于：单芯光纤与偏心双芯光纤的连接是通过将两种光纤焊接后在焊点处实施加热拉锥而形成锥形区从而形成了一个分光器，通过锥形区将两种光纤连接起来，分光器将来自光源的注入光分成两路，两路光信号经过双芯光纤，其中偏心的一路光被双芯光纤端面所镀的环形反射膜反射回来，作为信号输出；另一路光信号沿着中心纤芯传输并穿过环形反射膜被自聚焦透镜棒准直后抵达平面反射镜，平面反射镜可以沿着光路方向移动，调整反射输出信号与信号输出之间的光程差。

2.根据权利要求1所述的一种双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器，其特征在于：所述双芯光纤的偏离轴心的芯子与轴心的间距为d，双芯光纤端面采用中心局部掩模镀有环形金属反射膜作为反射镜，环形反射膜的内径小于2d，轴心芯子的光可以对准并出射到自聚焦透镜棒的轴心。

3.根据权利要求1所述的一种双光路集成在同一根光纤中的Michelson干涉仪型光程相关器，其特征在于：所述的双芯光纤为对称的双芯光纤，两个纤芯都等间距偏离光纤的轴心，而偏离轴心的芯子与轴心的间距为d，双芯光纤端面的一半采用掩模方法，使光纤端面一半镀有半圆形金属反射膜，其中的一个光纤芯子中传输的光被半圆形反射膜反射回来，另一个光纤芯子的光对准并出射到自聚焦透镜棒的轴心。