CN104503081A - 一种基于环形光纤反射镜的共光路菲索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多路复用光纤白光干涉传感器阵列的解调系统中的基于环形光纤反射镜的共光路菲索干涉仪型光程相关器。一种基于环形光纤反射镜的共光路菲索干涉仪型光程相关器，将环形光纤反射镜与一个光纤自聚焦透镜准直器相连接，光纤自聚焦透镜准直器被固定在一个精密滑移台的基座上，一个平面光学反射镜或直角棱镜被固定在可以滑移的平台上，正对光纤准直器，构成了一个光程可调的菲索干涉仪。本发明减少了光路对系统探测带来的影响，降低了系统的光功率衰减和损耗，增强了系统的探测能力，简化了光学系统光路结构，降低了系统的成本，提高了系统的稳定性与可靠性。

Description

一种基于环形光纤反射镜的共光路菲索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多路复用光纤白光干涉传感器阵列的解调系统中的基于环形光纤反射镜的共光路菲索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。但缺点是有一半的光功率会返回光源，会造成光源的不稳定。

除上述结构外，申请人于2008年公开的基于可调Fabry-Perot谐振腔的分布式光纤白光干涉传感器阵列(公告号CN101324445A)，一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置(公告号CN101325455B)，光纤Mach-Zehnder与Michelson干涉仪阵列的组合测量仪(公告号CN101329184A)和一种简化式多路复用白光干涉光纤传感解调装置(公告号CN100588913C)，分别公布了F-P腔、环形腔结构为基础的光程自相关器，目的是用于简化多路复用干涉仪的结构；提高温度稳定性；解决多基准传感器的同时测量等问题。

为了进一步解决提高光源利用率，降低系统的造价等问题，申请人于2010年和2011年分别公开的一种用于分布式光纤应变传感测量的光程自相关器(公告号CN101995227A)，非平衡Mach-Zehnder光学自相关器的低相干多路复用光纤干涉仪(公告号CN101995265B)，共路补偿的多尺度准分布式白光干涉应变测量装置及方法(公告号CN102003944B)，用非平衡Mach-Zehnder干涉仪对多信号问讯的方法及装置(公告号CN102135437B)，基于非平衡Mach-Zehnder的多路复用光纤干涉仪的解调装置(公告号CN102183866B)分别公布了基于环形光纤F-P型、非平衡Mach-Zehnder差动型以及共光路斐索型光程相关器技术。上述基于空分复用的干涉仪结构中，光程自相关器大多采用Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪等结构，为了形成能够与光纤传感器前后端面反射信号光程差相匹配的具有一定光程差的信号光束(至少两束以上)，光程自相关器中至少一个NXM光纤耦合器(例如：2X2、3X3或者4X4光纤耦合器)。由于NXM光纤耦合器的分光特性和光路对称特性，上述光学自相关器存在三个问题：其一是光路拓扑结构对光源功率衰减大、光源利用率低。以采用2X2光纤耦合器为例，由光源发生的光信号仅有一半达到传感器阵列，被其反射的光信号，又有一半经过衰减，以图1所示的W.V.Sorin公开的光路结构而言，理论上最多只有1/4的光源功率参与光学相关过程，其他功率均被衰减掉了，如果采用3X3或者4X4光纤耦合器，则其功率衰减为(1/3)2或(1/4)2，则更为严重；其二是某些光路结构，光信号前后两次(或者多次)经过光程自相关器，如：中国专利申请号200810136826.5、200810136833.5以及一种双基准长度低相干光纤环形网络传感解调装置(中国专利申请号：200810136821.2)，使光纤传感器和光程自相关器之间的光信号相关存在两个以上的光程匹配关系，造成白光干涉信号中存在二次(或者多次)光程匹配噪声，使传感器自相关峰值在空间位置上不再唯一，对其识别和传感器测量造成困难；其三是光路拓扑结构上存在对称性，光源和探测器在光路中是对称和互易的，理论上至少有与探测器接收功率相同数值的光信号又回馈到光源中，虽然光源的类型为宽谱光，与激光光源相比，对回馈不十分敏感，但是过大的信号功率反馈，会引起光源的谐振(如基于光纤自发超辐射类型的光源ASE等)，会导致光源发生光信号的功率降低，特别是在白光干涉时，较大的干涉信号功率波动对光源的使用会造成极其不利的影响，降低光学自相干峰值幅度的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有光路单向传输特性，信号光无法回馈到光源中，能增加系统的稳定性的基于环形光纤反射镜构成的共光路Fizeau型光纤光程相关器。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于环形光纤反射镜的共光路菲索干涉仪型光程相关器，将环形光纤反射镜与一个光纤自聚焦透镜准直器相连接，光纤自聚焦透镜准直器被固定在一个精密滑移台的基座上，一个平面光学反射镜或直角棱镜被固定在可以滑移的平台上，正对光纤准直器，构成了一个光程可调的菲索干涉仪，菲索干涉仪的一个反射端是由一个3dB光纤耦合器所构成的环形光纤反射镜构成的；菲索干涉仪的另一个反射端是由自聚焦透镜型光纤准直器和动态扫描平面反射镜构成的；光程相关器的光程差是通过该共光路菲索干涉仪的两个反射端产生的，来自同一光源的光被该光程相关器分成两路，一路被光纤环行器反射回来，另一路被光程可调的动态扫描反射镜反射回来，这两个光信号通过三端口光纤环行器被输出出来。

菲索干涉仪的另一个反射端是由自聚焦透镜型光纤准直器、固定的平面反射镜和动态扫描直角棱镜构成的。

本发明的有益效果在于：光程相关器实现了完全共光路光程匹配，减少了光路对系统探测带来的影响，降低了系统的光功率衰减和损耗，增强了系统的探测能力，简化了光学系统光路结构，降低了系统的成本，提高了系统的稳定性与可靠性。

附图说明

图1是典型的白光干涉Michelson干涉仪型光程相关器的结构示意图。

图2是典型的白光干涉Fizeau干涉仪型光程相关器的结构示意图。

图3是基于环形光纤反射镜的共光路Fizeau干涉仪型光程相关器的结构示意图。

图4是平面反射镜光程扫描式光路结构示意图。

图5是折返式光程扫描棱镜和固定的平面反射镜构成的扫描光路结构示意图。

图6是基于四端口光纤环形器和环形光纤反射镜的共光路Fizeau干涉仪型光程相关器所构造出来的光纤白光干涉测量系统示意图。

图7是具体实施干涉测量时可采用的几种典型的测量干涉仪示意图。

具体实施方式

本发明公布了一种基于环形光纤反射镜的共光路Fizeau干涉仪型光程相关器,可用于多路复用光纤白光干涉传感器阵列的解调系统中。该技术的主要特征在于:该光程相关器是通过将环形光纤反射镜与一个光纤自聚焦透镜准直器相连接，该光纤准直器被固定在一个精密滑移台的基座上，一个平面光学反射镜被固定在可以滑移的平台上，正对着光纤准直器，构成了一个光程可调的菲索干涉仪。

下面结合附图给出的实施例对本发明做更详细地描述：

在给出本发明的工作原理之前，为方便理解我们首先借助于一种具有端面为半透半反镜的Fizeau型光纤光程相关器(专利号CN102003944B)来加以说明，如图2所示。来自光源的光信号21通过三端口光纤环形器22的端口e经过端口f进入该Fizeau型光纤光程相关器，在该相关其中的光一部分被光纤准直器23的端面反射，经过三端口光纤环形器后从g口输出信号25；另一部分光则透过光纤准直器的半透半反镜端面到达平面反射镜24，被反射后通过三端口光纤环形器的g口输出了第二束光26。该光纤光程相关器的作用有二，一是将同一光束分成两束；其二是使这两束光形成一个光程差，以便于与测量干涉仪的光程差进行匹配实施测量。

基于环形光纤反射镜构成的共光路Fizeau型光纤光程相关器，其结构如图3所示。该结构中将半透半反镜换成了由2×2光纤耦合器构成的光纤环型反射器，该光纤光程相关器与上述带有半透半反镜的共光路Fizeau干涉仪型光纤光程相关器的工作原理相同，输入信号31通过三端口光纤环形器32的h端口经过端口i进入光程相关器后，被分成两路信号相向传输，经过环形路径之后，其中的1/2返回并经由i端口到j端口，输出端输出信号37(假设我们可以忽略光纤耦合器的插入损耗)。而另外1/2则通过光纤准直器35后被可移动的反射镜36反射回来，再次进入光纤环，被反射回来的光信号的1/2经过三端口光纤环形器32的i端口由j端口直接到达输出端，输出信号38，余下的1/2重复第一个循环，进入第二次循环，以此类推，直到信号衰减到很小。

空域相关扫描最常用的技术是基于位移台的空间光程延迟线技术。主要有两种工作形式，其一是准直光束的反射式位移扫描，如图4所示；其二是直角棱镜的折反透射式位移扫描，其工作原理如图5所示。

图4中，光纤中的输入光41经过自聚焦透镜43准直后，射向可移动的平面反射镜44，由于平面反射镜的空间光程2L是可变的(例如：对于扫描距离为100mm行程的位移台而言，其空间光程的变换范围为0～200mm)，因此可以通过精确的控制移动反射镜在空间的位置，就能自由的调整光程。

类似的，图5给出的是一种通过光纤准直器53，将空间传输的光束51进行准直，然后通过一个直角反射棱镜54，使空间传输的光被其两次反射并改变传播方向后，到达一个固定的反射镜55，然后按原路径返回并由光纤端输出信号52。棱镜的作用是实现空间光程的折反，在扫描位移平台的带动下，棱镜可以使空间光程发生2L的改变。对于移动范围为0～200mm的位移台而言，可使从输入光纤到输出光纤的透射传输光程发生变化而产生光程延迟，延迟量为0～400mm。利用光学延迟线的光学扫描延迟，可以构造光纤干涉解调仪，进而通过与光纤干涉测量仪的待测光程差进行匹配相关，从而可以检测由光纤干涉测量仪与解调仪相关所产生的白光干涉中心条纹，中心条纹位于扫描台的空间位置，即对应两光程差绝对相等处。将反射镜或棱镜位置停留到中心条纹处，即可实现光纤干涉仪光程差的平衡和匹配。

图6是基于四端口光纤环形器和环形光纤反射镜的共光路Fizeau干涉仪型光程相关器所构造出来的光纤白光干涉测量系统示意图。在该系统中，通过四端口光纤环形器62，将宽带ASE光源61发出的光通过端口q到端口r注入到环形光纤反射镜的共光路Fizeau干涉仪型光程相关器63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r，通过端口s，再经过远传光纤64，被送入测量干涉仪65中。而测量干涉仪可以是图7所示的几种典型干涉仪中的任意一种。

采用光纤进行测量干涉仪构造的形式有多种，图7给出了几种典型的结构。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图6干涉测量系统中的65部分，来实现各种物理量的干涉测量。

图7(a)是典型的Mach-Zehnder型光纤干涉仪，即可以工作在透射方式下，也能以反射的形式工作。其中的一臂作为干涉测量臂，而另一臂则为参考臂。

图7(b)是典型的Fizeau型光纤干涉仪，能以反射的形式工作。可用于光纤的形变或应变以及温度的测量。

如果待测物理量不能转化为光纤的光程变化，则可采用图7(c)所示的Michelson型光纤干涉仪的结构，通过开放端，将待测量以某种方式转换为空间光程的变化，例如：所测量的物理量是透明液体或固体的折射率，将其置于图中待测样品处，就可以通过比较其光程(nL)和其空间尺度(L)的方法获得折射率的测量结果。

若待测物理量是温度相关量，则可选用图7(d)所示的带有反射端的环形F-P光纤干涉测量仪结构，在测量区域，由于除了用于温度测量的环形光程外，其它部分两光路都是共光路，因而受温度变化的影响相同而彼此抵消了。因而环形光路的光程随温度变化是近似线性的，可实现温度测量。

Claims (2)

1.一种基于环形光纤反射镜的共光路菲索干涉仪型光程相关器，其特征在于：将环形光纤反射镜与一个光纤自聚焦透镜准直器相连接，光纤自聚焦透镜准直器被固定在一个精密滑移台的基座上，一个平面光学反射镜或直角棱镜被固定在可以滑移的平台上，正对光纤准直器，构成了一个光程可调的菲索干涉仪，菲索干涉仪的一个反射端是由一个3dB光纤耦合器所构成的环形光纤反射镜构成的；菲索干涉仪的另一个反射端是由自聚焦透镜型光纤准直器和动态扫描平面反射镜构成的；光程相关器的光程差是通过该共光路菲索干涉仪的两个反射端产生的，来自同一光源的光被该光程相关器分成两路，一路被光纤环行器反射回来，另一路被光程可调的动态扫描反射镜反射回来，这两个光信号通过三端口光纤环行器被输出出来。

2.根据权利要求1所述的一种基于环形光纤反射镜的共光路菲索干涉仪型光程相关器，其特征在于：所述的菲索干涉仪的另一个反射端是由自聚焦透镜型光纤准直器、固定的平面反射镜和动态扫描直角棱镜构成的。