CN104535089B - 一种具有光程可调功能的杨氏光纤白光干涉解调仪 - Google Patents
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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具有光程可调功能的杨氏光纤白光干涉解调仪。本发明由光纤耦合器，光程调节装置，第一光纤出射端，第二光纤出射端,柱面透镜，线性CCD探测阵列以及光纤连接组成，经由外界测量干涉仪产生的携带待测信息的光束通过光纤耦合器被分为两束，分别在第一光纤尾端和第二光纤尾端输出，输出的两光场相干叠加后被汇聚在线性CCD探测阵列上形成一列明暗相间的条纹。本发明通过杨氏光纤干涉仪两臂中的一个光纤臂串接一个空间光程调整装置来实现的。因而不仅可以极大地扩展了系统测量的动态范围，而且可使解调仪工作在最佳状态。
Description
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具有光程可调功能的杨氏光纤白光干涉解调仪。
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。与普通光纤干涉仪相比，光纤白光干涉仪除了具有高灵敏度、本质安全、抗电磁干扰等优点外，最大特点是可对压力、应变、温度等物理量进行绝对测量。因此应用白光干涉的光纤干涉仪被广泛应用于物理、机械、环境、化学、生物医学等多领域的测量中。
在光纤白光干涉传感解调系统通常包括两部分：一部分是解调仪的光路结构；另一部分是空间光程动态调整装置。其中空间光程动态调整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。
1983年，R.E.Jones等人就用光纤来构造杨氏干涉仪，并将其用于磁场的测量R.E.Jones,J.P.Willson,G.D.Pitt,R.H.Pratt,K.W.H.Foulds,and D.N.Batchelder,Detection techniques for measurement of DC magnetic fields using opticalfiber sensors,The First International Conference on Optical Fiber Sensors,London,1983。S.Chen等在1991年提出了采用CCD作为空间探测阵列，借助于杨氏干涉仪的结构来实现光纤白光干涉解调的方案S.Chen and A.J.Rogers and B.T.Meggitt，Electronically scanned optical-fiber Young's white-light interferometer,Opt.Lett.,16(10),761-763,1991。1994年，A.Brandenburg与R.Henninger给出了一种集成波导杨氏白光干涉解调仪A.Brandenburg and R.Henninger,Integrated optical Younginterferometer,Appl.Opt.,33(25),5941-5947,1994。
上述在先技术都存在测量动态范围小、仅能测量一个传感器的缺点。为了克服这些缺点和不足，解决光纤干涉仪系统中的光程调整与匹配问题，本发明基于杨氏白光干涉的原理，给出了一种光程可调、可以扩展测量动态范围、实现多个传感器共用的光纤白光干涉传感解调装置。此外，该杨氏光纤白光干涉解调仪在两个光纤端点光源和CCD探测阵列之间，插入一个柱面透镜，这样可以将干涉光场的压缩成一条线聚焦于CCD探测面上，提高了信号效率，降低了光源的功率，从而降低了系统的成本。
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结构简单、调整方便、可以扩展测量动态范围、实现多个传感器共用的具有光程可调功能的杨氏光纤白光干涉解调仪。
本发明的目的是这样实现的：
一种具有光程可调功能的杨氏光纤白光干涉解调仪，由光纤耦合器，光程调节装置，第一光纤出射端，第二光纤出射端,柱面透镜，线性CCD探测阵列以及光纤连接组成，其特征在于：经由外界测量干涉仪产生的携带待测信息的光束通过光纤耦合器被分为两束，分别在第一光纤尾端和第二光纤尾端输出，输出的两光场相干叠加后被汇聚在线性CCD探测阵列上形成一列明暗相间的条纹，通过对接收到干涉图样进行信号处理可以解调出外界测量干涉仪所携带的待测信息。
通过杨氏光纤干涉仪两臂中的一个光纤臂串接一个空间光程调整装置来实现光程调节，空间光程调整装置由三端口光环行器，光纤准直器，扫描反射镜组成。
本发明的有益效果在于：
1本发明所给出的杨氏光纤白光干涉解调仪的一臂具有光程可调功能，该功能是通过杨氏光纤干涉仪两臂中的一个光纤臂串接一个空间光程调整装置来实现的。因而不仅可以极大地扩展了系统测量的动态范围，而且可使解调仪工作在最佳状态。
2本发明使用了三端口光纤环行器连接了输入、输出光路，由于每端都不会存在反射，避免了回波对光源的影响。保证了测试系统的稳定性，提高了测量系统的可靠性。
3本发明在CCD线性阵列探测器上端采用了柱面透镜，降低了对光源光功率的要求，提高了系统的信噪比。接收杨氏白光干涉条纹，通过对杨氏干涉条纹进行信号分析与处理，无须复杂的机械移动即可完成测量，测量周期极短，可以做到准实时监测。
附图说明
图1是具有光程可调功能的杨氏光纤白光干涉解调仪的结构示意图。
图2是透射式光程可调杨氏光纤白光干涉解调仪的结构示意图。
图3是反射式光程可调杨氏光纤白光干涉解调仪的结构示意图。
图4是对式3的模拟计算结果，(a)和(b)分别对应于初始相位φ0等于0和20π的情况。
图5是Mach-Zehnder干涉仪用做测量干涉仪，与光程可调杨氏光纤白光干涉解调仪进行透射式级联的结构示意图。
图6是Michelson干涉仪用做测量干涉仪，与光程可调杨氏光纤白光干涉解调仪进行反射式级联的结构示意图。
图7是Fizeau干涉仪用做测量干涉仪，与光程可调杨氏光纤白光干涉解调仪进行反射式级联的结构示意图。
图8是环形腔F-P干涉仪用做测量干涉仪，与光程可调杨氏光纤白光干涉解调仪进行反射式级联的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供的是一种具有光程可调功能的杨氏光纤白光干涉解调仪。可用于多路复用光纤白光干涉传感器阵列的解调系统中。该杨氏光纤白光干涉解调仪由光纤耦合器、三端口光环行器、光纤准直器、扫描反射镜、光纤、柱面透镜、光电耦合器件CCD阵列组成。经由测量干涉仪产生的携带待测信息的光通过光纤耦合器1被分为两束，分别在光纤尾端3和光纤尾端4输出。输出的两光场相干叠加后被汇聚在线性CCD探测阵列6上形成一列明暗相间的条纹。通过对接收到干涉图样进行后续信号处理可以解调出外界测量干涉仪所携带的待测信息。由于本发明所给出的杨氏光纤白光干涉解调仪的一臂具有光程可调功能，该功能是通过杨氏光纤干涉仪两臂中的一个光纤臂串接一个空间光程调整装置2来实现的。因而可使解调仪工作在最佳状态。此外，该杨氏光纤白光干涉解调仪在两个光纤端点光源和CCD探测阵列之间，插入一个柱面透镜，这样可以将干涉光场的压缩成一条线聚焦于CCD探测面上，提高信号效率，降低光源的功率，从而降低了系统的成本。
下面结合附图给出的实施例对本发明做更详细地描述：
本发明的目的是这样实现的：所述的具有光程可调功能的杨氏光纤白光干涉解调仪，是由光纤耦合器1，光程调节装置2，光纤出射端3，光纤出射端4,柱面透镜5，线性CCD探测阵列6以及相应光纤连接组成。经由外界测量干涉仪产生的携带待测信息的光束通过光纤耦合器1被分为两束，分别在光纤尾端3和光纤尾端4输出。输出的两光场相干叠加后被汇聚在线性CCD探测阵列6上形成一列明暗相间的条纹。通过对接收到干涉图样进行后续信号处理可以解调出外界测量干涉仪所携带的待测信息。
为了进一步扩展该杨氏光纤白光干涉解调仪的功能，通过杨氏光纤干涉仪两臂中的一个光纤臂串接一个空间光程调整装置2，可实现光程可调的功能。该装置是由三端口光环行器21，光纤准直器22，扫描反射镜23组成。该装置的功能在于匹配从光纤耦合器1中分离出的两光束的光程，从而使解调仪工作在最佳状态。此外，该杨氏光纤白光干涉解调仪在两个光纤端点光源和CCD探测阵列之间，插入一个柱面透镜，这样可以将干涉光场的压缩成一条线聚焦于CCD探测面上，提高了信号效率，降低了光源的功率，从而降低了系统的成本。在实际应用中，为了避免外界干扰，提高本装置的可靠性和稳定性，可以加装起到保护与固定作用的机械壳体。
该装置的工作原理是这样的：经由外界测量干涉仪产生的携带有待测信息的光束通过光纤耦合器1后被分为两束，进入两段不同的光纤即杨氏光纤干涉仪的两臂。其中一束光经过有着臂长可调整的装置2的一臂后在光纤尾端3输出，另一束光经过杨氏干涉仪的另一臂在光纤尾端4输出。输出的两光场经柱面透镜5汇聚于线性CCD阵列6上，两光场相干叠加后将在CCD阵列6上形成一列明暗相间的条纹。通过对接收到的干涉图样进行后续信号处理，就可以解调出输入该杨氏干涉仪的光束所携带的待测量信息。采用线性CCD阵列探测技术可以将空间扫描转化为空间干涉光场变化的光探测器逐个探测的数字化电子扫描，这一方面省略了机械扫描系统，另一方面也极大的提高了扫描速度。
为了更好理解该装置是如何实现测量的，我们结合图1进一步说明如下：当满足条件f＞＞d时，作为点光源的两出射光纤在CCD阵列x处的光程差可写为
该光程差由两部分构成，第一部分来自光纤外部的空间干涉不分。而第二部分则来自光纤测量干涉仪和光纤解调干涉仪之间的光程差。式中n0为光纤外空气中的折射率；d为两光纤端的间距；f为光纤端到CCD阵列的空间距离；ncore为光纤芯的平均折射率；Lm和Lc分别为来自测量光纤干涉仪和解调光纤干涉仪的光程差。两光束的相位差可表示为
这里λ0为中空中宽带光源的中心波长。
于是，在CCD阵列所探测到的两光纤出射的光波电场叠加的光场强度分布为
I(x)＝I0G(x){1+γ(x)cos[φ(x)-φ0]} (3)
式中I0代表两光纤在CCD阵列中点处的光场强度，G(x)为纤端光场强度的空间分布函数，γ(x)为宽带光源功率谱的傅里叶变换函数，φ0为初始相位。在宽带光源功率谱近似为高斯分布的情况下，G(x)与γ(x)可近似为高斯函数
于是，对于中心波长为λ0＝790nm的LED宽谱光源，利用式3式模拟在CCD阵列探测面的光强分布如图4a和b所示。计算过程中，所用的参数为Lm-Lc＝500nm；f＝180mm；d＝3mm；σa＝3mm；σγ＝16π；(a)φ0＝0；(b)φ0＝20π.
对式1进行变分，我们有
式中ΔLm可以是光纤长度的变化，也可以是F-P干涉仪腔长的变化。由此可知，通过探测白光干涉条纹在CCD阵列上的变化移动，就能够获得待测物理量引起的光程变化量的大小，进而测得相关物理量的变化。
图5给出了将该光纤白光杨氏干涉解调仪与透射式非平衡Mach-Zehnder干涉测量仪组合构建的有关光学测量系统。在该系统中，由白光光源8发出的光通过非平衡Mach-Zehnder测量干涉仪，该测量干涉仪的光程差中携带有待测物理量，该光程差经过本发明给出的光纤白光杨氏干涉解调仪后，通过光程调整装置2对由测量干涉仪产生的光程差进行补偿，从而使由杨氏干涉仪两光纤端3和4的出射光发生干涉。白光干涉条纹通过线性CCD探测阵列进行探测，该白光干涉条纹的峰值的位移量就对应所要探测的物理量。
由于杨氏干涉仪的两臂长差可以是不等长非平衡的，因此测量干涉仪的光程差的设计具有较大的自由度。图6是Michelson干涉仪用做测量干涉仪，与光程可调杨氏光纤白光干涉解调仪进行反射式级联所构成的测量系统。如果待测物理量不能转化为光纤的光程变化，则可采用图6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。在该系统中，由白光光源8发出的光经过三端口光纤环形器9后注入非平衡Michelson测量干涉仪，该测量干涉仪的光程差中携带有待测透明物体的折射率参量，载有待测物理量信息的两光束被反射回来，再次经过光纤环形器9后，达到本发明给出的光纤白光杨氏干涉解调仪，通过光程调整装置2对由测量干涉仪产生的光程差进行补偿，从而使由杨氏干涉仪两光纤端3和4的出射光发生干涉。白光干涉条纹通过线性CCD探测阵列进行探测，通过比较在Michelson测量干涉仪的一臂上插入和去除透明物体所导致白光干涉条纹的峰值在线性CCD阵列上的位移量，就能计算出所要探测的透明物体的折射率的大小。通过这种将解调仪与测量干涉进行的反射式组合，能够构造出各种物理量干涉测量系统，测量仪可以是能够产生光程差的任何一种，如图7所示的光纤F-P干涉仪,图8所示的环形腔F-P干涉仪等。
Claims (1)
1.一种具有光程可调功能的杨氏光纤白光干涉解调仪，由光纤耦合器(1)，光程调节装置(2)，第一光纤尾端(3)，第二光纤尾端(4),柱面透镜(5)，线性CCD探测阵列(6)以及光纤连接组成，其特征在于：经由外界测量干涉仪产生的携带待测信息的光束通过光纤耦合器(1)被分为两束，分别在第一光纤尾端(3)和第二光纤尾端(4)输出，输出的两光场相干叠加后被汇聚在线性CCD探测阵列(6)上形成一列明暗相间的条纹，通过对接收到干涉图样进行信号处理可以解调出外界测量干涉仪所携带的待测信息；通过杨氏光纤干涉仪两臂中的一个光纤臂串接一个空间光程调整装置(2)来实现光程调节，空间光程调整装置由三端口光环行器(21)，光纤准直器(22)，扫描反射镜(23)组成；
当满足条件f＞＞d时，作为点光源的两出射光纤在CCD阵列x处的光程差为
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该光程差由两部分构成，第一部分来自光纤外部的空间干涉部分；而第二部分则来自光纤测量干涉仪和光纤解调干涉仪之间的光程差；式中n0为光纤外空气中的折射率；d为两光纤端的间距；f为光纤端到CCD阵列的空间距离；ncore为光纤芯的平均折射率；Lm和Lc分别为来自测量光纤干涉仪和解调光纤干涉仪的光程差；两光束的相位差为
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λ0为中空中宽带光源的中心波长；
在CCD阵列所探测到的两光纤出射的光波电场叠加的光场强度分布为
I(x)＝I0G(x){1+γ(x)cos[φ(x)-φ0]}
式中I0代表两光纤在CCD阵列中点处的光场强度，G(x)为纤端光场强度的空间分布函数，γ(x)为宽带光源功率谱的傅里叶变换函数，φ0为初始相位；G(x)与γ(x)为高斯函数
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对于中心波长为λ0＝790nm的LED宽谱光源，模拟在CCD阵列探测面的光强分布；所用的参数为Lm-Lc＝500nm；f＝180mm；d＝3mm；σa＝3mm；σγ＝16π；φ0＝0；或φ0＝20π；
有
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式中ΔLm是光纤长度的变化，或是F-P干涉仪腔长的变化；通过探测白光干涉条纹在CCD阵列上的变化移动，就能够获得待测物理量引起的光程变化量的大小。
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