CN104677296A - 一种光纤激光拍波和单波自混合干涉融合的位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤激光拍波和单波自混合干涉融合的位移测量系统，属于光学测量技术领域。所述系统由泵浦源，半导体激光器，光纤光栅，光纤隔离器，探测器，掺铒光纤，压电陶瓷，3dB耦合器，混频器，滤波器，环行器，准直镜，波分复用器，可变光衰减器，射频带通滤波器，信号处理电路，反馈控制电路，A/D转换卡，计算机和结果输出组成。用一对光纤光栅作为激光腔镜产生单波长多纵模激光，经被测物反射或散射回激光腔与腔内光产生自混合干涉，处理拍波信号和单波信号，实现步长达100mm分辨率达纳米量级的位移测量。激光腔中增益介质对反馈光的放大作用使得系统能够测量低反射率物体；反馈控制稳定激光器输出波长，极大提高测量精度。

Description

一种光纤激光拍波和单波自混合干涉融合的位移测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种光纤激光拍波和单波自混合干涉融合的位移测量系统。

背景技术

现有的与此技术相接近的文献有以下两个：

[1]D.P.Hand,T.A.Carolan,J.S.Barton,and J.D.C.Jones.“Profile measurement of optically rough surfacesby fiber-optic interferometry”,Opt.Lett.,Vol.18,No.16,1993,P.1361-1363.(Optics Letters(光学快报),第18卷,第16期,P.1361-1363)

文献[1]的技术原理如图1所示。

半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤3dB耦合器后，到达测量头，测量头是一个菲索干涉仪，一部分光被光纤端面反射作为参考光，另一部分光经过自聚焦透镜聚焦后，投射到被测表面上，由被测表面反射重新回到系统中并与参考光发生干涉，干涉信号由探测器探测，干涉信号的相位决定于被测表面被测点的纵向高度；改变该激光器的驱动电流以改变激光器的发光频率，用四种不同频率的光对同一点进行测量，得到四个干涉信号，由于入射光波频率不同，四个干涉信号的位相就不同，调节驱动电流，使相邻两个干涉信号的相位差π/2，通过以下式子，即可解调出该点的光程差D，即完成单点的测量：

$D=\frac{c}{4\mathrm{\πv}}{\tan }^{-1}\left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)$

I_n(n＝1,2,3,4)是第n次干涉信号的强度，c是光速，ν是入射光频率。

步进电机再带动测量头横向扫描被测表面，即完成对被测表面的测量。

[2]Dejiao Lin,Xiangqian Jiang,Fang Xie,Wei Zhang,Lin Zhang and Ian Bennion.“High stability multiplexedfibre interferometer and its application on absolute displacement measurement and on-line surface metrology”，Optics Express,Vol.12,Issue 23,2004,P.5729-5734.(Optics Express(光学特快),2004年,第12卷,第23期,P.5729-5734)

文献[2]的技术原理图如图2所示。

此系统包含两个光路几乎重合的迈克尔逊干涉仪。一个迈克尔逊干涉仪是利用测量臂上的光纤光栅和参考镜作为反射镜构成，用于完成稳定工作；另一个迈克尔逊干涉仪是利用测量镜和参考镜作为反射镜构成，用于完成测量工作。因为两个干涉仪的参考臂共用一个反射镜，两个干涉仪的参考臂光路完全重合，又由于两个干涉仪的测量臂几乎重合，所以，一个干涉仪稳定了，另一个干涉仪也就稳定了。

由半导体激光器发出波长为λ₀的光经过两个3dB耦合器后被分为两路，一路被光纤光栅反射，另一路被参考反射镜反射。两路反射光经过3dB耦合器后再次相遇并且发生干涉，干涉信号经过环行器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过环行器，然后被探测器探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的参考臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(相位差为π/2)，从而实现稳定该干涉仪的目的。

可调谐激光器发出的波长λ_m可变的光经过两个光纤3dB耦合器后被分为两路，一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路经过光纤自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB耦合器后相遇，形成干涉信号，此干涉信号经过环行器及光纤光栅后，被探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。

上述两个现有技术存在的问题和不足是：

1、测量量程受入射光波波长λ的限制，测量量程很小，仅为λ/2，不能对跨距大于λ/2的位移进行测量。

2、难以对低反射率的物体进行测量。

3、测量结果受光源光谱漂移的影响，测量精度难以提高。

发明内容

本发明利用一对反射波长相同的光纤光栅(FBG)作为激光腔镜构成激光谐振腔，使激光器输出单波长的多纵模激光，频率间隔相同的任意两个纵模叠加形成同一频率拍波，激光器输出的多频率拍波投射到被测物体被反馈回激光腔中，与腔内光自混合干涉并被探测。用射频带通滤波器滤出某一频率拍波自混合干涉信号，处理后用它决定位移幅值，使最大步长达100mm以上；探测器探测到的单波长多纵模自混合干涉信号被用来测量位移量值，使测量分辨率为纳米量级。激光腔中的增益介质对反馈光有放大作用，所以本系统能对低反射率的物体进行测量。利用反馈控制稳定光纤激光器的激光波长，以及对光纤光栅作温度补偿，提高系统抗干扰性，适合在线测量。光纤激光器既是传感器又是干涉仪，全光纤光路无需调节，结构简单紧凑，易于携带。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种光纤激光单波自混合干涉位移测量系统，由980nm泵浦源S1，1310nm半导体激光器L1，三个光纤隔离器I1、I2、I3，掺铒光纤F1，五个光纤光栅FBG₁₁、FBG₁₂、FBG₂₁、FBG₂₂、FBG₂₃，3dB耦合器N1，压电陶瓷PZT，可变光衰减器VOA，准直镜G1，环形器H1，两个探测器PD1和PD2，波分复用器WDM，射频带通滤波器C1，混频器D1，滤波器E1，信号处理电路B1，反馈控制电路B2，A/D转换卡B3，计算机B4和输出结果B5组成；980nm光源S1和1310nm半导体激光器L1发出的光经过光纤隔离器I1、I2、波分复用器WDM和3dB耦合器N1后耦合到达光纤光栅FBG₂₁。光纤光栅FBG₂₁和FBG₂₂的布拉格波长为1310nm激光器波长，因此980nm泵浦光透过光纤光栅FBG₂₁到达紧邻的FBG₁₁。FBG₁₁、FBG₁₂的布拉格波长相同且在1550nm波段，因此形成两个激光腔镜，FBG₁₁和FBG₁₂之间是掺铒光纤F1，受到980nm光源S1的光激励产生1550nm波段荧光，满足激光腔谐振条件且在FBG₁₁和FBG₁₂反射谱内波长谐振，增益大于损耗时产生激光，调节激光器腔长，使激光器输出纵模间隔频率是△ν的多纵模激光，频率间隔相同的任意两个纵模叠加形成同一频率的拍波，因此激光器输出的是很多不同频率的拍波总和。在激光腔中置可变衰减器VOA调节损耗以调节掺铒光纤增益谱形状，用较大功率(>100mW)980泵浦源S1，抑制模竞争和模式跳变，实现稳定多纵模输出。激光器输出的多频率拍波透过FBG₁₂和紧邻的FBG₂₂，经由1310nm隔离器I3和准直镜G1，射向被测物，并由被测物反(散)射反馈回激光腔与腔内光自混合干涉，干涉信号经由FBG₁₁、FBG₂₁，到达3dB耦合器N1。一路信号经由波分复用器WDM到达隔离器I1、I2，由于I1、I2的作用不会对980nm泵浦源S1和1310nm半导体激光器L1产生影响；另一路信号经过环形器H1到达FBG₂₃,因为FBG₂₃布拉格波长为1310nm激光器波长，光线透过FBG₂₃被探测器PD1探测，得到的探测信号既是单波信号又是不同频率间隔的纵模组成的多频率拍波干涉信号的总和。信号一路经过射频带通滤波器C1滤出某一频率拍波干涉信号，经过混频器D1和滤波器E1处理后，输入A/D转换卡B3，再通过计算机B4中的程序作数据处理后，用它决定位移的幅值，使得最大测量步长扩大为100mm以上；信号另一路经过信号处理电路B1，A/D转换卡B3以及计算机B4中的程序作数据处理后，被用来测量位移的量值，因为是单波干涉信号，测量分辨率达到纳米量级。得到位移测量结果后，由结果输出B5输出。

FBG₂₁和FBG₂₂构成F-P干涉仪两反射镜，F-P干涉仪腔中光纤缠绕在压电陶瓷PZT上，自1310nm半导体激光器L1发出的光耦合进系统后，作用于FBG₂₁和FBG₂₂为反射镜的F-P干涉仪中，干涉信号与双光束干涉的信号极其相似，经过3dB耦合器N1后，一路经由波分复用器WDM到达隔离器I1、I2，由于I1、I2的作用不会对980nm泵浦源S1和1310nm半导体激光器L1产生影响；另一路信号经过环形器H1到达FBG₂₃，因为FBG₂₃反射率达100％，信号光被FBG₂₃反射后被探测器PD2探测，得到的信号经过反馈控制电路B2处理后，其输出信号加在压电陶瓷PZT上，驱动压电陶瓷PZT调节F-P干涉仪腔中光纤长度，使F-P干涉仪稳定在正交点(相位差)，即稳定了F-P干涉仪腔长。因由FBG₁₁和FBG₁₂组成的激光腔在此F-P干涉仪腔内，且激光腔镜FBG₁₁和FBG₁₂紧邻F-P干涉仪反射镜FBG₂₁和FBG₂₂，所以激光腔长得到稳定，同时在本系统中用负热膨胀系数材料作衬底，将光纤光栅FBG粘在衬底上作温度补偿使FBG的布拉格波长稳定，从而使激光腔输出的激光波长稳定。

进一步，作为一种优选方案，利用一对反射波长相同的光纤光栅(FBG)作为激光腔镜构成激光谐振腔，使激光器输出单波长多纵模激光，频率间隔相同的任意两个纵模叠加形成同一频率拍波，激光器输出的多频率拍波投射到被测物体后被反馈回激光腔中，与腔内光自混合干涉并被探测器PD1探测，用射频带通滤波器C1滤出某一频率拍波自混合干涉信号，处理后用它决定位移幅值，使最大测量步长扩大为100mm以上。探测器PD1得到的单波干涉信号被用来决定测量位移量值，使测量分辨率为纳米量级。

进一步，作为一种优选方案，利用PD2探测到的信号经过反馈控制电路B2处理后，输出信号驱动压电陶瓷PZT，调节光纤光栅FBG₂₁和FBG₂₂组成的F-P干涉仪腔中光纤长度，稳定了F-P干涉仪腔长，间接稳定了激光器腔长，同时用负热膨胀系数材料作衬底，将光线光栅粘在衬底上作温度补偿使光纤光栅布拉格波长稳定，使激光腔产生激光波长稳定。

进一步，作为一种优选方案，利用在激光腔中置可变光衰减器VOA，调节损耗以调节掺铒光纤增益谱形状，用较大功率(>100mW)泵浦光源S1，抑制模竞争和模式跃变，实现稳定多纵模输出。

本发明的有益效果主要有四个：

1.本发明利用一对反射波长相同的光纤光栅作为激光腔镜构成激光谐振腔，使激光器输出单波长多纵模激光，即多频率拍波，投射到被测物体后被反馈回激光腔与腔内光自混合干涉，处理干涉信号，使用某一频率拍波干涉信号决定测量步长，单波干涉信号决定测量量值，实现最大测量步长扩大为100mm，测量分辨率达到纳米量级的位移测量。

2.本发明利用光纤激光器的激光腔中的增益介质对被测物反馈回腔内的光有放大作用，实现对低反射率物体的测量。

3.本发明利用反馈控制补偿光程的方法稳定光纤激光器的腔长，以此稳定激光器输出光波的波长或频率，使测量系统有很强的抗干扰能力并适合在线测量。

4.本发明中光纤激光器自身集传感器和干涉仪于一体，全光纤光路无需调节，结构简单紧凑易于携带。

附图说明

图1是现有技术文献[1]的原理图；

图2是现有技术文献[2]的原理图；

图3是本发明原理图。

具体实施方式

下面结合附图3和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图3所示，一种光纤激光拍波和单波自混合干涉融合的位移测量系统，由980nm泵浦源S1，1310nm半导体激光器L1，三个光纤隔离器I1、I2、I3，掺铒光纤F1，五个光纤光栅FBG₁₁、FBG₁₂、FBG₂₁、FBG₂₂、FBG₂₃，3dB耦合器N1，压电陶瓷PZT，可变光衰减器VOA，准直镜G1，环形器H1，两个探测器PD1和PD2，波分复用器WDM，射频滤波器C1，混频器D1，滤波器E1，信号处理电路B1，反馈控制电路B2，A/D转换卡B3，计算机B4和输出结果B5组成；系统中光纤光栅FBG₁₁、FBG₁₂布拉格波长相同且在1550nm波段，光纤光栅FBG₂₁、FBG₂₂和FBG₂₃的布拉格波长相同，且为1310nm半导体激光器波长。FBG₁₁和FBG₁₂之间是掺铒光纤，FBG₁₁反射率为95％，FBG₁₂反射率为5％，FBG₂₁和FBG₂₂的反射率为4％，FBG₂₃的反射率为100％。980nm光源S1和1310nm半导体激光器L1发出的光经过光纤隔离器I1、I2、波分复用器WDM和3dB耦合器N1后耦合到达光纤光栅FBG₂₁。光纤光栅FBG₂₁和FBG₂₂的布拉格波长为1310nm激光器波长，因此980nm泵浦光透过光纤光栅FBG₂₁到达紧邻的FBG₁₁。FBG₁₁、FBG₁₂的布拉格波长相同且在1550nm波段，因此形成两个激光腔镜，FBG₁₁和FBG₁₂之间是掺铒光纤F1，受到980nm光源S1的光激励产生1550nm波段荧光，满足激光腔谐振条件且在FBG₁₁和FBG₁₂反射谱内波长谐振，增益大于损耗时产生激光。

激光谐振频率：

$v_q=\frac{c}{2\mathrm{nL}}q---\left(1\right)$

相邻纵模频率间隔△ν：

$\mathrm{\Δv}=\frac{c}{2\mathrm{nL}}---\left(2\right)$

式中：c是光速，n是腔内介质折射率，L是激光腔长，q是正整数。调节激光器腔长，以改变△ν，使多个纵模增益高于阈值，产生多纵模振荡，使激光器输出纵模间隔频率是△ν的多纵模激光，频率间隔相同的任意两个纵模叠加形成同一频率的拍波，因此激光器输出的是很多不同频率的拍波总和。在激光腔中置可变衰减器VOA调节损耗以调节掺铒光纤增益谱形状，用较大功率(>100mW)980泵浦源S1，抑制模竞争和模式跳变，实现稳定多纵模输出。激光器输出的多频率拍波透过FBG₁₂和紧邻的FBG₂₂，经由1310nm隔离器I3和准直镜G1，射向被测物，并由被测物反(散)射反馈回激光腔与腔内光自混合干涉，干涉信号经由FBG₁₁、FBG₂₁，到达3dB耦合器N1。一路信号经由波分复用器WDM到达隔离器I1、I2，由于I1、I2的作用不会对980nm泵浦源S1和1310nm半导体激光器L1产生影响；另一路信号经过环形器H1到达费FBG₂₃，因为FBG₂₃布拉格波长为1310nm激光器波长，光线透过FBG₂₃被探测器PD1探测，得到的探测信号既是单波信号又是不同频率间隔的纵模组成的多频率拍波干涉信号的总和。信号一路经过射频带通滤波器C1滤出某一频率拍波干涉信号，经过混频器D1和滤波器E1处理后，输入A/D转换卡B3，再通过计算机B4中的程序作数据处理后，用它决定位移的幅值，最大测量步长为(λ_s为拍波的合成波波长)和(l_c为激光相干长度)中的小者，使得最大测量步长扩大为100mm以上；信号另一路经过信号处理电路B1，A/D转换卡B3以及计算机B4中的程序作数据处理后，被用来测量位移的量值，因为是单波干涉信号，测量分辨率达到纳米量级。得到位移测量结果后，由结果输出B5输出。FBG₂₁和FBG₂₂构成F-P干涉仪两反射镜，F-P干涉仪腔中光纤缠绕在压电陶瓷PZT上，自1310nm半导体激光器L1发出的光耦合进系统后，作用于FBG₂₁和FBG₂₂为反射镜的F-P干涉仪中，干涉信号与双光束干涉的信号极其相似，经过3dB耦合器后，一路经由波分复用器WDM到达隔离器I1、I2，由于I1、I2的作用不会对980nm泵浦源S1和1310nm半导体激光器L1产生影响；另一路信号经过环形器H1到达FBG₂₃，因为FBG₂₃反射率达100％，信号光被FBG₂₃反射后被探测器PD2探测，得到的信号经过反馈控制电路B2处理后，其输出信号加在压电陶瓷PZT上，驱动压电陶瓷PZT调节F-P干涉仪腔中光纤长度，使F-P干涉仪稳定在正交点(相位差)，即稳定了F-P干涉仪腔长。因由FBG₁₁和FBG₁₂组成的激光腔在此F-P干涉仪腔内，且激光腔镜FBG₁₁和FBG₁₂紧邻F-P干涉仪反射镜FBG₂₁和FBG₂₂，所以激光腔长得到稳定，同时在本系统中用负热膨胀系数材料作衬底，将光纤光栅FBG粘在衬底上作温度补偿使FBG的布拉格波长稳定，从而使激光腔输出的激光波长稳定。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例，但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明无公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (5)

1.一种光纤激光拍波和单波自混合干涉融合的位移测量系统，其特征在于是由980nm泵浦源(S1)，1310nm半导体激光器(L1)，三个光纤隔离器(I1、I2、I3)，掺铒光纤(F1)，五个光纤光栅(FBG₁₁、FBG₁₂、FBG₂₁、FBG₂₂、FBG₂₃)，3dB耦合器(N1)，压电陶瓷(PZT)，可变光衰减器(VOA)，准直镜(G1)，环形器(H1)，射频滤波器(C1)，混频器(D1),滤波器(E1)，两个探测器(PD1、PD2)，波分复用器(WDM)，信号处理电路(B1)，反馈控制电路(B2)，A/D转换卡(B3)，计算机(B4)和输出结果(B5)组成，980nm光源(S1)和1310nm半导体激光器(L1)发出的光经过光纤隔离器(I1、I2)、波分复用器(WDM)和3dB耦合器(N1)后耦合到达光纤光栅(FBG₂₁)；光纤光栅(FBG₂₁)和光纤光栅(FBG₂₂)的布拉格波长为1310nm激光器波长，因此980nm泵浦光透过光纤光栅(FBG₂₁)到达紧邻的光纤光栅(FBG₁₁)；两个光纤光栅(FBG₁₁、FBG₁₂)的布拉格波长相同且在1550nm波段，因此形成两个激光腔镜，两个光纤光栅(FBG₁₁、FBG₁₂)之间是掺铒光纤(F1)，受到980nm光源(S1)的光激励产生1550nm波段荧光，满足激光腔谐振条件且在光纤光栅(FBG₁₁、FBG₁₂)反射谱内波长谐振，增益大于损耗时产生激光，调节激光器腔长，使激光器输出纵模间隔频率是△ν的多纵模激光，频率间隔相同的任意两个纵模叠加形成同一频率的拍波，因此激光器输出的是很多不同频率的拍波总和；在激光腔中置可变衰减器(VOA)调节损耗以调节掺铒光纤增益谱形状，用较大功率(>100mW)980泵浦源(S1)，抑制模竞争和模式跳变，实现稳定多纵模输出；透过光纤光栅(FBG₁₂)和紧邻的光纤光栅(FBG₂₂)，经由1310nm隔离器(I3)和准直镜(G1)，射向被测物，并由被测物反(散)射反馈回激光腔与腔内光自混合干涉，干涉信号经由光纤光栅(FBG₁₁、FBG₂₁)，到达3dB耦合器(N1)；一路信号经由波分复用器(WDM)到达隔离器(I1、I2)，由于隔离器(I1、I2)的作用不会对980nm泵浦源(S1)和1310nm半导体激光器(L1)产生影响；另一路信号经过环形器(H1)到达光纤光栅(FBG₂₃)，因为光纤光栅(FBG₂₃)布拉格波长为1310nm激光器波长，光线透过光纤光栅(FBG₂₃)被探测器(PD1)探测；得到的探测信号既是单波信号又是不同频率间隔的纵模组成的多频率拍波干涉信号的总和；信号一路经过射频带通滤波器(C1)滤出某一频率拍波干涉信号，经过混频器(D1)和滤波器(E1)处理后，输入A/D转换卡(B3)，再通过计算机(B4)中的程序作数据处理后，用它决定位移的幅值，使得最大测量步长扩大为100mm以上；信号另一路经过信号处理电路(B1)，A/D转换卡(B3)以及计算机(B4)中的程序作数据处理后，被用来测量位移的量值，因为是单波干涉信号，测量分辨率达到纳米量级；得到位移测量结果后，由结果输出(B5)输出；光纤光栅(FBG₂₁、FBG₂₂)构成F-P干涉仪两反射镜，F-P干涉仪腔中光纤缠绕在压电陶瓷(PZT)上，自1310nm半导体激光器(L1)发出的光耦合进系统后，作用于光纤光栅(FBG₂₁、FBG₂₂)为反射镜的F-P干涉仪中，干涉信号与双光束干涉的信号极其相似，经过3dB耦合器(N1)后，一路经由波分复用器(WDM)到达隔离器(I1、I2)，由于隔离器(I1、I2)的作用不会对980nm泵浦源(S1)和1310nm半导体激光器(L1)产生影响；另一路信号经过环形器(H1)到达光纤光栅(FBG₂₃)，因为光纤光栅(FBG₂₃)反射率达100％，信号光被光纤光栅(FBG₂₃)反射后被探测器(PD2)探测，得到的信号经过反馈控制电路(B2)处理后，其输出信号驱动压电陶瓷(PZT)，调节F-P干涉仪腔中光纤长度，使F-P干涉仪稳定在正交点(相位差)，即稳定了F-P干涉仪腔长，所以激光腔长也得到稳定，同时在本系统中用负热膨胀系数材料作衬底，将光纤光栅(FBG)粘在衬底上作温度补偿使其布拉格波长稳定，从而使激光腔输出的激光波长稳定。

2.根据权利要求1所述的一种光纤激光单波自混合干涉位移测量系统，其特征在于：利用利用一对反射波长相同的光纤光栅(FBG₁₁、FBG₁₂)作为激光腔镜构成激光谐振腔，调节腔长使激光器输出单波长多纵模激光，即多频率拍波，投射到被测物体后被反馈回激光腔与腔内光自混合干涉，处理干涉信号，使用某一频率拍波干涉信号决定测量步长，单波干涉信号决定测量量值，实现最大测量步长扩大为100mm，测量分辨率达到纳米量级的位移测量。

3.根据权利要求1所述的一种光纤激光单波自混合干涉位移测量系统，其特征在于：利用探测器(PD2)探测到的信号经过反馈控制电路(B2)处理后，输出信号驱动压电陶瓷(PZT)，调节F-P干涉仪腔中光纤长度，稳定F-P干涉仪腔长，即稳定了激光器输出光波的波长或频率，使测量系统有很强的抗干扰能力。

4.根据权利要求1所述的一种光纤激光单波自混合干涉位移测量系统，其特征在于：利用在激光腔中置可变衰减器(VOA)调节损耗以调节掺铒光纤增益谱形状，用较大功率(>100mW)980泵浦源(S1)，抑制模竞争和模式跳变，实现稳定多纵模输出。

5.根据权利要求1所述的一种光纤激光单波自混合干涉位移测量系统，其特征在于：光纤激光器自身集传感器和干涉仪于一体，全光纤光路无需调节。