CN105527020B - 一种基于光纤光路的光压演示及测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明所述一种基于光纤光路的光压演示及测量系统，包括光源，所述光源发射的光通过第一光和耦合器，所述第一光和耦合器将90％的光信号传输至光压演示部分，所述第一光纤耦合器将10％的光信号传输至光压测量部分，光压演示部分依次包括衰减器、光开关、准直器和薄片，光开关将连续激光转变为脉冲激光，衰减器为可调衰减器。本发明所述一种基于光纤光路的光压演示及测量系统的灵敏度得到提高，同时降低系统对激光功率、探测器灵敏度以及测试环境的要求。光路调节简单，结构紧凑，实验效果和成功率得以提高，同时降低光源功率的损耗。信号处理功能灵活，通过计算机进行数据处理，避免了人为测量可能带来的误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学演示与测量系统，尤其涉及一种用于光学中的基于光纤光路的光压演示及测量系统。
背景技术
在十七世纪时，德国天文学家开普勒曾用“太阳光的压力”来解释彗星尾巴总背向太阳的这个现象，而在十九世纪，英国物理学家麦克斯韦从光的电磁理论推算出：光正入射到黑体(完全吸收光的物体)上所产生的压强为p＝S/c(S为坡印廷矢量的值，c为光速)，预言了光压的存在。到了1901年，俄国物理学家列别捷夫成功地消除了运流及辐射度力对实验的影响，第一次完成了固体所受到的光压的测量，测得的太阳光压值与麦克斯韦的推算结果相吻合。
尽管在日常生活中，我们无法感受到光微弱的力，毕竟1km2面积上的阳光压力总共只有9N，但是光压对于太空研究以及纳米科技有着深远的意义，推动着太阳帆飞船的设计工作以及纳米机械的发展。光压看似微不足道，但却拥有着一定的研究价值。
但是，光压演示与测量是很困难的，因为在通常的实验条件下，光压力只有10-6～10-7N/m2。然而，自从20世纪60年代初发现激光以来，利用大功率的激光器发射出的激光为光源，进行光压实验，但是部分光压实验系统光路搭设尚有缺陷，演示效果并不尽人意，实验成功率与稳定性并不高，需要使用测角仪器测量悬镜角位移来完成光压的测量，其人为操作所产生的误差有时无法避 免。
为了确定光压的测量数值，说明光压的存在，同时弥补之前光压测量实验系统的缺陷，急需提供一种光压的演示与测量系统。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种基于光纤光路的光压演示及测量系统，巧妙利用迈克尔逊光纤干涉仪结构测量光压，采用全光纤光路设计，调节简单，结构紧凑，使系统性价比和实用性得到提升，实验系统同时提高实验效果和成功率。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于光纤光路的光压演示及测量系统，包括光源，所述光源发射的光通过第一光和耦合器，所述第一光和耦合器将90％的光信号传输至光压演示部分，所述第一光纤耦合器将10％的光信号传输至光压测量部分。
进一步，所述光压演示部分依次包括衰减器、光开关、准直器和薄片。
进一步，所述光开关将连续激光转变为脉冲激光。
进一步，所述衰减器为可调衰减器。
进一步，所述光压测量部分依次包括第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器将50％的光信号传输至环形器的第一端口，50％的光信号传输至第三光纤耦合器，所述环形器的第二端口将所述环形器的第一端口进入的光信号传输至第一准直器，所述第一准直器出射的平行光射至薄片，薄片反射后的光信号进入第二准直器，第二准直器的光信号通过光纤跳线传输至所述环形器的第二端口，之后所述环形器的第三端口将光信号传输至第三光纤耦合器，所述第三光纤耦合器将环形器的第三端口以及第二光纤耦合器传输的光信号耦合后，再将光信 号传输至第三准直器，第三准直器出射的平行光射至光电传感器，光电传感器采集光信号，再将光信号传输至计算机进行数据处理。
进一步，所述环形器的第三端口通过三环偏振控制器将经过薄片反射后的光信号传输至第三光纤耦合器。
进一步，所述光电传感器采集光信号，经过差分电路的处理，再将光信号传输至计算机进行数据处理。
进一步，所述薄片附着在玻璃膜上，附着薄片的玻璃膜通过丝线悬挂在横杆上，所述横杆设在两根竖杆顶部，所述两根竖杆垂直安插在底座上，所述底座下方设有调整位移台，用以微调薄片位置，所述玻璃真空罩内部放置所述底座、薄片与支架以及准直器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述一种基于光纤光路的光压演示及测量系统的灵敏度得到提高，同时降低系统对激光功率、探测器灵敏度以及测试环境的要求。
光路调节简单，结构紧凑，实验效果和成功率得以提高，同时降低光源功率的损耗。
信号处理功能灵活，通过计算机进行数据处理，避免了人为测量可能带来的误差。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例的系统的结构原理图；
附图标记列表：
1-激光器；
2-第一光纤耦合器；
3-衰减器；
4-光开关；
5-第二光纤耦合器；
6-环形器；
7-第一端口；
8-第二端口；
9-第三端口；
10-三环偏振控制器；
11-第三光纤耦合器；
12-第一准直器；
13-第二准直器；
14-第三准直器；
15-光电传感器；
16-薄片；
17-玻璃真空罩；
18-I路；
19-II路；
20-III路；
21-IV路；
22-V路；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在背景技术中，已经提到了实现光压演示及测量所面临的困难。本发明正是为了解决上述困难而设计了一种基于光纤光路的光压演示及测量系统。
图1示出了本发明实施例的系统的结构原理图。如图1所示，该光压演示及测量系统主要包括光源、薄片16和薄片支架、光压演示光路、光压测量光路、以及玻璃真空罩17。
在本发明的实施例中，光源优选采用光纤耦合激光器1，并放置在玻璃真空罩17外。薄片16及薄片支架容纳在玻璃真空罩17中。薄片16包括铝片及玻璃膜，铝片镶入玻璃膜内部，通过薄片支架固定在实验所需高度，以便第一准直器12发射的激光能够入射在薄片16上，以便产生实验后续所需的共振现象。薄片支架下垫有一调整位移台，用以调整薄片16高度，以便第一准直器12将平行光设置薄片16既定位置。
为了减少辐射力对光压演示及测量的影响，本发明利用真空泵对玻璃真空罩17进行抽真空，减少剩余气体，进一步达到所需的实验环境。
在本系统的光压演示部分，如图1所示，光纤耦合激光器1发射的激光通过第一光纤耦合器2(1:9)将90％的光信号通过I路18传输至可调衰减器3，将光功率调整到实验所需要的水平。进一步，激光通过光纤跳线将激光传输至光开关4，光开关4将连续激光转变为脉冲激光，传输至第一准直器12。第一准直器12出射的平行光射至悬挂在支架上的薄片16，以便产生实验后续所需的共振现象。
在本系统的光压测量部分，如图1所示，光纤耦合激光器1发射的激光通过第一光纤耦合器2(1:9)将10％的光信号通过II路19传输至第二光纤耦合器5(50:50)，其中的50％光信号通过III路20传输至环形器的第一端口7，50％的光信号通过IV路21传输至第三光纤耦合器11(50:50)。
进一步，环形器6的第二端口8将从环形器6的第一端口7接收的光信号传输至第一准直器12，第一准直器12出射的平行光射至薄片16。
进一步，薄片16发射第一准直器12出射的平行光，第二准直器13接收经过薄片16反射后的光信号，通过光纤跳线传输至环形器6的第二端口8，之后环形器6的第三端口9通过三环偏振控制器10和V路22将经过薄片16反射后的光信号传输至第三光纤耦合器11(50:50)。
进一步，第三光纤耦合器11(50:50)将环形器6的第三端口9以及第二光纤耦合器5(50:50)的通过IV路21传输的光信号耦合后，再将光信号传输至第三准直器14，第三准直器14出射的平行光射至光电传感器15。
进一步，光电采集光信号，经过差分电路的处理，再将光信号传输至计算机进行数据处理。
其中，第三准直器14出射的平行光射至光电传感器15上，传感器的电压输出与入射光的强度成正比，即与光学的电场的平方成正比，这里，设时刻的参考光和探测光的光学电场为
E＝E1cos(2πft+φ1)
式中：f是激光频率，φ1和φ2是初相位，薄片16振动引起的相位变化。
检测器的输出总是正比于总电场的平方，
对上式作三角变换，因为光学频率远大于光学拍信号，在检测器输出中不能清楚的观察到此频率因此可以略去，整理后得：
因此OPT101探测器将同时检测到两个量：一个正比于总光强的直流分量，另外一个是振幅正比于E1E2或(I1和I2是两束光的强度)、相位中包含多普勒相位的正弦型信号，其中多普勒相位由薄片16振动位移x(t)决定。
摆锤移动的位移x(t)与多普勒相位的关系为
为了方便计算，我们以摆锤装置的薄片16中心为原点建立的直角坐标系Oxy。薄片16移动距离是x，摆长是L。可知根据三角函数与反三角函数公式，可知薄片16上升高度H为
H＝L-cos[a sin(x1/L)×L]
再根据动能定理，可以算出光压大小F为
F＝(mgH)/S
m是薄片16质量，g为重力加速度，S为射向薄片16的光斑面积。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光纤光路的光压演示及测量系统，包括光源，其特征在于：所述光源发射的光通过第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器将90％的光信号传输至光压演示部分，所述第一光纤耦合器将10％的光信号传输至光压测量部分；
所述光压测量部分依次包括第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器将50％的光信号传输至环形器的第一端口，50％的光信号传输至第三光纤耦合器，所述环形器的第二端口将所述环形器的第一端口进入的光信号传输至第一准直器，所述第一准直器出射的平行光射至薄片，薄片反射后的光信号进入第二准直器，第二准直器的光信号通过光纤跳线传输至所述环形器的第二端口，之后所述环形器的第三端口将光信号传输至第三光纤耦合器，所述第三光纤耦合器将环形器的第三端口以及第二光纤耦合器传输的光信号耦合后，再将光信号传输至第三准直器，第三准直器出射的平行光射至光电传感器，光电传感器采集光信号，再将光信号传输至计算机进行数据处理。
2.根据权利要求1所述一种基于光纤光路的光压演示及测量系统，其特征在于：所述光压演示部分依次包括衰减器、光开关、准直器和薄片。
3.根据权利要求2所述一种基于光纤光路的光压演示及测量系统，其特征在于：所述光开关将连续激光转变为脉冲激光。
4.根据权利要求2所述一种基于光纤光路的光压演示及测量系统，其特征在于：所述衰减器为可调衰减器。
5.根据权利要求1所述一种基于光纤光路的光压演示及测量系统，其特征在于：所述环形器的第三端口通过三环偏振控制器将经过薄片反射后的光信号传输至第三光纤耦合器。
6.根据权利要求1所述一种基于光纤光路的光压演示及测量系统，其特征在于：所述光电传感器采集光信号，经过差分电路的处理，再将光信号传输至计算机进行数据处理。
7.根据权利要求1所述一种基于光纤光路的光压演示及测量系统，其特征在于：所述薄片附着在玻璃膜上，附着薄片的玻璃膜通过丝线悬挂在横杆上，所述横杆设在两根竖杆顶部，所述两根竖杆垂直安插在底座上，所述底座下方设有调整位移台，用以微调薄片位置，所述玻璃真空罩内部放置所述底座、薄片与支架以及准直器。
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