CN106199563A - 一种测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的装置，设置有光纤激光器；光纤激光器通过第一传输光纤连接光纤耦合器，第一光纤耦合器通过第二传输光纤连接第二光纤耦合器，第二传输光纤缠绕在压电陶瓷环上，压电陶瓷环与驱动电压源连接；第一光纤耦合器通过第三传输光纤与声光调制器连接，声光调制器与声光调制器驱动电源连接，声光调制器通过第三传输光纤与第二光纤耦合器连接；第二光纤耦合器通过第四传输光纤与光电探测器连接，光电探测器通过第五传输光纤与解调器连接。本发明有效的提高了测量的精度，灵敏度，可靠性和稳定性，大幅度的降低了噪声干扰，提升了信噪比，实现了对压电陶瓷微位移和频响高效精准的测量。

Description

一种测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的装置

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的装置。

背景技术

在合成孔径激光雷达中，为了实现高分辨率，要求信号具有大的频率带宽，为了更加方便的探测目标，要求信号具有大的时宽，从而确保探测信号的能量强度，综合两者，这就要求信号脉冲同时满足时宽和带宽的要求，即具有大的时宽带宽积。对于这一问题，可以通过调频来实现，线性调频可使辐射信号源在发射端具有大的时宽，同时在接收端通过脉冲压缩获得大的带宽，这就使得线性调频可以满足信号大的时宽带宽积的要求。在当前单频可调谐激光技术研究领域，全光纤激光器调谐已成为合成孔径激光雷达系统中光源的重要选择而受到越来越多的国内外研究人员的重视。全光纤激光器由于增益带宽很大，可以通过可调谐元件实现频率调谐，光纤光栅作为调谐装置被广泛应用于光纤激光器的频率调制，其调谐原理是光栅光纤可感应应力和温度的变化，这使得压电陶瓷调制成为了主要的调制方法，但该方法调试的前提是对压电陶瓷形变特性的测量与控制，这就使得对压电陶瓷的形变特性的研究显得尤为重要。压电陶瓷是激光器调谐过程中广泛使用的调谐原件，由于其在不同电压驱动条件下形变和频率响应，连接于其上的激光器腔镜，光纤光栅等可调谐滤波器件参数发生相应的改变，实现对激光器的调谐，可见压电陶瓷的形变和频率响应在激光器调谐过程中起着决定性作用，所以应对压电陶瓷的形变和频率响应特性做出精准测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的装置，旨在解决现有的压电陶瓷的形变和频率响应特性测量准确度较低的问题。

本发明是这样实现的，一种测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的方法，所述测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的方法包括：

光纤激光器将激光信号传入光纤耦合器，第一传输光纤接入光纤耦合器，光纤耦合器将第一传输光纤内的激光耦合进两臂等长的第二传输光纤和第三传输光纤，驱动电压源以低频升锯齿波驱动压电陶瓷环使半径发生变化，改变第二传输光纤的长度，使等长的第二传输光纤与第三传输光纤内的光路出现光程差，形成干涉条件；在低频升锯齿的驱动下，压电陶瓷管由于逆压电效应直径开始改变，也就是周长发生改变，由于光纤通过环氧树脂粘合在压电陶瓷表面，该路光纤的长度也就发生改变，使得两路光信号之间所通过的光路的长度出现差异，在光电探测器的光敏面上将发生干涉。

在第三传输光纤上接入声光调制器，声光调制器驱动电源发出一个调制信号控制声光调制器，使第三传输光纤上的信号频率增加一个调制频率；

将第二传输光纤和第三传输光纤经第二光纤耦合器耦合进第四传输光纤，第四传输光纤内的信号在光电探测器光敏面上发生干涉，光电探测响应出干涉信号的差频分量，并将其转化为电信号传入第五传输光纤；

第五传输光纤将电信号传入解调器，在光电探测器的探测面上，两路光信号经光纤耦合器耦合后，在光电探测器的探测面上发生干涉，即发生混频，而由于探测器频率响应的阈值，基频和和频分量光电探测器都无法响应，只有差频分量光电探测器可以响应，光电探测器并将差频干涉信号转换为电信号输出。解调器在声光调制器驱动电源所发出的调制频率处解调出目标信号。解调即接入一个中心频率为声光调制器调制频率的带通滤波器，该频率就为两路干涉信号频率的差频，也就是光电探测器上所响应得到的信号所在的频率，通过带通滤波器的检波，将光电探测器的电信号检出。

本发明的另一目的在于提供一种所述测量光纤激光器调频器件形变及频响特性方法的装置，所述装置设置有光纤激光器；

所述光纤激光器通过第一传输光纤连接光纤耦合器，第一光纤耦合器通过第二传输光纤连接第二光纤耦合器，第二传输光纤缠绕在压电陶瓷环上，压电陶瓷环与驱动电压源连接；

所述第一光纤耦合器通过第三传输光纤与声光调制器连接，声光调制器与声光调制器驱动电源连接，声光调制器通过第三传输光纤与第二光纤耦合器连接；

所述第二光纤耦合器通过第四传输光纤与光电探测器连接，光电探测器通过第五传输光纤与解调器连接。

进一步，所述第二传输光纤通过环氧树脂紧密缠绕在压电陶瓷环上。

本发明提供的测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的装置，利用声光调制器将目标信号加载在了载波之上，实现了外差探测，避免了基频的噪声干扰，信噪比不发生改变。通过解调器的解调，只有差频分量的信号可以被滤出，有效地去除杂光的干扰；在探测的灵明度和选择性这两个关键指标上，该装置性能都十分优良，极大地减少了噪声的干扰，实现了精准测量。利用双光纤外差干涉测量压电陶瓷微位移和频率响应特性的装置，与实际的相对误差在0.5％以下，在100Hz左右的低频电压驱动下，压电陶瓷线性响应度良好，高频电压下驱动下，由于压电陶瓷为容性负载，频率响应的线性度变差。相较于零差法的测量，极大地避免了零频噪声的干扰。灵敏度可达10⁷～10⁸，稳定性和可靠性高。与现有技术相比，本发明优势如下：

1.本发明将光纤特性应用于微位移和频响的测量，相较于各种电学测量器件，具有很高的测量精度和很强的可靠性。

2.本发明采用双光纤外差干涉的测量方法，相较于零差探测有高灵敏度，低噪声干扰，信号信噪比不损失，稳定性强的优点。

3.本发明操作简单，测量方便快捷，通过探测器上的干涉光强分布可以快速准确的得到压电陶瓷的位移和频响特性，具有很强的实用性和可操作性，应用前景巨大。所述装置将激光光路分为等长的参考光路和探测光路两路，进行外差干涉探测，提高了探测的灵敏度和精度。

4.本发明光纤通过声光调制器使其频率发生微小改变，使其信号加载在调频光路上，避免了大量的零频噪声的干扰。

5.本发明干涉信号需经解调器解调，在声光调制器的调制频率处解调出两路光纤激光的干涉信号。

6.本发明在低频电压驱动下，探测器所探测的干涉光强与压电陶瓷的微位移是线性关系，高频电压驱动下，此线性响应将变差，第二传输光纤所缠绕的环数即为对压电陶瓷环6周长变化的放大倍数，根据压电陶瓷环6的大小，应尽可能多的缠绕以增大环数，从而提高放大倍数，提升测量精度。

7.可以精准有效的测量出压电陶瓷的微位移和频率响应特性，相较于直接探测和零差探测具有更高的测量精度，灵敏度，可靠性和稳定性，大幅度的降低了噪声干扰，提升了信噪比，实现了对压电陶瓷微位移和频响高效精准的测量。与理论值的相对误差在0.5％以下，灵敏度可达10⁷～10⁸。

附图说明

图1是本发明实施例提供的测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的装置结构示意图；

图中：1、光纤激光器；2、第一传输光纤；3、第一光纤耦合器；4、第二传输光纤；5、驱动电压源；6、压电陶瓷环；7、第三传输光纤；8、声光调制器；9、声光调制器驱动电源；10、第二光纤耦合器；11、第四传输光纤；12、光电探测器；13、第五传输光纤；14、解调器。

图2是本发明实施例提供的光纤伸长与探测器光强变换示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的装置主要包括：光纤激光器1、第一传输光纤2、第一光纤耦合器3、第二传输光纤4、驱动电压源5、压电陶瓷环6、第三传输光纤7、声光调制器8、声光调制器驱动电源9、第二光纤耦合器10、第四传输光纤11、光电探测器12、第五传输光纤13、解调器14。

光纤激光器1将激光信号传入第一光纤耦合器3，第一传输光纤2接入第一光纤耦合器3，第一光纤耦合器3将第一传输光纤2内的激光耦合进两臂等长的第二传输光纤4和第三传输光纤7，第二传输光纤4通过环氧树脂紧密缠绕在压电陶瓷环6上，驱动电压源5以低频升锯齿波驱动压电陶瓷环使其半径发生变化，从而改变第二传输光纤4的长度，使原本等长的第二传输光纤4与第三传输光纤7内的光路出现光程差，形成干涉条件，在第三传输光纤7上接入一个声光调制器8，声光调制器驱动电源9发出一个调制信号控制声光调制器8，使第三传输光纤7上的信号频率增加一个调制频率，再将第二传输光纤4和7经第二光纤耦合器10耦合进第四传输光纤11，第四传输光纤11内的信号在光电探测器12的光敏面上发生干涉，光电探测器12响应出干涉信号的差频分量，并将差频干涉信号转换为电信号传入第五传输光纤13，第五传输光纤13将电信号传入解调器14，解调器14在声光调制器驱动电源9的频率处解调出目标信号，光电探测器12光敏面上的干涉光强与第二传输光纤4长度变化的关系如图2所示。

光纤激光器1的激光信号经第一光纤耦合器3耦合进等长的光纤臂第二传输光纤4与第三传输光纤7，其中第三传输光纤7的激光信号经过声光调制器驱动电源9对声光调制器8进行了调频，使两个等长的光纤臂中的信号产生差频，实现了外差探测。

第二传输光纤4通过环氧树脂紧密缠绕在压电陶瓷环6，第二传输光纤4所缠绕的环数即为对压电陶瓷环6周长变化的放大倍数，根据压电陶瓷环6的大小，应尽可能多的缠绕以增大环数，从而提高放大倍数，提升测量精度。

声光调制器驱动电源9所产生的调制频率一般为80MHz或110MHz，解调器12在该调制频率处解调出两个光纤臂的干涉信号。

光电探测器12上干涉光强在驱动电压源5的一个升锯齿波的周期内的一个正弦曲线对应于压电陶瓷环6改变一个光纤激光器1一个波长的长度，通过测量一个周期内正弦曲线的周期数(不一定为整数)，就可得到压电陶瓷环6的周长改变量。光电探测器12上的干涉光强的正弦曲线是压电陶瓷环6驱动电压的线性响应。非正弦曲线部分是压电陶瓷环6驱动电压的非线性响应。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图1所示，激光器发出的激光由耦合器耦合进两束等长的光纤臂中，其中一臂光纤紧密的缠绕在压电陶瓷环上，在无应力状态，无初始形变的前提下，当压电陶瓷上的电压缓慢增加，即驱动锯齿波电压频率较低时，压电陶瓷管的形变，即压电陶瓷环的周长的变化为：

l₀＝2π×d₃₃×V (1)

式中d₃₃为压电陶瓷的逆压电系数，V为驱动电压，此时紧密缠绕在压电陶瓷环上的光纤长度的变化与压电陶瓷环周长的变化的关系为：

△L_(ν)＝n×l₀ (2)式中n为压电陶瓷上所缠绕光纤的匝数，因此有：

△L_(ν)＝n×2π×d₃₃×V (3)

在激光频率方面，激光器输出的光场表示为：

式中E为激光电场分量的幅值，ν₀为激光光源的频率，为激光的初始相位，缠绕压电陶瓷的这一臂光纤的光场表示为：

式中E₁为激光电场分量的幅值，表示该臂激光的固有相位，在另一臂光纤中接入一个声光调制器，在声光调制器上加载一个频率为f的调制信号，则这一臂光纤的光场表示为：

式中E₂为激光电场分量的幅值，表示该臂激光的固有相位，将两束光耦合后传入光电探测器，光电探测器由于频率响应的阈值只能响应干涉信号的差频分量，并将其转换为电信号，经解调器在声光调制器驱动电压的频率处解调得到干涉光强为：

式中I₀为一常数，为两干涉臂的相位差，而：

式中k为激光波矢大小，综合(7)式和(8)式有：

由该式可知，压电陶瓷在电压V的驱动下使光纤臂长度改变一个波长时，余弦函数的相位改变量为2π，探测器上的光强变化为一个正弦曲线，如图2所示，其中λ为激光的波长。其干涉光强与第二传输光纤4长度变化的关系如图2所示。

计算出图2中周期数，其与光纤激光器1的波长的乘积就为第二传输光纤4长度的改变量，其与第二传输光纤4缠绕在压电陶瓷环6上匝数的比值就是压电陶瓷环6周长的改变量，随着驱动电压源所发出驱动电压频率的升高，图2中正弦区域将会缩小，对比图2的正弦区域的变化，就可以得到压电陶瓷环6的频率响应特性。

由此可见，本发明装置测量压电陶瓷微位移和频响特性的灵敏度可达10⁷～10⁸，整个过程信噪比不增加，有效的抑制了背景噪声，稳定性和可靠性高，相比现有市场产品有很高的实用价值。

由图2可知，通过精确测量确定电压驱动下该段曲线中正弦函数的周期数(不一定是整数)，与波长相乘，可以计算出n匝光纤臂被拉伸的长度△L_(ν)，将△L_(ν)与光纤匝数n带入(2)式，即可精确测量此电压下压电陶瓷管的形变l₀。

同时，如果探测器上的光强不是正弦变化，则可以说明此时压电陶瓷的形变和驱动电压不是线性关系，在高频电压驱动下，由于压电陶瓷是容性负载，对电压信号的高频响应变差，因此对驱动电压的响应波形产生畸变，线性响应的正弦周期的区域将减少，由此可以通过对探测器光强曲线的分析，可以得到压电陶瓷在驱动电压下的频率响应特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的方法，其特征在于，所述测量光纤激光器调频器件形变及频响特性的方法包括：

光纤激光器将激光信号传入光纤耦合器，第一传输光纤接入光纤耦合器，光纤耦合器将第一传输光纤内的激光耦合进两臂等长的第二传输光纤和第三传输光纤，驱动电压源以低频升锯齿波驱动压电陶瓷环使半径发生变化，改变第二传输光纤的长度，使等长的第二传输光纤与第三传输光纤内的光路出现光程差，形成干涉条件；

在第三传输光纤上接入声光调制器，声光调制器驱动电源发出一个调制信号控制声光调制器，使第三传输光纤上的信号频率增加一个调制频率；

将第二传输光纤和第三传输光纤经第二光纤耦合器耦合进第四传输光纤，第四传输光纤内的信号经光电探测器在声光调制器驱动电源所发出的调制频率响应得到信号光，并转换为电信号传入第五传输光纤；

第五传输光纤将电信号传入解调器，在声光调制器调制频率处解调得到所需信号。

2.一种如权利要求1所述测量光纤激光器调频器件形变及频响特性方法的装置，其特征在于，所述装置设置有光纤激光器；

所述光纤激光器通过第一传输光纤连接光纤耦合器，第一光纤耦合器通过第二传输光纤连接第二光纤耦合器，第二传输光纤缠绕在压电陶瓷环上，压电陶瓷环与驱动电压源连接；

所述第一光纤耦合器通过第三传输光纤与声光调制器连接，声光调制器与声光调制器驱动电源连接，声光调制器通过第三传输光纤与第二光纤耦合器连接；

所述第二光纤耦合器通过第四传输光纤与光电探测器连接，光电探测器通过第五传输光纤与解调器连接。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二传输光纤通过环氧树脂紧密缠绕在压电陶瓷环上。