CN106441544A - 一种便携式光学测量仪器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式光学测量仪器，具有很好的空间时间分辨率，实现无损非接触式测量，其采用波分复用技术，将一个激光光源既作为激发光源，又作为探测光源，探测光源供给采用全光纤结构的斐索式干涉仪实现超声波振动的检测。本发明能够实现将通常需要两个激光器才能运作的检测系统简化为只需一个激光器的便携式结构。本发明的各个组成元件体积不大，利用光纤作为器件之间的连接部分，摆脱了传统光学结构上的局限，因而可以对其进行封装，组成一个只留有激发激光探头和探测激光探头在外的一体化探测系统。该系统具有紧凑的结构，重量大大减轻，既能满足便携的要求，又可以保证测量精度的要求，可以在一些操作不便的环境下灵活使用。

Description

一种便携式光学测量仪器
技术领域
本发明涉及光学检测装置领域，特别是一种便携式光学测量仪器。
背景技术
激光超声的检测手段已经非常多了，目前常规的超声检测器件有压电换能器、压电薄膜、静电传感器、电磁声换能器等，这些方法有较高的检测灵敏度，但必须与试样接触，或者要求非常接近试样表面，且需使用耦合剂，使得激光超声无损遥测、适应恶劣环境的特点无法发挥，而这些可利用光学检测法得以体现。所以，应用了光学的检测方法将是未来的发展方向。光学检测法也有很多分类，主要分为干涉法和非干涉法，二者都具有很高的灵敏度和分辨率，都能够很好的满足检测的需求。但对于大多数现有的光学检测设备，都显得较为复杂，大部分都是价格昂贵的光学镜片等仪器，体积较大，重量较重，且易受环境振动影响，需要光学平台作为辅助，所以只能在实验室中进行操作，无法很好的应用到实际的操作中，更不要说实现随时随地的测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种便携式光学测量仪器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种便携式光学测量仪器，包括相互连接的波分复用装置和斐索式探测系统，波分复用装置用于产生对样品表面超声波进行激发的激发光源，并产生入射光源给斐索式探测系统；斐索式探测系统用于检测样品表面因波分复用装置出射激光激发超声所产生的表面微振动；
所述波分复用装置包括依次连接的微片激光器、光环形器、光纤光栅和激光激发臂；其中微片激光器与光环形器的第一端口相连，光环形器的第二端口与光纤光栅相连，光环形器的第三端口与斐索式探测系统中的光隔离器相连；微片激光器所产生的双频激光，两束激光均沿微片激光器出射进入光环形器的第一端口，并由光环形器的第二端口进入光纤光栅中，然后其中一束激光将通过光纤光栅，到达激光激发臂的末端，另一束激光则由光纤光栅反射回到光环形器的第二端口，并从光环形器的第三端口出射；
斐索式探测系统包括光隔离器、光纤耦合器、PIN光电探测器和超声探测臂；光隔离器和PIN光电探测器分别连接光纤耦合器的两个光纤接头，光纤耦合器的光纤输出接口末端则作为超声探测臂；由光环形器的第三端口输入的激光经过光隔离器到达光纤耦合器中，其输出激光在超声探测臂末端反射回光纤耦合器中，并由PIN光电探测器接收。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明可以实现将往往需要两个激光器才能运作的检测系统简化为只需一个激光器；2)组成本发明便携式光学测量仪器的所有元件体积不大，利用光纤作为器件之间的连接部分，摆脱了传统光学结构上的局限，因而可以对其进行封装，组成一个只留有激发激光探头和探测激光探头在外的一体化探测系统；3)本发明便携式光学测量仪器具有更为紧凑的结构，重量大大减轻，既能满足便携的要求，又可以保证测量精度的要求，可以在一些操作不便的环境下灵活使用；4)本发明便携式光学测量仪器实现真正的便携式测量，采用波分复用技术，将一个激光光源既作为激发光源，又作为探测光源，探测光源供给采用全光纤结构的斐索式干涉仪实现超声波振动的检测；5)本发明便携式光学测量仪器兼具光学测量的高精度，高灵敏度等特点，能够利用激光激发超声波，并利用激光检测超声波，测得微小振动、位移等信息，具有很好的空间时间分辨率，实现无损非接触测量，能够在小尺寸、狭小空间等特殊环境中使用。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明便携式光学测量仪器的基本构成图。
图2是双频微片激光器的输出波形图。
图3(a)是光纤光栅的反射率分布图。
图3(b)是光纤光栅的透射率分布图。
图4(a)是光环形器的正向光路传播图。
图4(b)是光环形器的反向光路传播图。
图5是光隔离器的正反向光路传播图。
图6是光纤斐索干涉仪的基本结构图。
图7是干涉仪的探测光纤末端与待测物表面反射光路图。
图8是模拟相对光强输出曲线。
图1中I和II分别代表整个装置的两个部分，I为波分复用系统，II为光学检测系统；3.双频微片激光器，4.光环形器，5.光纤光栅，6.光隔离器，7.光纤耦合器，8.PIN光电探测器，9.激光激发臂，10.超声探测臂。
具体实施方式
本发明利用双频微片激光器产生具有两种不同频率的激光，连接光纤将这种混合激光输入到光环形器的输入口中，光环形器剩下的两个输出口分别用光纤连接光纤光栅和光隔离器。利用光纤光栅的频谱选择特性和光环形器的传光特性，组成一个波分复用系统，实现激发激光和探测激光的分离，通过光纤光栅的激光作为激发激光，用来在材料表面激发超声波。从光环形器输出的另一路激光，即由光纤光栅所反射的固定频率激光，进入加装了一个光隔离器的光纤斐索式干涉仪中。光纤斐索干涉仪利用光电探测器接收光纤末端底面反射光和待测物表面反射光的相对光强值来探测微位移、微振动。加装的光隔离器能够消除光路中的反向光对干涉仪光源的不良影响。利用波分复用系统，实现了只用一个激光器来实现用激光激发超声和为干涉仪提供单一频率的探测光源；利用光纤斐索式干涉仪，能够检测由激发激光在待测物表面引起的振动，实现对待测物的光学式非接触测量。其构成框架参见图1所示。
结合图1，本发明的一种便携式光学测量仪器，包括相互连接的波分复用装置I和斐索式探测系统II，波分复用装置I用于产生对样品表面超声波进行激发的激发光源，并产生入射光源给斐索式探测系统II；斐索式探测系统II用于检测样品表面因波分复用装置I出射激光激发超声所产生的表面微振动；
所述波分复用装置I包括依次连接的微片激光器3、光环形器4、光纤光栅5和激光激发臂9；其中微片激光器3与光环形器4的第一端口相连，光环形器4的第二端口与光纤光栅5相连，光环形器4的第三端口与斐索式探测系统II中的光隔离器6相连；微片激光器3所产生的双频激光，两束激光均沿微片激光器3出射进入光环形器4的第一端口，并由光环形器4的第二端口进入光纤光栅5中，然后其中一束激光将通过光纤光栅5，到达激光激发臂9的末端，另一束激光则由光纤光栅5反射回到光环形器4的第二端口，并从光环形器4的第三端口出射；
斐索式探测系统II包括光隔离器6、光纤耦合器7、PIN光电探测器8和超声探测臂10；光隔离器6和PIN光电探测器8分别连接光纤耦合器7的两个光纤接头，光纤耦合器7的光纤输出接口末端则作为超声探测臂10；由光环形器4的第三端口输入的激光经过光隔离器6到达光纤耦合器7中，其输出激光在超声探测臂10末端反射回光纤耦合器7中，并由PIN光电探测器8接收。
所述光环形器4为三端口单模型光纤环形器，其工作中心波长在1550±30nm，插入损耗0.6dB，隔离度50dB，串扰大于50dB，光纤接口为FC型。
所述光纤光栅5为布拉格光纤光栅，其中心波长为1550nm，波长精确度0.3nm，光栅区长度15nm，反射带宽1nm，反射率97％，一端加装光纤FC连接头，采用冷接法与光环形器4的第二端口FC接口相连接。
所述光隔离器6为单极光隔离器，其工作波长在1550±15nm，插入损耗0.4dB，典型隔离度值42dB，光纤接口为FC型。
所述光纤耦合器7为单模标准2×2耦合器，工作波长1550nm，带宽±15nm，分光比50：50，插入损耗3dB，方向性≧55dB，其中一路输出光纤被截去，光纤接口为FC型。
所有器件均采用单模光纤，型号为SMF—28，纤芯半径4.07um，纤芯的折射率1.45。
本发明便携式光学测量仪器兼具光学测量的高精度，高灵敏度等特点，能够利用激光激发超声波，并利用激光检测超声波，测得微小振动、位移等信息，具有很好的空间时间分辨率，实现无损非接触测量，能够在小尺寸、狭小空间等特殊环境中使用。
下面进行更详细的描述。
将整个系统分为波分复用系统和检测系统两个部分分别介绍。
第I部分(波分复用系统)：
双频微片激光器
激光二极管抽运的双频微片激光器是指利用激光二极管(Laser Doide,LD)作为抽运源去抽运腔长毫米级别的双频微片增益介质的激光器，将LD体积小、效率高的特点与激光器光束质量高、相干性好、使用寿命较长的优势结合起来，由双频微片激光器的双折射效应产生双频的输出。这种双频微片激光器，具有全固化、重量轻、结构简单、光束质量高、可靠性高、结构紧凑、频差大、可调谐与输出双波长稳定的优点。利用其可调谐的特性，使得中心波长在1550nm，以满足光纤光栅的频率选择，其输出波形如图1所示。双频微片激光器输出的两束激光，一束激光作为斐索式干涉仪的入射光源进入探测系统中；从光纤光栅中透射的其它频率激光则用来激发声表面波。
光纤光栅：
光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性，将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。光纤光栅就其本质讲是由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，从而导致一定波长发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性。总体来说，光纤光栅是一种频谱选择元件。这种光栅具有较窄的反射谱和较高的反射率，其反射带宽和反射率灵敏度可以根据需要通过改变写入条件加以控制、调节。该光栅具有结构简单及温度和应变灵敏度特性良好等特点。
在多种多样的光纤光栅器件中，应用最为广泛的就是均匀周期正弦型光纤光栅。本次便携式激光超声干涉仪也拟采用该光纤光栅作为滤波元件。均匀光纤光栅的折射率微扰为
式中：Δn为折射率最大变化量；A为光栅周期。
由上式可得光栅的耦合波方程为
式中：为前、后向传导模；k为耦合系数；Δβ(z)为相位匹配条件。
相应的，可得到正弦型光栅的相位匹配条件为
λB＝2neffA(3)
式中：neff为第s阶模式的有效折射率。
对于单模光纤，如果不考虑双折射效应，则仅存在一个neff。为了求解2式，必须先求得光纤光栅区域的波导边界条件。在光栅的起始区，由于前向波尚未与后向波发生耦合，所以存在而在光栅的结束区域，由于折射率微扰不复存在，也就不可能产生出新的后向光波，所以必然存在根据此边界条件可解出耦合波方程为
式中
取决于光栅本身和注入光波长的量，与初始条件无关。
这样就可以得到光纤光栅的反射率R和透射率T为
利用MATLAB模拟在不同波长下的反射率和透射率的输出波形如图3(a)和图3(b)所示。正是由于光纤光栅对于特定波长的高反射率，其它波长的高透射率，所以可以用它来实现波分复用。将微片激光器中的特定波长的激光反射回光环形器中，从另一端口输出，以提供为探测系统的激光光源；而由光纤光栅透射的激光能量则作为激发激光，照射在待测物表面上，利用热弹机制，激发超声波。
光环形器
光环形器是只允许某端口的入射光从确定端口输出而反射光从另一端口输出的环形器件。对于三端口环形器，端口1的输入信号光只能从端口2输出，而端口2的输入信号光只能从端口3输出。环形器的主要组成部件为双折射分离元件、法拉第旋转器和相位旋转器。
图4(a)和图4(b)是三端口的光环形器工作原理图。图4(a)是其前向传输原理图。光束由端口1到端口2传播的工作过程如下：入射光经过双折射分离元件1后，被分离成两束，上束为垂直偏振光(E光)，下束为水平偏振光(O光)，经过法拉第旋转器和相位旋转器分别旋转45°后，上束变为水平偏振光，下束变为垂直偏振光，由于水平偏振光通过双折射分离元件2时其偏振方向不变，且不发生折射，而垂直偏振光通过时发生折射，过程与分离元件1相反，因此光束在端口2处被合成后输出。
图4(b)是后向传输原理图。光束由端口2到端口3传播的工作过程如下：输入光首先被靠近端口2的双折射分离元件分成两束正交偏振光，由于法拉第旋转器的非互异性，相位旋转器和法拉第旋转器的作用相互抵消，因此两个分量通过这两个器件后偏振态保持不变，经过靠近端口3的双折射分离元件的分离后，它们已偏离了端口1的轴，两束光线分别通过反射棱镜和偏振分束立方体透镜重新组合，并从端口3输出。
第II部分(光学检测系统)：
光隔离器
在光纤通信系统中总是存在着反向光，这些反向光的存在会产生反射噪声，入射光源又会引起光源扰动，使光路变得不稳定，甚至无法进行实际应用。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过，而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。它的作用是防止光路中由于各种原因产生的反向光对光源及光路系统产生不良影响。光隔离器包括一对线偏振器，两个偏振器的偏振面放置成45°角。在两个偏振器之间的是法拉第旋转器，它将偏振器的偏振面旋转45°。工作原理图如图5所示。
首先考虑光从左向右传输的情形：入射光是非偏振的，但是第一个偏振器只让垂直方向的偏振光通过，然后法拉第旋转器将偏振面向右旋转45°。如果第二个偏振器的偏振面在垂直方向右偏45°，则对光透射。这样，第一个偏振器和法拉第旋光器的光全部通过。除去由于入射偏振器阻挡了一半的入射光信号造成的损耗，信号无阻挡地通过隔离器。
再考虑光从反向传输的情况，即从右向左传输。右侧的偏振器只透过与垂直方向成45°的光，法拉第旋光器将光再向右旋转45°，这样偏振面成为水平的。左侧的偏振器只对垂直方向的光透过，因此该水平方向偏振的光被阻挡了。
光纤斐索干涉仪
光纤斐索干涉仪利用的是光纤传感器的反射式强度调制。其构成如图6所示。由光环形器第三端口入射的1550nm激光经过一光纤耦合器分成两路输入。将耦合器输出中的一路截去，剩下的一路既当作参考臂又当作信号臂来使用。在光纤尾部端面使被测物体表面之间形成一个空气间隙，从被测物体表面反射回来的光将有一部分(信号光)耦合进入光纤中，并和光纤端面的反射光(参考光)发生干涉。这两束光再次经过光纤耦合器，最后由PIN探测器接收其干涉图样。
工作原理：半导体激光二极管所产生的激光经过2×2光纤耦合器到达探测光纤末端，激光将在此发生反射和透射。反射光将被当作参考光，而待测面反射回来的将作为信号光，信号光中此时就包含了位移量的调制信息。信号光和反射光耦合进入检测光纤中，检测光纤连接PIN光电探测器，对其耦合后光强进行接收。其光路原理图如图7。
探测光纤末端端面返回的参考光与被探测物体表面返回的信号光之间将产生干涉，其干涉光强由式(6)描述：
式(6)中IR是光纤反射光，IS是物体信号光，表示这两束相干光之间的相位差，表示为式(7)
可见中包含了位移量x的调制信息。其中n0是空气折射率，其值为1，激光器的波长λ为1550nm。反射光光强由菲涅尔公式近似得到式(8)：
其中n1是单模光纤的纤芯折射率，n1≈1.46。Io则为初次到达光纤末端的光强。如图7所示，单模光纤底端截面轴线垂直于待测物体的表面，物体表面反射光路近似认为是镜面反射，激光由光纤末端以一发散角θ出射。θ角的值由光纤的数值孔径N.A.决定，光纤直径d＝9um。出射光以此角度通过光纤末端边缘出射，到达待测物体表面后遵循镜面反射的方式，会有一部分反射光再次进入光纤中。入射光光源点为S，其反射光相当于是由虚物点S′发出的，发散角为θ。这样返回光光强的大小就取决于以θ′入射到光纤中的光强大小。以S’为球心且与点E相交的锥形包面上，光强大小与球锥的底面积大小成正比关系。以S’为球心的球半径R为：
S’E＝S’B＝R
H为顶点A到过锥形边缘截线与法线相交点的距离。
H2＝AC=R-Rcosθ(11)
球锥底圆面积公式为：
S=2πRH
S2＝2πR×(R-Rcosθ)(13)
故耦合进光纤内的信号光光强：
其中RS为待测物体表面反射率。所以，到达PIN光电探测器的相对光强表达式为式(16)：
根据上面推导出的相对光强表达式，增加光纤末端面到待测物表面垂直距离x值，利用MATLAB软件模拟相对光强的输出波形，得到图8所示位移x与相对输出光强值曲线关系。在如A到B这样的1/2波形周期内，输出曲线具有良好的线性特征，能够很好的复现位移x值的改变，从而可以通过计算条纹的移动量，进一步求得相对位移的大小，达到测量振动的目的。
由上可知，本发明能够利用激光激发超声波，利用激光检测超声波，测得微小振动、位移等信息，具有很好的空间时间分辨率，实现无损非接触式测量，其采用波分复用技术，将一个激光光源既作为激发光源，又作为探测光源，探测光源供给采用全光纤结构的斐索式干涉仪实现超声波振动的检测。本发明能够实现将通常需要两个激光器才能运作的检测系统简化为只需一个激光器的便携式结构。本发明的各个组成元件体积不大，利用光纤作为器件之间的连接部分，摆脱了传统光学结构上的局限，因而可以对其进行封装，组成一个只留有激发激光探头和探测激光探头在外的一体化探测系统。该系统具有紧凑的结构，重量大大减轻，既能满足便携的要求，又可以保证测量精度的要求，可以在一些操作不便的环境下灵活使用。

Claims (6)

1.一种便携式光学测量仪器，其特征在于，包括相互连接的波分复用装置(I)和斐索式探测系统(II)，波分复用装置(I)用于产生对样品表面超声波进行激发的激发光源，并产生入射光源给斐索式探测系统(II)；斐索式探测系统(II)用于检测样品表面因波分复用装置(I)出射激光激发超声所产生的表面微振动；
所述波分复用装置(I)包括依次连接的微片激光器(3)、光环形器(4)、光纤光栅(5)和激光激发臂(9)；其中微片激光器(3)与光环形器(4)的第一端口相连，光环形器(4)的第二端口与光纤光栅(5)相连，光环形器(4)的第三端口与斐索式探测系统(II)中的光隔离器(6)相连；微片激光器(3)所产生的双频激光，两束激光均沿微片激光器(3)出射进入光环形器(4)的第一端口，并由光环形器(4)的第二端口进入光纤光栅(5)中，然后其中一束激光将通过光纤光栅(5)，到达激光激发臂(9)的末端，另一束激光则由光纤光栅(5)反射回到光环形器(4)的第二端口，并从光环形器(4)的第三端口出射；
斐索式探测系统(II)包括光隔离器(6)、光纤耦合器(7)、PIN光电探测器(8)和超声探测臂(10)；光隔离器(6)和PIN光电探测器(8)分别连接光纤耦合器(7)的两个光纤接头，光纤耦合器(7)的光纤输出接口末端则作为超声探测臂(10)；由光环形器(4)的第三端口输入的激光经过光隔离器(6)到达光纤耦合器(7)中，其输出激光在超声探测臂(10)末端反射回光纤耦合器(7)中，并由PIN光电探测器(8)接收。
2.根据权利要求1所述的便携式光学测量仪器，其特征在于，光环形器(4)为三端口单模型光纤环形器，其工作中心波长在1550±30nm，插入损耗0.6dB，隔离度50dB，串扰大于50dB，光纤接口为FC型。
3.根据权利要求1所述的便携式光学测量仪器，其特征在于，光纤光栅(5)为布拉格光纤光栅，其中心波长为1550nm，波长精确度0.3nm，光栅区长度15nm，反射带宽1nm，反射率97％，一端加装光纤FC连接头，采用冷接法与光环形器(4)的第二端口FC接口相连接。
4.根据权利要求1所述的便携式光学测量仪器，其特征在于，光隔离器(6)为单极光隔离器，其工作波长在1550±15nm，插入损耗0.4dB，典型隔离度值42dB，光纤接口为FC型。
5.根据权利要求1所述的便携式光学测量仪器，其特征在于，光纤耦合器(7)为单模标准2×2耦合器，工作波长1550nm，带宽±15nm，分光比50：50，插入损耗3dB，方向性≧55dB，其中一路输出光纤被截去，光纤接口为FC型。
6.根据权利要求1所述的便携式光学测量仪器，其特征在于，所有器件均采用单模光纤，型号为SMF—28，纤芯半径4.07um，纤芯的折射率1.45。
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