CN106950673A - 一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节装置 - Google Patents
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Abstract
一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节装置，包括千分尺筒体、光耦合器、法拉第磁环、压电陶瓷环、千分尺游标、第一准直器、第二准直器。本发明将法拉第磁环设计成一维自由结构，旋转千分尺改变自由臂的位置，在um～cm级范围内进行臂差调节，结合电控压电陶瓷对法拉第磁环进行nm～um级精密调节，灵活改变迈克尔逊干涉仪的臂长差。该调节装置具有量程大，调节精度高，响应速度快，结构简单等优点，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体而言是一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节装置。
背景技术
在诸如光纤水听器、加速度计、振动传感器等光纤干涉式传感器中，需要检测传感信号的相位变化来获取被测物理量，必须对两个干涉光路进行快速、精确地匹配，实时补偿因为噪声引起的零点偏移，使传感器处于最佳工作点，从而获得最高的灵敏度。通常在解调光路中引入非平衡迈克尔逊干涉仪进行相位调节和匹配。目前，大多数相位调节的方法是在非平衡迈克尔逊干涉仪的单个臂上接入光纤延迟线，通过改变光纤延迟线的延迟量来实现相位匹配。光纤延迟线主要有固定光纤型、环形耦合型、多抽头型及光纤布喇格光栅(FBG)型等。这些光纤延迟线的延迟时间都是非连续的增量可调，通过光开关选路使光信号通过不同长度的光纤或波导，从而获得不同的延迟时间(ΔΤ)。由于路径长度是增量变化的，因此，延迟时间也只能是增量且非连续变化，精度在几十皮秒到几百皮秒量级，对应光纤长度变化量在mm级左右，很难满足精确相位调节的需要，且光纤延迟线一旦制作完成，后续很难再次调整延迟时间；近年来，相关机构开发出连续可调光纤延迟线。连续可调光纤延迟主要通过温度或者拉伸光纤、三棱镜等方法来实现，其中，温度或者拉伸光纤的调节方法的延迟量变化范围小、实时性差，且存在非线性效应，应用十分有限；三棱镜调节法是利用空气作为光传输路径，通过一个高精度数控步进马达来控制光路中反射镜面的移动，改变光路的长短来改变延迟时间，该方法可实现延迟时间的连续可调。如专利“电控光可调光纤延迟线”(专利申请号：201520020715.3)，以及文献“精密光纤延迟线的设计及实验验证”(光学精密工程，2014,22(10)：2622～2626)都对类似的结构进行了设计和探讨。但这种方案需要设计精密机械结构来保证精度，制作工艺复杂，成本高昂，且马达驱动的响应速度慢，实时性差，很难满足光纤干涉式传感器高精度、快速相位解调的需要，因此，如何简化非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节装置的结构，优化调节装置的实时性和灵活性，是光纤干涉式传感器领域一项亟待解决的课题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节装置，通过将法拉第磁环设计成一维自由结构，采用千分尺改变可调臂中的空间光路，在um～cm级范围内进行臂差调节，同时采用电控压电陶瓷驱动法拉第磁环，差动改变参考臂和可调臂的光路，进行nm～um级位移调节，实现非平衡迈克尔逊干涉仪臂长差的实时大范围、高精度灵活调节。
本发明采取的技术方案为：
一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节装置，包括千分尺筒体、光耦合器、法拉第磁环、压电陶瓷环、千分尺游标、第一准直器、第二准直器；
千分尺筒体的右侧内壁与压电陶瓷环的一端粘接固定，压电陶瓷环的另一端与法拉第磁环的一端粘接，法拉第磁环另一端可自由移动；压电陶瓷环接有电压控制线；
千分尺筒体的左端与千分尺游标螺纹连接，千分尺游标与第一准直器同轴粘接，第一准直器的尾纤与耦合器的输出端口1连接；第一准直器、法拉第磁环以及空间光路、耦合器构迈克尔逊干涉仪的可调臂；
千分尺筒体的右端与第二准直器同轴粘接，第二准直器的尾纤与耦合器的输出端口2连接；第二准直器、法拉第磁环以及空间光路、耦合器构迈克尔逊干涉仪的静态参考臂；
优选地，当待测的激光信号经过耦合器分光后，一束光经过第一准直器、空间自由光路后，到达法拉第磁环并反射，反向经过空间自由光路、第一准直器后到达耦合器；另一束光经过第一准直器、空间自由光路后，到达法拉第磁环并反射，反向经过空间自由光路、第一准直器后到达耦合器；两束反射光携带不同的臂长信息，在耦合器中发生干涉并输出。
优选地，法拉第磁环由磁环、第一法拉第旋光镜、第二法拉第旋光镜构成，法拉第旋光镜两侧面分别镀高反膜和增透膜，第一法拉第旋光镜的高反膜面与第二法拉第旋光镜高反膜面叠装，保持三者处于同一中心轴线上，并点胶固化在磁环内。磁环用于产生饱和磁场，保证迈克尔逊静态参考臂和可调臂上的入射光经过法拉第旋光镜反射后，光的偏振态旋转90°。法拉第磁环的双面反射结构设计，方便臂长的差分式调节，减小振动影响；当光信号入射进法拉第旋光镜后，法拉第旋光镜的磁光效应使信号光的偏振态顺时针旋转45°，反射后再旋转45°，总计旋转90°。则正向入射光与反向反射光在坐标方向的偏振变化反向，产生的偏振衰落相互抵消，从而有效消除偏振衰落的影响，改善信噪比。
优选地，所述光耦合器(2)分光比为1:1。考虑耦合器对光路中能量的衰减，一般耦合器的插入损耗小于3dB。这种分光比使干涉仪的两臂上具有等光强信号，经法拉第磁环反射后，进入耦合器干涉时，具备最佳的可见度，方便后续信号的检测。
优选地，一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节方法，手动旋转千分尺游标，通过游标带动第一准直器轴向移动，改变第一准直器与第一法拉第旋光镜之间空间光路的长度，在um～cm级范围内调节干涉仪的臂差，千分尺游标的调节量△x1与臂长差的变化量△L1满足：
△x1＝△L1；
改变电压控制线上的工作电压，压电陶瓷环在轴向的伸长量发生变化，法拉第磁环的空间位置发生变化，以差分方式改变参考臂和可调臂上空间光路的长度，从而在nm～um方位内改变干涉仪的臂长差。其中，法拉第磁环位置改变量△x2与干涉仪臂长差变化量△L2的关系为：
△x2＝2×△L2
优选地，一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节方法，对于调节速度要求不高、臂长调节范围大的场合，采用千分尺手动预先调节改变臂差；对于调节速度要求高、臂长微调的场合，结合干涉仪偏置点算法，采用电压控制快速精确调节。通过手动和电控调节相结合，实现迈克尔逊干涉仪臂长差的实时大范围、高精度灵活调节。
本发明一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节装置，技术效果如下：
(1)体积小，操作简单。该装置没有复杂的机电驱动结构，可以做成圆柱形的管状结构，长度小于30mm，直径数个mm，体积小；采用准直器与千分尺游标固定连接，手动旋进、旋出游标，即可实现um～cm范围内的大范围臂长差调节，对应延时调节量在亚ps～ns级；而为了满足更高等级延时调节的需要，通过改变压电陶瓷两端的电压，推动法拉第磁环水平移动，在nm～um级的范围内调节干涉仪的臂长差；整个装置操作简单，可以满足不同系统性能要求。
(2)调节精度高，适应性好。该装置通过改变千分尺游标，调节准直器到法拉第磁环的距离，即可实现um级的臂差调节，优于传统光纤延迟线的调节精度，而基于压电陶瓷的nm～um级臂差调节，则可以使实现fs级延时改变，远超出传统机械式光纤延迟线的调节精度，能跟好地满足高灵敏度相位传感器的需要；采用手动和电控调节组合设计，最大可调臂差范围达到10cm以上，而基于电控的压电陶瓷调节臂差方法，可在亚ms级响应系统的需求，实时性优于现有电控光纤延迟线。
(3)制作成本低。该装置无需复杂的机械结构，制作成本低廉，核心的法拉第磁环是对光隔离器产品的改进设计，物料丰富。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为本发明的法拉第磁环的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种非平衡迈克尔逊干涉仪臂长调节装置，结构如图1所示，它由千分尺筒体1、光耦合器2、法拉第磁环3、压电陶瓷环4、千分尺游标5、第一准直器6、第二准直器7、电压控制线8组成。千分尺筒体1是调节装置的支撑结构，与千分尺游标5螺纹连接。光耦合器2用于对入射的激光信号并进行分光，同时对两臂的反射光进行耦合，并在耦合区域进行干涉。法拉第磁环3用于补偿光纤线路中的偏振衰落，一端与压电陶瓷环4连接，另一端可自由移动，在压电陶瓷环4的作用下微调迈克尔逊干涉仪的臂差。压电陶瓷环4加载电压后线性伸长或缩短，用于推动法拉第磁环3产生轴线移动。千分尺游标5用于手动或电动旋转，产生轴向位移。第一准直器6用于准直出射的光斑，并将入射的光信号耦合进光纤，与千分尺游标5连接，用于构成大范围调节的自由臂。第二准直器7用于准直出射的光斑，并将入射的光信号耦合进光纤，与千分尺筒体1连接，用于构成静态参考臂。电压控制线8用于在压电陶瓷环4上加载工作电压，产生轴向伸长。
法拉第磁环3由磁环301、第一法拉第旋光镜302、第二法拉第旋光镜303构成。如图2所示。法拉第旋光镜的工作波长1550nm，两侧面分别镀高反膜和增透膜，高反膜的反射率大于99％，增透膜的透射率大于99.9％，第一法拉第旋光镜302高反膜面与第二法拉第旋光镜303高反膜面叠装，再点胶固化在磁环内；法拉第磁环3产生饱和磁场，当光信号经增透面单向通过法拉第旋光镜时，偏振态顺时针旋转45°，经过法拉第旋光镜的高反面反射后，再次顺时针旋转45°，从而保证左、右两臂上的入射光经过法拉第旋光镜反射后，光的偏振态顺时针旋转90°。
光耦合器分光比为1:1，中心波长1550nm，插入损耗小于3.3dB。
法拉第磁环3设计成一维自由结构，第一准直器6、第二准直器7与法拉第磁环3分离，调节法拉第磁环3或者任何一个准直器，即可改变非平衡迈克尔逊干涉仪的臂长差。通过旋转千分尺游标5，改变第一准直器6与法拉第磁环3的距离，即可在um～cm级范围内改变干涉装置的自由臂长度，实现大范围的臂差调节；当干涉仪的臂长差需要快速、精确调节时，只需要电控改变压电陶瓷环4两端的电压，使得压电陶瓷的伸长量发生变化，带动法拉第磁环3向左进行nm～um级移动。由于法拉第磁环3位置的变化，使参考臂增加(或减小)的同时，自由臂长度减小(或增加)，则压电陶瓷环4伸长或缩短使法拉第磁环3位置改变量△x2与臂长差△L2的关系为：
△x2＝2×△L2
例如，对于多个等间距弱光栅级联的传感阵列，如两个光栅对之间的间距为5米，在光栅刻写的工程中，受拉丝塔工艺的而影响，两个光栅之间的间距可能出现um级的波动。在匹配非平衡迈克尔逊干涉仪时，可以将参考臂的臂长设置1米，可调臂的臂长设置成6米，构成非平衡迈克逊干涉仪臂长调节装置。实际制作时，由于切割以及熔接的误差，臂长差可能出现mm级的偏差，可以通过手动调节千分尺的游标，观测干涉信号的幅度，当调节量基本补偿臂长误差后，干涉信号幅值接近最大。但不同位置的光栅对之间，受光纤拉丝应力或自身特性的影响，可能还存在nm～um级的长度差异，这会导致非平衡迈克尔逊干涉仪的臂差补偿偏离最佳点，从而大幅降低光栅之间干涉信号的灵敏度。在大规模超弱光纤光栅时分解调时，需要根据当前目标光栅对，调用设定的算法，快速进行精确匹配。此时，通过控制电路快速查表，获取相应的电压值，再调整压电陶瓷环上的电压，在nm～um范围内改变压电陶瓷的伸长量，即可实时修正干涉仪的臂长差，实现臂差的精确匹配，确保传感器处于最佳灵敏度的工作状态。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节装置，其特征在于：包括千分尺筒体(1)、光耦合器(2)、法拉第磁环(3)、压电陶瓷环(4)、千分尺游标(5)、第一准直器(6)、第二准直器(7)；
千分尺筒体(1)的右侧内壁与压电陶瓷环(4)的一端粘接固定，压电陶瓷环(4)的另一端与法拉第磁环(3)的一端粘接，法拉第磁环(3)另一端可自由移动；压电陶瓷环(4)接有电压控制线(8)；
千分尺筒体(1)的左端与千分尺游标(5)螺纹连接，千分尺游标(5)与第一准直器(6)同轴粘接，第一准直器(6)的尾纤与耦合器(2)的输出端口1连接；第一准直器(6)、法拉第磁环(3)以及空间光路、耦合器(2)构迈克尔逊干涉仪的可调臂；
千分尺筒体(1)的右端与第二准直器(7)同轴粘接，第二准直器(7)的尾纤与耦合器(2)的输出端口2连接；第二准直器(7)、法拉第磁环(3)以及空间光路、耦合器(2)构迈克尔逊干涉仪的静态参考臂。
2.根据权利要求1所述一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节装置，其特征在于：待测的激光信号经过耦合器(2)分光后，一束光经过第一准直器(6)、空间自由光路后，到达法拉第磁环(3)并反射，反向经过空间自由光路、第一准直器(6)后到达耦合器(2)；另一束光经过第一准直器(7)、空间自由光路后，到达法拉第磁环(3)并反射，反向经过空间自由光路、第一准直器(7)后到达耦合器(2)；两束反射光携带不同的臂长信息，在耦合器(2)中发生干涉并输出。
3.根据权利要求1所述一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节装置，其特征在于：法拉第磁环(3)由磁环(301)、第一法拉第旋光镜(302)、第二法拉第旋光镜(303)构成，法拉第旋光镜两侧面分别镀高反膜和增透膜，第一法拉第旋光镜(302)的高反膜面与第二法拉第旋光镜(303)高反膜面叠装，保持三者处于同一中心轴线上，并点胶固化在磁环(301)内。磁环(301)用于产生饱和磁场，保证迈克尔逊静态参考臂和可调臂上的入射光经过法拉第旋光镜反射后，光的偏振态旋转90°。
4.根据权利要求1所述一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节装置，其特征在于：所述光耦合器(2)分光比为1:1。
5.一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节方法，其特征在于：手动顺时针或逆时针旋转千分尺游标(5)，通过游标带动第一准直器(6)轴向移动，改变第一准直器(6)与第一法拉第旋光镜(302)之间空间光路的长度，在um～cm级范围内调节干涉仪的臂差，千分尺游标(5)的调节量△x1与臂长差的变化量△L1满足：
△x1＝△L1；
改变电压控制线(8)上的工作电压，压电陶瓷环(4)在轴向的伸长量发生变化，法拉第磁环(3)的空间位置发生变化，以差分方式改变参考臂和可调臂上空间光路的长度，从而在nm～um方位内改变干涉仪的臂长差。其中，法拉第磁环(3)位置的改变量△x2与干涉仪臂长差变化量△L2的关系为：
△x2＝2×△L2
6.一种非平衡光纤迈克尔逊干涉仪臂长调节方法，其特征在于：对于调节速度要求不高、臂长调节范围大的场合，采用千分尺手动预先调节改变臂差；对于调节速度要求高、臂长微调的场合，结合干涉仪偏置点算法，采用电压控制快速精确调节。通过手动和电控调节相结合，实现迈克尔逊干涉仪臂长差的实时大范围、高精度灵活调节。
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| CN106950673B (zh) | 2023-04-07 |
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