CN109633196B - 一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,包括超连续光纤激光器、滤波器、光纤隔离器、环行器Ⅰ、啁啾光纤光栅、光纤分束器、光纤延迟器、光纤合束器、环行器Ⅱ、光纤探头、光纤放大器、光纤光谱仪;所述超连续光纤激光器、滤波器、光纤隔离器和环行器Ⅰ依次连接,环行器Ⅰ与啁啾光纤光栅和光纤分束器连接,光纤分束器分别通过光纤延迟器和光纤跳线连接光纤合束器,环行器Ⅱ分别连接光纤合束器、光纤探头和光纤放大器,所述光纤放大器连接光纤光谱仪。该干涉仪结构简单,易于调试,使用该干涉仪测量高速运动体的速度,时间分辨可以达到皮秒量级,且其光路设计有利于获得信噪比较高的数据,由数据可以直接重构速度信号,提高测速精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光测试装置,具体涉及一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪。
背景技术
强冲击波作用下的材料动力学响应特性研究是前沿物理课题之一,其中利用高功率脉冲激光加载金属材料并对其自由面速度剖面进行高时间分辨精确测量是一个重要研究内容。对于高速运动体的速度测量,常用的诊断设备有任意反射面的速度干涉仪(VISAR)、全光纤激光位移干涉仪(DISAR)和激光频域干涉仪,其中,VISAR采用昂贵的条纹相机或示波器作为记录设备,受限于这些设备的时间分辨能力以及其他因素,VISAR很难做到10ps以下的时间分辨测量;DISAR作为一种位移干涉仪被用来测量速度信号时,对于加速度非常高的低速信号的测量是无能为力的,此外,考虑到数据处理过程和示波器记录设备,DISAR的测速时间分辨通常不会低于100ps;激光频域干涉仪在测量高速信号时具有独特的优势,它采用普通的光谱仪作为记录设备便可以实现皮秒甚至亚皮秒量级的时间分辨测量,基于激光频域干涉技术测速,中国工程物理研究院激光聚变研究中心已申请了两个中国发明专利:一种啁啾脉冲速度干涉仪(专利号ZL201310706464.X)和一种全光纤频域干涉仪(专利号ZL201420658771.5),但是,前者由分立光学元件构成,系统体积大,成本高,调试过程繁杂,而后者的记录数据是由两路分开传输的参考光和信号光干涉得到的,这将降低数据的信噪比,而且数据处理过程中的位移微分操作使获得的速度信号带有较强的振荡,从而对速度信号的准确判读产生不利影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题,提供一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,该干涉仪应用于高速运动体的速度测量,时间分辨可以达到皮秒量级,且其光路设计有利于获得信噪比较高的数据,由数据可以直接重构速度信号,提高测速精度。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,包括以下光纤元器件:超连续光纤激光器、滤波器、光纤隔离器、环行器Ⅰ、啁啾光纤光栅、光纤分束器、光纤延迟器、光纤合束器、环行器Ⅱ、光纤探头、光纤放大器、光纤光谱仪;所述超连续光纤激光器、滤波器、光纤隔离器和环行器Ⅰ的一端依次连接,环行器Ⅰ的另外两端分别连接啁啾光纤光栅和光纤分束器的输入端,光纤分束器的两个输出端分别通过光纤延迟器和光纤跳线连接光纤合束器的两个输入端,环行器Ⅱ的三个端口分别连接光纤合束器的输出端、光纤探头和光纤放大器,所述光纤放大器的另一端连接光纤光谱仪。
具体的说,所有光纤元器件均带有尾纤,所述尾纤与尾纤之间、尾纤与光纤跳线之间通过法兰盘或熔接的方式连接。
具体的说,所有光纤元器件和光纤跳线的工作中心波长为1550nm,工作带宽不小于60nm。
具体的说,所述超连续光纤激光器为脉冲激光器,所述脉冲激光器的输出光谱范围含1520~1580nm,且在光谱范围1520~1580nm内分布匀滑;所述脉冲激光器可以在单脉冲输出模式下工作。
具体的说,所述滤波器为带通滤波器,通带范围为1520~1580nm,宽带激光脉冲通过所述滤波器后,光谱宽度变为1520~1580nm。
具体的说,所述啁啾光纤光栅会将宽带激光脉冲在时间上进行展宽,啁啾光纤光栅引入的色散为正色散或负色散。
具体的说,所述光纤分束器的分光比为1:1。
具体的说,所述光纤延迟器的延迟时间连续可调。
具体的说,所述光纤探头为光纤自聚焦透镜棒,使用时探头正对待测样品表面安装。
具体的说,所述光纤光谱仪记录的数据为一维分布的频谱干涉条纹,干涉条纹沿光谱轴方向周期变化。
本发明还提供了利用上述全光纤啁啾脉冲速度干涉仪测量样品表面速度的方法,假设待测样品表面以某一速度高速运动,从光纤探头出来的两个啁啾脉冲以设定的延迟时间差先后垂直照射到样品表面上,被样品表面反射后,反射光相位发生变化,且部分反射光被光纤探头收集,此时,由于两个啁啾脉冲之间具有延迟时间差,它们的相位变化与样品表面在延迟时间差两端时刻的速度相对应;当这两个啁啾脉冲在光纤光谱仪内发生频谱干涉并被记录成干涉条纹后,参照样品表面未运动时的静态干涉条纹,通过数据处理便可得到两个啁啾脉冲的相位变化量之差,而这个相位变化量之差与待测样品表面在延迟时间内的平均速度成正比,因此,将其乘以一个系数即可得到样品表面速度。本发明的测试量程约等于啁啾脉冲的脉宽,时间分辨由延迟时间差和(τ0为啁啾脉冲对应的傅里叶变换极限脉宽,τc为啁啾脉冲的脉宽)之中的较大者决定,可以达到皮秒量级。
其整个流程具体如下:超连续光纤激光器输出的宽带激光脉冲首先通过滤波器将光谱限定在设置的范围内,经过光谱裁剪的激光脉冲再经过光纤隔离器进入环行器Ⅰ的第一个端口,光纤隔离器只允许激光单向通过、以起到保护激光器的作用,由环行器Ⅰ的第一个端口进去的宽带激光脉冲从其第二个端口出来并进入啁啾光纤光栅,啁啾光纤光栅将宽带激光脉冲在时间上进行展宽,使其变为设定啁啾量的啁啾脉冲,啁啾脉冲再由第二个端口返回环行器Ⅰ,并从第三个端口输出后进入光纤分束器;光纤分束器将啁啾脉冲等分为两部分,其中一部分通过一个光纤延迟器后进入光纤合束器,另一部分则通过一段光纤跳线后进入光纤合束器,由于两部分啁啾脉冲所走的路径不同,当它们从光纤合束器输出时将具有延迟时间差;由光纤合束器出来的两束啁啾脉冲以一定的延迟时间差先后进入环行器Ⅱ的第一个端口,然后从环行器Ⅱ的第二个端口出来,并经由尾纤进入光纤探头,光纤探头正对待测样品表面放置,两束啁啾脉冲先后从光纤探头出来并垂直照射样品待测面,被其反射后,光纤探头收集部分反射光并由第二个端口返回环行器Ⅱ;所述部分反射光从环行器Ⅱ的第三个端口先后出来并进入光纤放大器,被光纤放大器放大后进入光纤光谱仪,它们将在光谱仪内部发生频谱干涉,由光谱仪记录产生的频谱干涉条纹,通过对频谱干涉条纹进行数据处理,即可获得待测样品表面的速度历史。
其中,所述延迟时间差与光纤光谱仪记录的干涉条纹周期成反比关系,所述光纤延迟器可调整延迟时间差,因此可通过控制光纤延迟器改变进入所述光纤合束器的两路光束之间的延迟时间差,从而改变光纤光谱仪采集到的干涉条纹间距。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明的全光纤啁啾脉冲速度干涉仪具有结构简单,易于调试的优点,而采用该干涉仪应用于高速运动体的速度测量中,其时间分辨能力可以达到皮秒量级,解决了当前一些测速系统测量金属材料在强激光加载下的特征速度时时间分辨不够的问题;本发明的数据来自于两束强度相当的啁啾脉冲之间的频谱干涉,因此信噪比较好,利用数据重构速度信号时,过程简单直接,大大降低了数据处理引入的信号振荡,从而为数据的正确解读创造了条件。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中,附图标记对应的名称为:
1、超连续光纤激光器;2、滤波器;3、光纤隔离器;4、环行器Ⅰ;5、啁啾光纤光栅;6、光纤分束器;7、光纤延迟器;8、光纤合束器;9、环行器Ⅱ;10、光纤探头;11、光纤放大器;12、光纤光谱仪。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明,本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
本实施例提供一种结构简单、易于调试的全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,参见图1,该速度干涉仪包括以下光纤元器件:超连续光纤激光器1、滤波器2、光纤隔离器3、环行器Ⅰ4、啁啾光纤光栅5、光纤分束器6、光纤延迟器7、光纤合束器8、环行器Ⅱ9、光纤探头10、光纤放大器11、光纤光谱仪12;其中,超连续光纤激光器1为脉冲激光器,脉冲激光器的输出光谱范围含1520~1580nm,且在光谱范围1520~1580nm内分布匀滑;此外,脉冲激光器可以在单脉冲输出模式下工作。滤波器2为带通滤波器,通带范围为1520~1580nm,宽带激光脉冲通过滤波器后,光谱宽度变为1520~1580nm。光纤隔离器3起到保护超连续光纤激光器的作用。环行器Ⅰ4、环行器Ⅱ9均为三端环行器。啁啾光纤光栅5引入的色散为正色散或负色散,所述啁啾光纤光栅会将宽带激光脉冲在时间上进行展宽,所述啁啾光纤光栅可以将傅里叶变换极限脉冲展宽为线性啁啾脉冲。光纤分束器6为1×2光纤分束器,分束比为1:1。光纤延迟器7产生的延迟时间连续可调,通过控制光纤延迟器改变进入光纤合束器8的两路光束之间的延迟时间差,从而改变光纤光谱仪采集到的干涉条纹间距。光纤探头10为光纤自聚焦透镜棒,使用时探头正对待测样品表面安装。光纤光谱仪12记录的数据为一维分布的频谱干涉条纹,干涉条纹沿光谱轴方向周期变化。
所述超连续光纤激光器1、滤波器2、光纤隔离器3和环行器Ⅰ4的一端依次连接,环行器Ⅰ4的另外两端分别连接啁啾光纤光栅5和光纤分束器6的输入端,光纤分束器6的两个输出端分别通过光纤延迟器7和光纤跳线连接光纤合束器8的两个输入端,环行器Ⅱ9的三个端口分别连接光纤合束器8的输出端、光纤探头10和光纤放大器11,所述光纤放大器11的另一端连接光纤光谱仪12。
其中,所有光纤元器件均带有尾纤及FC/APC转接头,FC/APC转接头之间通过光纤转接法兰连接。所有光纤元器件和光纤跳线的工作中心波长为1550nm,工作带宽不小于60nm。
本实施例的目的是这样实现的:超连续光纤激光器1输出的宽带激光脉冲通过滤波器2将脉冲光谱裁剪为设定的光谱范围,然后进入光纤隔离器3;从光纤隔离器3出来的宽带激光脉冲进入环行器Ⅰ4的第一个端口,光纤隔离器3只允许激光单向通过,起到保护激光器的作用,由环行器Ⅰ4的第一个端口进去的宽带激光脉冲从其第二个端口出来并进入啁啾光纤光栅5,啁啾光纤光栅5将宽带激光脉冲在时间上进行展宽,使其变为设定啁啾量的啁啾脉冲,啁啾脉冲再由第二个端口返回环行器Ⅰ4,并从第三个端口输出后进入光纤分束器6;光纤分束器6将啁啾脉冲等分为两部分,其中一部分通过一个光纤延迟器7后进入光纤合束器8,另一部分则通过一段光纤跳线后进入光纤合束器8,由于两部分啁啾脉冲所走的路径不同,当它们从光纤合束器8输出时将具有一定的延迟时间差,而这个延迟时间差与光纤光谱仪记录的干涉条纹周期成反比关系,通过控制光纤延迟器可以改变这个延迟时间差;由光纤合束器8出来的两束啁啾脉冲以一定的延迟时间差(约2ps)先后进入环行器Ⅱ9的第一个端口,然后从环行器Ⅱ9的第二个端口出来,经由尾纤进入光纤探头10,光纤探头正对待测样品表面放置,两束啁啾脉冲先后从光纤探头出来并垂直照射样品待测面,被其反射后,光纤探头10收集部分反射光并由第二个端口返回环行器Ⅱ9,由于两束啁啾脉冲之间的延迟时间差只有几个皮秒,这期间待测样品表面的变化及其对啁啾脉冲的反射变化有限,使得被光纤探头收集到的两束啁啾脉冲的强度相当,从而保证频谱干涉条纹数据的对比度;被收集的部分反射光从环行器Ⅱ9的第三个端口先后出来并进入光纤放大器11,被光纤放大器放大后进入光纤光谱仪12,它们将在光谱仪内部发生频谱干涉,由光谱仪记录产生的频谱干涉条纹,通过对频谱干涉条纹进行数据处理,可获得待测样品表面的速度历史。
以上对实施例的全光纤啁啾脉冲速度干涉仪的结构进行了详细的描述,为了更好的理解本发明的测量原理,以下将对本发明全光纤啁啾脉冲速度干涉仪的具体测速过程加以详细介绍。
假设待测样品表面以一定的速度高速运动,从光纤探头10出来的两个啁啾脉冲以一定的延迟时间差先后垂直照射到样品表面上,被样品表面反射后,反射光相位发生变化,部分反射光被光纤探头10收集,此时,由于两个啁啾脉冲之间具有一定的延迟时间差,它们的相位变化与样品表面在延迟时间差两端时刻的速度相对应。当这两个啁啾脉冲在光纤光谱仪12内发生频谱干涉并被记录成干涉条纹后,参照样品表面未运动时的静态干涉条纹,通过数据处理便可得到两个啁啾脉冲的相位变化量之差,而这个相位变化量之差与待测样品表面在延迟时间内的平均速度成正比,因此,将其乘以一个系数即可得到样品表面速度。
使用该方法测量高速运动体的速度,时间分辨能力可以达到皮秒量级,解决了当前一些测速系统测量金属材料在强激光加载下的特征速度时时间分辨不够的问题;本发明的数据来自于两束强度相当的啁啾脉冲之间的频谱干涉,因此信噪比较好,利用数据重构速度信号时,过程简单直接,大大降低了数据处理引入的信号振荡,从而为数据的正确解读创造了条件。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一,不应当用于限制本发明的保护范围,但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色,其所解决的技术问题仍然与本发明一致的,均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,其特征在于,包括以下光纤元器件:超连续光纤激光器(1)、滤波器(2)、光纤隔离器(3)、环行器Ⅰ(4)、啁啾光纤光栅(5)、光纤分束器(6)、光纤延迟器(7)、光纤合束器(8)、环行器Ⅱ(9)、光纤探头(10)、光纤放大器(11)、光纤光谱仪(12);所述超连续光纤激光器(1)、滤波器(2)、光纤隔离器(3)和环行器Ⅰ(4)的一端依次连接,环行器Ⅰ(4)的另外两端分别连接啁啾光纤光栅(5)和光纤分束器(6)的输入端,光纤分束器(6)的两个输出端分别通过光纤延迟器(7)和光纤跳线连接光纤合束器(8)的两个输入端,环行器Ⅱ(9)的三个端口分别连接光纤合束器(8)的输出端、光纤探头(10)和光纤放大器(11),所述光纤放大器(11)的另一端连接光纤光谱仪(12);
利用上述全光纤啁啾脉冲速度干涉仪测量样品表面速度的方法包括如下步骤:
(S1)假设待测样品表面以某一速度高速运动,从光纤探头出来的两个啁啾脉冲以设定的延迟时间差先后垂直照射到样品表面上;被样品表面反射后,反射光相位发生变化,部分反射光被光纤探头收集;
(S2)由两个啁啾脉冲之间的延迟时间差,得到样品表面在延迟时间差两端时刻的速度相对应的相位变化;
(S3)将两个啁啾脉冲在光纤光谱仪内发生频谱干涉并被记录成干涉条纹后,参照样品表面未运动时的静态干涉条纹,通过数据处理便可得到两个啁啾脉冲的相位变化量之差;
(S4)由相位变化量之差与待测样品表面在延迟时间内的平均速度成正比,将其乘以一个系数即可得到样品表面速度。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,其特征在于,所有光纤元器件均带有尾纤,所述尾纤与尾纤之间、尾纤与光纤跳线之间通过法兰盘或熔接的方式连接。
3.根据权利要求2所述的一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,其特征在于,所有光纤元器件和光纤跳线的工作中心波长为1550nm,工作带宽不小于60nm。
4.根据权利要求3所述的一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,其特征在于,所述超连续光纤激光器(1)为脉冲激光器且可以在单脉冲输出模式下工作。
5.根据权利要求4所述的一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,其特征在于,所述滤波器(2)为带通滤波器。
6.根据权利要求3~5任意一项所述的一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,其特征在于,所述啁啾光纤光栅(5)可以将宽带激光脉冲在时间上进行展宽,啁啾光纤光栅引入的色散为正色散或负色散。
7.根据权利要求6所述的一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,其特征在于,所述光纤分束器(6)的分光比为1:1。
8.根据权利要求7所述的一种全光纤啁啾脉冲速度干涉仪,其特征在于,所述光纤探头(10)为光纤自聚焦透镜棒,使用时探头正对待测样品表面安装。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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