CN110456533A - 一种全光纤声光调制移频器及采用该移频器的全光纤外差测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种全光纤声光调制移频器及采用该移频器的全光纤外差测量系统，其中全光纤声光调制移频器包括布拉格光栅光纤、铝锥和压电陶瓷，压电陶瓷粘接固定在铝锥锥底平面上，铝锥的锥顶平面与锥底平面具有1.11°‑1.15°的角度范围，铝锥的锥顶平面垂直粘接在布拉格光栅光纤的端面上。该全光纤声光频移器的反射谱相对于现有典型横弯曲波声波或纵波声波作用下的全光纤声光调制移频器的反射谱发生变化，使其在相同大小的驱动功率下，获得更高的反射率。在降低本发明的制造成本的同时，也可降低功耗，解决现有全光纤声光调制移频器结构复杂、耦合效率低、调制范围小等问题。
Description
技术领域
本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种全光纤声光调制移频器及采用该移频器的全光纤外差测量系统。
背景技术
外差技术是使用两路不同的频率的光进行干涉，获得的干涉信号包含了两路光的相位、振幅频率等信息，当其中一路光的状态发生改变，其干涉信号可以灵敏、高效的对改变量进行探测。外差系统的两路不同频率的光的获取方式通常是对激光器出射的光进行分束，并对其中一路光进行移频，再使两路光发生干涉，从而获得高信噪比的干涉光信号。移频方式通常为使用声光调制器件改变光的频率。
在空间光外差系统中，常使用体声光调控器件对光的传播方向和频率等进行调控，但空间光系统的稳定性差，容易受环境影响，再加上体声光调控器件需要精确的调试才能获得高强度的调控光，而使用光纤声光调制的全光纤系统可以完美地避开这些缺点。因此全光纤外差系统作为一种稳定的、易于使用、低损耗的系统，被广泛应用于速度传感、激光测量、光纤探测等领域。在全光纤外差探测系统中，全光纤的声光调制器是系统的核心器件，目前已有许多相关研究。
图2是现有典型的声波横弯曲波作用下的全光纤声光调制移频器结构示意图，超声换能器的铝锥尖端为无倾角平面，超声换能器与布拉格光纤光栅的侧面垂直粘合，粘合点距离光栅区域约1cm。当超声换能器加载射频电压后，产生的声波对光纤的折射率进行周期性的调制，使被调制的光栅的反射谱在原布拉格反射峰的短波长处出现新的反射峰，被新反射峰处反射的光会产生频移，频移量和超声换能器加载的射频电压频率相同，新生成的反射谱如图3中灰色曲线所示。但申请人在实际操作中发现这种全光纤声光调制器存在的问题是，当超声换能器的铝锥锥面为标准圆锥面时(即纵向截面形状为梯形)，在声波作用下，新生成的反射峰反射率较低，若要生成高反射率的反射峰，则要求超声换能器的铝锥锥面为指数型圆锥面(即纵向截面梯形的两个腰为指数型曲线)，这就对超声换能器的加工工艺带来了很高的要求，导致加工成本大幅上升，而且也需要高功率的射频信号进行驱动。
图4是现有典型的声波纵波下的全光纤声光调制移频器，超声换能器的铝锥尖端也是无倾角平面，超声换能器与光纤截面通过紫外固化胶粘合，粘合点距离光栅区域约1cm。当超声换能器加载射频电压后，产生的纵波声波对光纤的折射率进行周期性的调制，在原布拉格反射峰两边产生新的成对反射峰，新生成的反射谱如图5中灰色曲线所示。被新反射峰反射的光会产生频移，频率该变量和超声换能器加载的射频电压频率成正比。但这种全光纤声光调制器存在的问题是，产生的新反射峰与原布拉格反射峰有较高的重叠率，导致调制范围小，若需要产生不重叠的新边带则需要高功率的射频信号进行驱动，并且也需要超声换能器采用如上所述的具有指数型圆锥面的铝锥锥面，同样存在对超声换能器的加工工艺带来很高要求的问题。
综上所述，全光纤的声光调制移频器可以很好的替代空间光中的体声光调制器，获得稳定的、高效、紧凑的全光纤外差探测系统，但是现有典型的使用横弯曲波或纵波作用于光纤布拉格光栅的光纤声光调制移频器存在对超声换能器形状和功率要求高，模式耦合效率低，可调节范围小等问题需要解决。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种全光纤声光调制移频器，以解决现有全光纤声光调制移频器结构复杂、耦合效率低、调制范围小等问题。并通过该移频器构造了全光纤外差测量系统，用于高灵敏度、准确的测量待测物速度、相位等信息。
本发明的技术方案为：
所述一种全光纤声光调制移频器，包括布拉格光栅光纤、铝锥和压电陶瓷，所述压电陶瓷粘接固定在铝锥锥底平面上，其特征在于：所述铝锥的锥顶平面与锥底平面具有1.11°-1.15°的角度范围，所述铝锥的锥顶平面垂直粘接在布拉格光栅光纤的端面上。
所述一种全光纤外差测量系统，包括激光器、耦合器、环形器、全光纤声光调制移频器、光纤准直器、波形发生器、光纤衰减器、光纤延迟线、偏振控制器、光电探测器、示波器，其特征在于：所述全光纤声光调制移频器为上述提出的全光纤声光调制移频器；
所述激光器发出的光从第一耦合器的第一端口输入后分成参考光和探测光，其中第一耦合器的第二端口的出射光为所述探测光，第一耦合器的第三端口的出射光为所述参考光；
所述探测光经过所述偏振控制器后，从第一环形器的第一端口入射到所述全光纤声光调制移频器，所述波形发生器对所述全光纤声光调制移频器施加频率为f Hz的驱动信号；经全光纤声光调制移频器反射后的探测光从第一环形器的第三端口出射后由第二环形器的第一端口入射，并从第二环形器的第二端口出射；从第二环形器的第二端口出射的探测光经所述光纤准直器准直出射后照向待测物，被待测物反射的探测光被所述光纤准直器重新收集，重新收集的探测光从第二环形器的第三端口出射，然后从第二耦合器的第二端口入射；
所述参考光通过光纤衰减器、光纤延迟线后从第二耦合器的第一端口入射，与从第二耦合器的第二端口入射的探测光发生干涉，干涉光从第二耦合器的第三端口出射，所述干涉光信号被所述光电探测器探测后得到干涉电信号，所述干涉电信号被示波器显示。
进一步的优选方案，所述一种全光纤外差测量系统，其特征在于：所述激光器为光纤激光器。
有益效果
本发明提出一种全光纤声光调制移频器及采用该移频器的外差测量系统，有如下优点：
(1)所述全光纤声光调制移频器由于所述铝锥的锥顶平面与锥底平面具有1.11°-1.15°的角度范围，使所述全光纤声光频移器的反射谱相对于现有典型横弯曲波声波或纵波声波作用下的全光纤声光调制移频器的反射谱发生变化，使其在相同大小的驱动功率下，获得更高的反射率。在降低本发明的制造成本的同时，也可降低功耗。
(2)所述全光纤声光调制移频器的移频量大小，由压电陶瓷上加载的声波信号的频率决定，其典型值为500kHz～10MHz，远小于空间声光调制器的频移量(10MHz～1700MHz)。小的移频量可以减小光电探测器及后续电路的带宽要求，增对强低频信号探测的信噪比。
(3)采用该移频器的构造的全光纤外差测量系统，实现了全光纤结构的外差探测系统，增加了系统结构的紧凑度，提高了使用性。由于全光纤系统减少了环境噪声在信号探测过程的影响，从而提高了信噪比。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是一种使用新型全光纤声光调制移频器的外差测量系统光路图。
图2是现有典型的声波横弯曲波作用下的全光纤声光调制移频器。
图3是现有典型的声波横弯曲波作用下的全光纤声光调制移频器的反射谱(灰线)和未加载声波的原有反射谱(黑线)。
图4是现有典型的声波纵波作用下的全光纤声光调制移频器。
图5现有典型的声波纵波作用下的全光纤声光调制移频器的反射谱(灰线)和未加载声波的原有反射谱(黑线)。
图6是所述新型全光纤声光调制移频器的反射谱。
图7是所述新型全光纤声光调制移频器的共振峰反射率随所述铝锥的锥顶平面与锥底平面的夹角的变化关系图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本实施实例中提出的一种全光纤声光调制移频器，包括布拉格光栅光纤、铝锥和压电陶瓷，所述压电陶瓷粘接固定在铝锥锥底平面上；该全光纤声光调制移频器的关键技术特征在于：所述铝锥的锥顶平面与锥底平面具有θ＝1.11°-1.15°的角度范围，所述铝锥的锥顶平面垂直粘接在布拉格光栅光纤的端面上。
上述全光纤声光调制移频器加载声波，通过铝锥放大声波功率后，声波弯曲波加载在布拉格光栅光纤上，由于全光纤声光调制移频器的铝锥的锥顶平面与锥底平面具有角度θ，因此声波弯曲波也以一定的角度加载在布拉格光栅光纤上，其光栅栅区的折射率分布变为一个倾斜的声致长周期光栅和倾斜的布拉格光栅的叠加的状态，其倾斜角分别为π/2-θ和θ。因此反射谱形状发生改变，改变后的反射谱形状如图6灰色曲线所示，在原布拉格反射峰(图中为FBG峰)有左侧形成了两个新的反射峰：峰A 和峰B。图6中的黑色曲线为未施加声波时布拉格光栅光纤的反射谱。新生成的反射峰峰A有相当高的反射率，比布拉格反射峰低约3dB，因此可以选择在此峰处的波长为激光器发射波长。
图7为铝锥锥顶平面与锥底平面的角度θ与峰A反射率的关系，如图所示，在角度为1.11°-1.15°的范围内，会形成强的反射率的反射峰峰A，因此全光纤声光调制移频器的角度θ应该保证在此范围内。峰A的形成是由于角度θ的存在，入射的纤芯模在倾斜布拉格光栅的作用下耦合成为反向的LP31模式的包层模，其后此LP31包层模又在倾斜长周期光栅光纤的作用下耦合成为同向的纤芯模。如果没有角度θ的存在，这种两种模式之间的转换是禁止的，峰A不可能出现。同时，由于角度θ的存在，使模式之间的耦合常数发生变化，使峰A的反射率高于峰B的反射率。这是因为峰B的形成是由于纤芯模与LP11包层模之间的相互耦合，在1.11°-1.15°的范围内，其耦合常数迅速降低，小于纤芯模与LP31包层模之间的耦合常数，使峰A的反射率增加。
由于LP31模式和纤芯模式的相互转换是由倾斜长周期光栅的二级衍射形成，所以为符合能量守恒条件和动量守恒条件，从LP31模式转换成纤芯模的光的频率会发生下频移，频移量为两倍的声波频率。所以被峰A反射的光会有两倍声波频率的下频移。
利用上述全光纤声光调制移频器的全光纤外差测量系统还包括光纤激光器、耦合器、环形器、光纤准直器、波形发生器、光纤衰减器、光纤延迟线、偏振控制器、光电探测器、示波器。
调整光纤激光器的频率与峰A所处位置的频率一致，从光纤激光器输出的光从第一耦合器的第一端口输入后分成参考光和探测光，其中第一耦合器的第二端口的出射光为所述探测光，第一耦合器的第三端口的出射光为所述参考光。
调整偏振控制器，使探测光的偏振方向通过偏振控制器后与参考光偏振方向相同。所述探测光经过所述偏振控制器后，从第一环形器的第一端口入射到加载声波的全光纤声光调制移频器，经全光纤声光调制移频器反射后的移频探测光从第一环形器的第三端口出射后由第二环形器的第一端口入射，并从第二环形器的第二端口出射；从第二环形器的第二端口出射的探测光经所述光纤准直器准直出射后照向待测物，被待测物反射的探测光被所述光纤准直器重新收集，重新收集的探测光从第二环形器的第三端口出射，然后从第二耦合器的第二端口入射。
所述参考光通过光纤衰减器、光纤延迟线使其光强和光程与探测光相等；之后参考光从第二耦合器的第一端口入射，与从第二耦合器的第二端口入射的探测光发生干涉，干涉光从第二耦合器的第三端口出射，所述干涉光信号被所述光电探测器探测后得到干涉电信号，所述干涉电信号被示波器显示。通过对所述交流电信号进行分析，得到所述被测物的相位、振幅等信息。
本系统中，被全光纤声光调制移频器反射的探测光的强度可由射频电压调节。
通过以上分析，可以得到本发明实施例提供的全光纤声光调制移频器及采用该移频器的外差测量系统的优点如下：
(1)所述全光纤声光调制移频器由于所述铝锥的锥顶平面与锥底平面具有1.11°-1.15°的角度，使所述全光纤声光频移器的反射谱相对于现有典型横弯曲波声波或纵波声波作用下的全光纤声光调制移频器的反射谱发生变化，使其在相同大小的驱动功率下，获得更高的反射率。在降低本发明的制造成本的同时，也可降低功耗。
(2)所述全光纤声光调制移频器的移频量大小，由压电陶瓷上加载的声波信号的频率决定，其典型值为500kHz～10MHz，远小于空间声光调制器的频移量(10MHz～1700MHz)。小的移频量可以减小光电探测器及后续电路的带宽要求，增对强低频信号探测的信噪比。
(3)采用该移频器的外差测量系统，实现了全光纤结构的外差探测系统，增加了系统结构的紧凑度，提高了使用性。由于全光纤系统减少了环境噪声在信号探测过程的影响，从而提高了信噪比。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种全光纤声光调制移频器，包括布拉格光栅光纤、铝锥和压电陶瓷，所述压电陶瓷粘接固定在铝锥锥底平面上，其特征在于：所述铝锥的锥顶平面与锥底平面具有1.11°-1.15°的角度范围，所述铝锥的锥顶平面垂直粘接在布拉格光栅光纤的端面上。
2.一种全光纤外差测量系统，包括激光器、耦合器、环形器、全光纤声光调制移频器、光纤准直器、波形发生器、光纤衰减器、光纤延迟线、偏振控制器、光电探测器、示波器，其特征在于：所述全光纤声光调制移频器为权利要求1所述的全光纤声光调制移频器；
所述激光器发出的光从第一耦合器的第一端口输入后分成参考光和探测光，其中第一耦合器的第二端口的出射光为所述探测光，第一耦合器的第三端口的出射光为所述参考光；
所述探测光经过所述偏振控制器后，从第一环形器的第一端口入射到所述全光纤声光调制移频器，所述波形发生器对所述全光纤声光调制移频器施加频率为f Hz的驱动信号；经全光纤声光调制移频器反射后的探测光从第一环形器的第三端口出射后由第二环形器的第一端口入射，并从第二环形器的第二端口出射；从第二环形器的第二端口出射的探测光经所述光纤准直器准直出射后照向待测物，被待测物反射的探测光被所述光纤准直器重新收集，重新收集的探测光从第二环形器的第三端口出射，然后从第二耦合器的第二端口入射；
所述参考光通过光纤衰减器、光纤延迟线后从第二耦合器的第一端口入射，与从第二耦合器的第二端口入射的探测光发生干涉，干涉光从第二耦合器的第三端口出射，所述干涉光信号被所述光电探测器探测后得到干涉电信号，所述干涉电信号被示波器显示。
3.根据权利要求2所述一种全光纤外差测量系统，其特征在于：所述激光器为光纤激光器。
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| CN (1) | CN110456533A (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112484648A (zh) * | 2020-11-18 | 2021-03-12 | 北京华卓精科科技股份有限公司 | 外差光纤干涉仪位移测量系统及方法 |
| CN114069377A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-18 | 上海大学 | 一种基于声光装置的模式控制系统 |
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| US20010013934A1 (en) * | 1997-11-15 | 2001-08-16 | Malcolm Paul Varnham | Seismic sensor with interferometric sensing apparatus |
| CN105181111A (zh) * | 2015-09-21 | 2015-12-23 | 电子科技大学 | 一种超弱光纤光栅阵列同φ-otdr相结合的光纤振动传感系统 |
| CN108802756A (zh) * | 2018-08-09 | 2018-11-13 | 常州信息职业技术学院 | 一种基于声光零耦合器的全光纤激光多普勒测速系统 |
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| CN112484648B (zh) * | 2020-11-18 | 2022-06-10 | 北京华卓精科科技股份有限公司 | 外差光纤干涉仪位移测量系统及方法 |
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