CN111707366A - 基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置及方法 - Google Patents

基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置及方法，涉及太赫兹时域光谱成像技术领域，解决了目前光纤多普勒位移干涉仪需要后期数据处理才能实现传感，无法提供实时在线测量以及无法在延迟线工作时同时使用的问题，其技术方案要点是：包括光纤耦合激光芯片、光纤分束器、光纤偏振合束器、三端口光纤环形器、目标光纤延迟线、光纤偏振分束器、光纤合束器、光纤耦合光电探测器、延时信号实时处理板卡、多根单轴传输保偏光纤、多根双轴传输保偏光纤，能够实现旋转光学延迟线延时量的直接在线测量，同时提高旋转延迟线延迟定位精度低，为高速光纤延迟线的高精度太赫兹时域信号高速采样以及普通光纤延迟线的延迟精度标定提供技术支撑。

Description

基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置及方法
技术领域
本发明涉及太赫兹时域光谱成像技术领域，更具体地说，它涉及基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置及方法，特别适用于基于高速光纤延迟线的高精度太赫兹时域信号高速采样应用领域，也适用于普通光纤延迟线的延迟精度标定领域。
背景技术
光学延迟线是太赫兹时域光谱技术的核心器件，其通过改变飞秒探针光和太赫兹脉冲的相对时延来实现对太赫兹时域信号的扫描探测。在多种类型的延迟线技术中，旋转光学延迟线是实现大时域扫描范围、高扫描重频的最常用手段，在太赫兹无损检测成像、生物医学成像等领域有着广泛应用。
目前，在旋转延迟线中，每一时刻的延时量是通过安装在旋转电机轴上的角度编码器读出实时角度位置，再结合延迟线具体光路构型推算得到的，属于间接测量量，由于其易受实际光路调节状态、结构装配精度以及电机高速运行产生的振动等因素影响，导致延时定位精度通常较低(>20fs)，从而限制了旋转延迟线在高精度太赫兹时域光谱成像领域的应用。为提高延时测量精度，最好方法是将间接测量改为直接测量。光纤多普勒干涉位移测量技术可实现微小位移量的高速高精度测量，是实现延迟线延时量直接测量的有效手段，
然而，目前光纤多普勒位移干涉仪需要后期数据处理才能实现传感，无法提供实时在线测量，此外，光纤多普勒位移干涉仪无法在延迟线工作时同时使用。所以，现有光纤多普勒位移干涉仪技术只能用于延迟线的标定，无法实现延迟线延时量的直接在线传感。因此，如何研究设计一种基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置及方法是我们目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置及方法，能够实现旋转光学延迟线延时量的直接在线测量，同时提高旋转延迟线延迟定位精度低，为高速光纤延迟线的高精度太赫兹时域信号高速采样以及普通光纤延迟线的延迟精度标定提供技术支撑。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置，包括光纤耦合激光芯片、光纤分束器、光纤偏振合束器、三端口光纤环形器、目标光纤延迟线、光纤偏振分束器、光纤合束器、光纤耦合光电探测器、延时信号实时处理板卡、多根单轴传输保偏光纤、多根双轴传输保偏光纤；
所述光纤耦合激光芯片、光纤分束器、光纤合束器、光纤耦合光电探测器之间沿信号输出方向依次通过单轴传输保偏光纤连接，光纤耦合光电探测器的输出端与延时信号实时处理板卡的输入端通信连接；
所述光纤偏振合束器的两个输入端通过单轴传输保偏光纤分别连接光纤分束器的信号光输出端、飞秒激光输入端；
所述三端口光纤环形器的输入端、输出端、共用端通过双轴传输保偏光纤分别连接光纤偏振合束器的输出端、光纤偏振分束器的输入端、目标光纤延迟线；
所述光纤偏振分束器的两个输出端通过单轴传输保偏光纤分别连接光纤合束器的信号光输入端、飞秒激光输出端。
优选的，所述三端口光纤环形器的输入端向共用端单向输出，共用端向输出端单向输出。
优选的，所述光纤分束器的参考光输出端与光纤合束器的参考光输入端之间串联有可调光纤衰减器。
优选的，所述单轴传输保偏光纤、双轴传输保偏光纤均通过光纤连接器可拆卸连接。
优选的，所述光纤耦合激光芯片为带保偏光纤尾纤的半导体连续激光芯片。
优选的，所述光纤耦合光电探测器为带保偏光纤尾纤的光电二极管。
优选的，所述延时信号实时处理板卡包括高速比较器、ADC转换器和FPGA芯片，用于在线识别干涉条纹的峰位、谷位，并在每个峰、谷出现的同时给出一个脉冲信号，以及将该脉冲序列信号作为采样触发信号实现太赫兹时域脉冲波形的采集。
第二方面，提供了基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感方法，包括：
S1：将光纤多普勒干涉位移测量光源产生的激光通过光纤分束器分束成连续激光和参考光；
S2：将输入的飞秒激光与连续激光通过光纤偏振合束器合束成单束光，并通过双轴传输保偏光纤单向传输至目标光纤延迟线；
S3：连续激光和飞秒激光在目标光纤延迟线中沿相同光路传输和反射后经相同的双轴传输保偏光纤单向返回；
S4：将单束光中的连续激光和飞秒激光通过光纤偏振分束器分束成飞秒激光新的连续激光，飞秒激光输出作下一步处理；
S5：将新的连续激光与光纤分束器分束的参考光合束，通过光纤耦合光电探测器对合束光的干涉光信号波形进行探测，并输出相应电信号；
S6：在线识别干涉条纹的峰位、谷位，并在每个峰、谷出现的同时给出一个脉冲信号，以及将该脉冲序列信号作为采样触发信号实现太赫兹时域脉冲波形的采集。
优选的，在步骤S4中，通过可调光纤衰减器调节参考光路中的光功率，以获得最佳干涉条纹信噪比。
第三方面，提供了一种电子设备，包含上述任意一项所述的基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)利用光纤偏振合束器、光纤偏振分束器实现用于干涉测量的连续激光和用于延迟线工作的飞秒激光的合束和分离，一方面可将两束沿单轴传输保偏光纤的激光合束到一根双轴传输保偏光纤中，利用双轴传输保偏光纤可同时传输两种偏振态模式激光的特点，实现连续激光和飞秒激光在光纤中的同时传输和自由空间中的同光路传输；另一方面，利用光纤偏振分束器可将同一根光纤中沿不同光轴传输的两束激光分别耦合到不同光纤中的特点，实现连续激光和飞秒激光的分离，以上二者结合，使得在延迟线工作的同时，光纤多普勒干涉仪也能同时工作，实现延时量的在线测量；此外，由于二者在延迟线中所经光路完全相同，最大程度保证了延时量的测量精度。
(2)综合利用处理板卡中的高速比较器、ADC和FPGA芯片，可在线识别出干涉条纹的峰位和谷位，并在每个峰、谷出现的同时给出一个脉冲信号，将该脉冲序列信号作为采样触发信号，即可实现太赫兹时域脉冲波形的采集；
(3)利用半导体连续激光芯片作为光纤多普勒干涉光源，一方面利用半导体激光线宽窄(3MHz)的特点，可获得较高的条纹对比度，另一方面利用光纤耦合的激光芯片，可便于光源与整个传感板卡、光纤器件的集成；
(4)利用光纤耦合的光电二极管作为光纤多普勒干涉的探测器，一方面利用光电二极管响应时间快的特点，可保证干涉条纹的高分辨率，另一方面利用光纤耦合，可便于探测器与整个传感板卡、光纤器件的集成；
(5)利用可调光纤衰减器实现参考光路中光功率的调节，可根据信号光功率快速调整参考光功率大小，以获得最佳干涉条纹信噪比。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的整体结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、光纤耦合激光芯片；2、单轴传输保偏光纤；3、光纤连接器；4、光纤分束器；5、飞秒激光输入端；6、光纤偏振合束器；7、双轴传输保偏光纤；8、三端口光纤环形器；9、目标光纤延迟线；10、光纤偏振分束器；11、飞秒激光输出端；12、光纤合束器；13、光纤耦合光电探测器；14、信号电缆；15、延时信号实时处理板卡；16、可调光纤衰减器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置，如图1所示，包括光纤耦合激光芯片1、光纤分束器4、光纤偏振合束器6、三端口光纤环形器8、目标光纤延迟线9、光纤偏振分束器10、光纤合束器12、光纤耦合光电探测器13、延时信号实时处理板卡15、多根单轴传输保偏光纤2、多根双轴传输保偏光纤7。光纤耦合激光芯片1、光纤分束器4、光纤合束器12、光纤耦合光电探测器13之间沿信号输出方向依次通过单轴传输保偏光纤2连接，光纤耦合光电探测器13的输出端与延时信号实时处理板卡15的输入端通信连接。光纤偏振合束器6的两个输入端通过单轴传输保偏光纤2分别连接光纤分束器4的信号光输出端、飞秒激光输入端5。三端口光纤环形器8的输入端、输出端、共用端通过双轴传输保偏光纤7分别连接光纤偏振合束器6的输出端、光纤偏振分束器10的输入端、目标光纤延迟线9。光纤偏振分束器10的两个输出端通过单轴传输保偏光纤2分别连接光纤合束器12的信号光输入端、飞秒激光输出端11。
在本实施例中，光纤耦合激光芯片1采用一个带保偏光纤尾纤的半导体连续激光芯片，用作光纤多普勒干涉位移测量的光源，其波长与延迟线工作波长相同，通常为1550nm，其线宽3MHz，输出功率10mW。
在本实施例中，光纤合束器12、光纤分束器4是一个标准12合束/分束器。光纤合束器12可将沿单轴传输的2束激光合成到1根光纤中且使合成光束沿相同的单轴传输。光纤分束器4可将沿单轴传输的1束激光分束到2根光纤中且使2束激光各自沿单轴传输，其工作波长与光纤耦合激光芯片1输出波长吻合，通常为1550nm。
在本实施例中，单轴传输保偏光纤2为一根沿单轴(通常为慢轴)传输的保偏光纤，用于连续激光和飞秒激光的保偏传输，其工作波长与连续激光和飞秒激光相同，通常为1550nm。
在本实施例中，双轴传输保偏光纤7为一根特制的双轴传输保偏光纤7，用于同时传输2种类型的激光，且使两种激光各自沿一个轴传输。假设光束1沿慢轴传输，则光束2即沿快轴传输，反之亦然。
在本实施例中，三端口光纤环形器8输入端输入的激光只能从共用端输出，从共用端输入的激光只能从输出端输出。
在本实施例中，目标光纤延迟线9采用一个高速光纤延迟线，优选旋转光纤延迟线，用于太赫兹时域光谱系统中太赫兹脉冲波形的采集，在本构型中用以说明实时高精度延时传感模块结构和工作原理。
在本实施例中，光纤耦合光电探测器13为一个带保偏光纤尾纤的光电二极管，用作光纤多普勒干涉位移测量的探测器，其探测波长范围与光纤耦合激光芯片11输出波长吻合，响应时间1ns。
在本实施例中，延时信号实时处理板卡15，是一块电路板卡，包括高速比较器、ADC和FPGA芯片，可在线识别出干涉条纹的峰位和谷位，并在每个峰、谷出现的同时给出一个脉冲信号，将该脉冲序列信号作为采样触发信号，即可实现太赫兹时域脉冲波形的采集。令用于多普勒干涉测量的连续激光波长为，则位移延迟测量分辨率为/2，假设激光波长为1550nm，则位移延迟测量分辨率为775nm，对应延时分辨率即为2.58fs，由于高速处理板卡可保证一个干涉条纹至少有10个采样点，因此理论上延时测量精度可0.52fs，该延时分辨率和延时精度已可完全满足高精度太赫兹时域光谱成像领域的应用。
在本实施例中，信号电缆14用于数字信号的传输。
在本实施例中，光纤分束器4的参考光输出端与光纤合束器12的参考光输入端之间串联有可调光纤衰减器16，通过可调光纤衰减器16调节参考光路中的光功率，以获得最佳干涉条纹信噪比。
在本实施例中，单轴传输保偏光纤2、双轴传输保偏光纤7均通过光纤连接器3可拆卸连接，光纤连接器3为一个标准可插拔连接器。
工作原理：首先，将光纤多普勒干涉位移测量光源产生的激光通过光纤分束器4分束成连续激光和参考光；然后，将输入的飞秒激光与连续激光通过光纤偏振合束器6合束成单束光，并通过双轴传输保偏光纤7单向传输至目标光纤延迟线9；接着，连续激光和飞秒激光在目标光纤延迟线9中沿相同光路传输和反射后经相同的双轴传输保偏光纤7单向返回；再接着，将单束光中的连续激光和飞秒激光通过光纤偏振分束器10分束成飞秒激光新的连续激光，飞秒激光输出作下一步处理；紧接着，将新的连续激光与光纤分束器4分束的参考光合束，通过光纤耦合光电探测器13对合束光的干涉光信号波形进行探测，并输出相应电信号；最后，在线识别干涉条纹的峰位、谷位，并在每个峰、谷出现的同时给出一个脉冲信号，以及将该脉冲序列信号作为采样触发信号实现太赫兹时域脉冲波形的采集。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置，其特征是，包括光纤耦合激光芯片(1)、光纤分束器(4)、光纤偏振合束器(6)、三端口光纤环形器(8)、目标光纤延迟线(9)、光纤偏振分束器(10)、光纤合束器(12)、光纤耦合光电探测器(13)、延时信号实时处理板卡(15)、多根单轴传输保偏光纤(2)、多根双轴传输保偏光纤(7)；
所述光纤耦合激光芯片(1)、光纤分束器(4)、光纤合束器(12)、光纤耦合光电探测器(13)之间沿信号输出方向依次通过单轴传输保偏光纤(2)连接，光纤耦合光电探测器(13)的输出端与延时信号实时处理板卡(15)的输入端通信连接；
所述光纤偏振合束器(6)的两个输入端通过单轴传输保偏光纤(2)分别连接光纤分束器(4)的信号光输出端、飞秒激光输入端(5)；
所述三端口光纤环形器(8)的输入端、输出端、共用端通过双轴传输保偏光纤(7)分别连接光纤偏振合束器(6)的输出端、光纤偏振分束器(10)的输入端、目标光纤延迟线(9)；
所述光纤偏振分束器(10)的两个输出端通过单轴传输保偏光纤(2)分别连接光纤合束器(12)的信号光输入端、飞秒激光输出端(11)。
2.根据权利要求1所述的基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置，其特征是，所述三端口光纤环形器(8)的输入端向共用端单向输出，共用端向输出端单向输出。
3.根据权利要求1所述的基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置，其特征是，所述光纤分束器(4)的参考光输出端与光纤合束器(12)的参考光输入端之间串联有可调光纤衰减器(16)。
4.根据权利要求1所述的基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置，其特征是，所述单轴传输保偏光纤(2)、双轴传输保偏光纤(7)均通过光纤连接器(3)可拆卸连接。
5.根据权利要求1所述的基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置，其特征是，所述光纤耦合激光芯片(1)为带保偏光纤尾纤的半导体连续激光芯片。
6.根据权利要求1所述的基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置，其特征是，所述光纤耦合光电探测器(13)为带保偏光纤尾纤的光电二极管。
7.根据权利要求1所述的基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置，其特征是，所述延时信号实时处理板卡(15)包括高速比较器、ADC转换器和FPGA芯片，用于在线识别干涉条纹的峰位、谷位，并在每个峰、谷出现的同时给出一个脉冲信号，以及将该脉冲序列信号作为采样触发信号实现太赫兹时域脉冲波形的采集。
8.基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感方法，其特征是，包括：
S1：将光纤多普勒干涉位移测量光源产生的激光通过光纤分束器(4)分束成连续激光和参考光；
S2：将输入的飞秒激光与连续激光通过光纤偏振合束器(6)合束成单束光，并通过双轴传输保偏光纤(7)单向传输至目标光纤延迟线(9)；
S3：连续激光和飞秒激光在目标光纤延迟线(9)中沿相同光路传输和反射后经相同的双轴传输保偏光纤(7)单向返回；
S4：将单束光中的连续激光和飞秒激光通过光纤偏振分束器(10)分束成飞秒激光新的连续激光，飞秒激光输出作下一步处理；
S5：将新的连续激光与光纤分束器(4)分束的参考光合束，通过光纤耦合光电探测器(13)对合束光的干涉光信号波形进行探测，并输出相应电信号；
S6：在线识别干涉条纹的峰位、谷位，并在每个峰、谷出现的同时给出一个脉冲信号，以及将该脉冲序列信号作为采样触发信号实现太赫兹时域脉冲波形的采集。
9.根据权利要求8所述的基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感方法，其特征是，在步骤S4中，通过可调光纤衰减器(16)调节参考光路中的光功率，以获得最佳干涉条纹信噪比。
10.一种电子设备，其特征是，包含权利要求1-7任意一项所述的基于光纤多普勒干涉的实时高精度延时传感装置。
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