CN112097809A - 用于fp腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置及解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置及解调方法，该装置中激光器发出的激光经过光纤分束器分成多束光，光束通过光环形器传输到特定FP腔，在特定FP腔内光束照射在反射面上并反射回光纤，该反射光与光纤端面的反射光发生干涉，干涉光通过光环形器传输到光电探测器上并转化为电信号；特定FP腔结构为光纤端面发射的平行光束照射在同一个膜面上，光纤端面在轴向上存在一定长度的错位，使特定FP腔输出的干涉信号呈额定相位差状态；通过对干涉光束转化的电信号采用相位解调算法，分析计算出FP腔长的变化。本发明避免了FP腔长大幅变化带来信号额定相位差的偏失而引发的信号解调不稳定的影响，结构简单、易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种光传感信息解调的装置与解调方法，尤其涉及的是一种用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置及解调方法。
背景技术
社会的发展需要对外界信息多层面、高深度的获取，各种传感器是我们获取外界信息的主要方式。光传感，特别是干涉型光传感以其高灵敏、抗电磁干扰及广泛的适用性而备受关注。在干涉型光传感中干涉臂的差异性往往会带来偏振衰落，FP腔干涉仪由于其同路传输及腔内各向同性介质的存在而具有抗路径干扰、抗偏振衰落的优点；针对干涉仪存在的相位衰落问题，学者们开发了各种相位解调技术，如相位生成载波法、外差法、3*3耦合器解调法等。针对FP腔干涉仪腔长较短的的特点，双波长、三波长相位解调技术相继研究出来。
目前的双波长、三波长的FP腔干涉仪相位解调技术需要多个波长的激光，其所需激光器的成本较高、激光中心频率及功率稳定要求较多；由于FP干涉仪的腔长受环境或大动态探测物理量的影响发生较大的改变，则相位解调效果会出现劣化、失真等不稳定现象。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置及解调方法，以期可以降低传感装置实现的成本，提高传感系统的灵敏度及稳定性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置，包括激光器、光纤分束器、光环行器、光纤、特定FP腔与光电探测器；
该可控相差多腔装置的工作方法为：
激光器发出的激光经过光纤分束器分成多束光，光束通过光环形器传输到特定FP腔，在特定FP腔内光束照射在反射面上并反射回光纤，该反射光与光纤端面的反射光发生干涉，干涉光通过光环形器传输到光电探测器上并转化为电信号；特定FP腔结构为光纤端面发射的平行光束照射在同一个反射面上，光纤端面在轴向上存在错位，此错位长度与激光器波长匹配，使特定FP腔输出的干涉信号呈额定相位差状态；通过对干涉光束转化的电信号采用相位解调算法，分析计算出FP腔长的变化。
作为本发明的进一步方案，所述激光器为单波长的窄线宽激光器。
作为本发明的进一步方案，所述特定FP腔由光纤的光纤端面与反射面构成，光纤端面发射的多光束照射在同一反射面上并沿原光路反射回光纤端面，此反射光与光纤端面的反射光发生干涉，同一装置中存在至少三个FP腔。
作为本发明的进一步方案，所述光纤端面与腔内介质形成折射率差实现光束的反射，光纤端面为直接切出的垂直于光纤轴向的平面或在光纤端面镀制膜层实现增反增透的效果。
作为本发明的进一步方案，所述多光束为两个以上的光束，光束相互间为平行光，共同照射在反射面的中央区域，所述多光束可由多根的单一纤芯光纤发射，也可由单根的多纤芯光纤发射。
作为本发明的进一步方案，所述的额定相位差状态，特定FP腔内各干涉仪输出的干涉信号间存在的相位差可以任意设定。
作为本发明的进一步方案，光纤的光纤端面在轴向上的错位长度与激光器波长匹配。
作为本发明的进一步方案，所述相位解调算法是通过干涉信号间由于光纤端面轴向上的错位形成稳定的相位差，根据这个稳定的相位差，通过对各干涉光信号的处理解调出各FP腔长的变化。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的一种用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置及解调方法，所需激光器为单波长的窄线宽激光器，降低了干涉光波对波长数目的要求、激光器波长及功率稳定性的要求。
2、本发明还提供了一种特定FP腔的装置，该装置存在多个FP腔，通过设置光纤端面轴向错位长度实现FP腔间额定的腔长差，避免了由于反射面的轴向变化而引起的腔长差的变化。
3、本发明还提供了一种特定FP腔的装置，多腔间的腔长差可任意设定。
4、本发明还提供了一种用于FP干涉仪相位解调的方法，该方法步骤简单，精确测量由于反射面的轴向变化而引起的腔长变化量。
5、本发明还提供了实现光纤端面轴向特定长度错位的方法，增加了装置实现的可行性。
6、该用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置及解调方法采用光纤输入/输出光信号，光路结构简单可靠，避免了引入额外的噪声；其传感器金属构成微少，无电信号，益于遮蔽金属及电磁信号探测。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明的一种用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置图。
图2是本发明的特定FP腔结构图。
图中标号：1、激光器；2、光纤分束器；3、光环行器；4、光纤；5、特定FP腔；6、光电探测器；7、光纤端面；8、反射面。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例以3个腔的模式予以说明：
参见图1至图2，本实施例公开了一种用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置，该装置包括激光器1，光分束器2，光环行器3，若干光纤4，特定FP腔5，光探测器6，光纤端面7与反射面8；
该可控相差多腔装置的工作方法为：
激光器1发出的激光经过光纤分束器2分成多束光，光束通过光环形器3传输到特定FP腔5，在FP腔内光束照射在反射面8上并反射回光纤，而后与光纤端面7的反射光发生干涉，干涉光通过光环形器3传输到光电探测器6上并转化为电信号；特定FP腔5结构为光纤端面7发射的平行光束照射在同一个反射面8上，光纤端面7在光纤4轴向上存在错位。
本实施例还公开了上述用于FP干涉仪相位解调装置的制备方案，制备方案如下：
选取光纤端面轴向错位的长度；将3根光纤轴向平行紧贴放置，光纤端面间共面，使用精密位移设备从一根光纤的尾端反向抽拔光纤，使光纤端面反向位移的长度达到设定的轴向错位长度，而后再依次操作其他光纤，使用胶体等固定多个光纤的位置，确保错位长度不发生改变。
将制作成功的光纤束垂直对准反射面的中央区域，构成多个FP腔。
一种用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置的解调方法，通过对干涉光束转化的电信号采用相位解调算法，分析计算出FP腔长的变化；
各干涉仪输出信号为：
其中，j＝1,2,3，Aj为干涉信号的直流分量，Bj为干涉信号的条纹对比度，
为初始相位，St为待测相位量，LΔ为反射面在FP腔轴向上的位移，λ为激光器波长，L0为光纤端面的错位长度；
令
L0＝L2-L1＝L3-L2＝(2m+1)λ/8n (2)
设定n＝1，λ＝1.55μm，则
L0＝(2m+1)*0.1937μm
设定三个干涉信号的Aj与Bj分别等值，则公式(1)可以表示为
计算并进行反正切运算，则
则得出腔长变化量LΔ＝λSt/4πn (3)。
实施例2
一种用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置的制备方案，本实施例以3个腔的模式予以说明：
选取光纤端面轴向错位的长度；将3根光纤轴向平行紧贴放置，光纤端面间共面，使用胶体等固定3根光纤的位置，对其中两根光纤端面施加掩模层，另一个光纤端面裸露，使用刻蚀(湿法刻蚀、干法刻蚀、激光雕刻等)的方法对裸露的光纤端面实施消减，消减的深度等于设定的轴向错位长度，而后去除有掩模层光纤中的一根的掩模层，再次对裸露的光纤端面实施消减，消减的深度等于设定的轴向错位长度，最后去处所有掩模层；
将制作成功的光纤束垂直对准反射面的中央区域，构成多个FP腔。
实施例3
一种用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置的制备方案，本实施例以3个腔的模式予以说明：
选取光纤端面轴向错位的长度；将三根光纤轴向平行紧贴放置，光纤端面间共面，使用胶体等固定两光纤的位置，对其中两根光纤端面施加掩模层，另一个光纤端面裸露，使用镀膜(磁控溅射、化学反应生长等)的方法于裸露的光纤端面沉积一层氧化硅，沉积的厚度等于设定的轴向错位长度，而后去除有掩模层光纤中的一根的掩模层，再次对裸露的光纤端面实施沉积，沉积到厚度等于设定的轴向错位长度，最后去处所有掩模层；
将制作成功的光纤束垂直对准反射面的中央区域，构成多个FP腔。
实施例4
一种用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置的解调方法，以3个腔的模式予以说明，通过对干涉光束转化的电信号采用相位解调算法，分析计算出FP腔长的变化；
由公式(2)知
令
L0＝L2-L1＝L3-L2＝(3m+1)λ/6n
干涉仪输出的三个信号分别表示为
通过“3*3耦合器解调算法”，经过变换即可解调出St值，并由公式(3)得出腔长的变化量。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置，其特征在于，包括激光器(1)、光纤分束器(2)、光环行器(3)、光纤(4)、特定FP腔(5)与光电探测器(6)；
该可控相差多腔装置的工作方法为：
激光器(1)发出的激光经过光纤分束器(2)分成多束光，光束通过光环形器(3)传输到特定FP腔(5)，在特定FP腔(5)内光束照射在反射面(8)上并反射回光纤，该反射光与光纤端面(7)的反射光发生干涉，干涉光通过光环形器(3)传输到光电探测器(6)上并转化为电信号；特定FP腔(5)结构为光纤端面(7)发射的平行光束照射在同一个反射面(8)上，光纤端面(7)在轴向上存在错位，此错位长度与激光器(1)波长匹配，使特定FP腔(5)输出的干涉信号呈额定相位差状态；通过对干涉光束转化的电信号采用相位解调算法，分析计算出FP腔长的变化。
2.根据权利要求1所述的用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置，其特征在于，所述激光器(1)为单波长的窄线宽激光器。
3.根据权利要求1所述的用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置，其特征在于，所述特定FP腔(5)由光纤(4)的光纤端面(7)与反射面(8)构成，光纤端面(7)发射的多光束照射在同一反射面(8)上并沿原光路反射回光纤端面(7)，此反射光与光纤端面的反射光发生干涉，同一装置中存在至少三个FP腔。
4.根据权利要求1所述的用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置，其特征在于，所述光纤端面(7)与腔内介质形成折射率差实现光束的反射，光纤端面(7)为直接切出的垂直于光纤(4)轴向的平面或在光纤端面(7)镀制膜层实现增反增透的效果。
5.根据权利要求3所述的用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置，其特征在于，所述多光束为两个以上的光束，光束相互间为平行光，共同照射在反射面(8)的中央区域。
6.根据权利要求1所述的用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置，其特征在于，所述的额定相位差状态，特定FP腔(5)内各干涉仪输出的干涉信号间存在的相位差可以任意设定。
7.根据权利要求1所述的用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置，其特征在于，光纤(4)的光纤端面(7)在轴向上的错位长度与激光器(1)波长匹配。
8.根据权利要求1所述的用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置，其特征在于，所述相位解调算法是通过干涉信号间由于光纤端面(7)轴向上的错位形成稳定的相位差，根据这个稳定的相位差，通过对各干涉光信号的处理解调出各FP腔长的变化。
9.根据权利要求1所述的用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置的解调方法，其特征在于，当特定FP腔(5)内存在3个FP腔时，包括如下步骤：
各干涉仪输出信号为：
其中，j＝1,2,3，Aj为干涉信号的直流分量，Bj为干涉信号的条纹对比度，
为初始相位，St为待测相位量，LΔ为反射面在FP腔轴向上的位移，λ为激光器波长，L0为光纤端面7的错位长度；
令
L0＝L2-L1＝L3-L2＝(2m+1)λ/8n
设定n＝1，λ＝1.55μm，则
L0＝(2m+1)*0.1937μm
设定三个干涉信号的Aj与Bj分别等值，则公式(1)可以表示为
计算并进行反正切运算，则
则得出腔长变化量LΔ＝λSt/4πn。
10.根据权利要求9所述的用于FP腔干涉仪相位解调的可控相差多腔装置的解调方法，其特征在于，包括如下步骤：
由公式L0＝L2-L1＝L3-L2＝(2m+1)λ/8n知
令
L0＝L2-L1＝L3-L2＝(3m+1)λ/6n
干涉仪输出的三个信号分别表示为
通过3*3耦合器解调算法，变换解调出St值，并由公式LΔ＝λSt/4πn得出腔长的变化量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201218 |
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