CN112097810A - 一种用于fp腔干涉仪相位解调的正交双腔装置及解调方法 - Google Patents
一种用于fp腔干涉仪相位解调的正交双腔装置及解调方法 Download PDFInfo
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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正交双腔装置及解调方法，该装置包括激光器、光纤分束器，光环形器、光纤、正交双FP腔及光电探测器，激光器发出的激光经过光纤分束器分成两束光，光束通过光环形器传输到正交双FP腔，在正交双FP腔内光束照射在反射面上并反射回光纤，并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；正交双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，此错位长度与激光器波长匹配，使正交FP腔输出的干涉信号呈正交状态；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。
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正交双腔装置及解调方法。
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
本发明的目的在于提供一种用于FP腔干涉仪相位解调的正交双腔装置及解调方法，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正交双腔装置，包括激光器、光纤分束器，光环形器、光纤、正交双FP腔及光电探测器；
该正交双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两束光，光束通过光环形器传输到正交双FP腔，在正交双FP腔内光束照射在反射面上并反射回光纤，并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；正交双FP腔结构内光纤端面发射的平行光束照射在同一个反射面上，光纤的光纤端面在轴向上存在错位，该错位长度与激光器的波长匹配，使正交双FP腔输出的干涉信号呈正交状态；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，所述正交双FP腔由光纤的光纤端面与反射面构成，光纤端面发射的双光束照射在同一反射面上并沿原光路反射回光纤端面，同一正交双腔装置中存在一个正交双FP腔。
作为本发明的进一步方案，所述光纤端面与正交双FP腔的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。
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特定的波长匹配。
作为本发明的进一步方案，干涉光束间形成稳定的π/2相位差，即两个干涉光信号呈正交关系，通过对两干涉光信号的处理解调出各FP腔长的变化。
作为本发明的进一步方案，所述正交双FP腔的制备方法为：
选取光纤端面轴向错位的长度；将两个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，而后固定两光纤的位置；
将制作成功的光纤束垂直对准反射面的中央区域，构成多个正交双FP腔。
作为本发明的进一步方案，所述正交双FP腔的制备方法为：
选取光纤端面轴向错位的长度；将两个光纤轴向平行紧贴放置，光纤端面间共面，固定两光纤的位置，对其中一个光纤端面施加掩模层，另一个光纤端面裸露，使用刻蚀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，构成多个正交双FP腔。
作为本发明的进一步方案，所述正交双FP腔的制备方法为：
选取光纤端面轴向错位的长度；将两个光纤轴向平行紧贴放置，光纤端面间共面，固定两光纤的位置，对其中一个光纤端面施加掩模层，另一个光纤端面裸露，使用镀膜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，构成多个正交双FP腔。
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正交双腔装置及解调方法，所需激光器为单波长窄线宽激光器，降低了干涉光波对波长数目的要求以及激光器波长稳定性的要求。
2、本发明提供了一种正交双FP腔的装置，该装置存在两个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，使两干涉信号呈恒定的正交关系，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。
4、本发明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。
5、该用于FP腔干涉仪相位解调的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正交双腔装置图。
图2是本发明的正交双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、正交双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。
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正交双腔装置，包括激光器1，光纤分束器2，光环行器3，若干光纤4，正交双FP腔5，光探测器6，光纤端面7与反射面8。
激光器1发出的激光经过光纤分束器2分成两束光，光束通过光环形器3传输到正交双FP腔5，在正交双FP腔5内光束照射在反射面8上并反射回光纤4，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；
正交双FP腔5内光纤端面7发射的平行光束照射在同一个反射面8上，光纤端面在光纤轴向上存在一定长度的错位，此错位长度与激光器波长匹配；
本实施例还公开了上述用于FP干涉仪相位解调装置的多种制备方案，制备方案如下：
方案一、选取光纤端面轴向错位的长度；将两个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，而后使用胶体等固定两光纤的位置，确保错位长度不发生改变。
方案二、选取光纤端面轴向错位的长度；将两个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，对其中一个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，而后去除掩模层。
方案三、选取光纤端面轴向错位的长度；将两个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，对其中一个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。
本实施例还公开了上述用于FP干涉仪相位解调的正交双腔解调方案，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，该解调方案如下：
各干涉仪输出信号为：
其中，j＝1,2。Aj为干涉信号的直流分量，
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。当
则
L0＝(2m+1)λ/8n (4)
设定n＝1，λ＝1.55μm，则
L0＝(2m+1)*0.1937μm (5)
对等式(1)做隔直处理，设定
设定B1＝B2，并对U进行反正切运算，则
St＝Atan(U) (7)
LΔ＝Atan(U)/4πn (8)
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)
1.一种用于FP腔干涉仪相位解调的正交双腔装置，其特征在于，包括激光器(1)、光纤分束器(2)，光环形器(3)、光纤(4)、正交双FP腔(5)及光电探测器(6)；
该正交双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)分成两束光，光束通过光环形器(3)传输到正交双FP腔(5)，在正交双FP腔(5)内光束照射在反射面上并反射回光纤(4)，并与光纤端面(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；正交双FP腔(5)结构内光纤端面(7)发射的平行光束照射在同一个反射面(8)上，光纤(4)的光纤端面(7)在轴向上存在错位，该错位长度与激光器(1)的波长匹配，使正交双FP腔(5)输出的干涉信号呈正交状态；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所述的一种用于FP腔干涉仪相位解调的正交双腔装置，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所述的一种用于FP腔干涉仪相位解调的正交双腔装置，其特征在于，所述正交双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)发射的双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)，同一正交双腔装置中存在一个正交双FP腔(5)。
4.根据权利要求3所述的一种用于FP腔干涉仪相位解调的正交双腔装置，其特征在于，所述光纤端面(7)与正交双FP腔(5)的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。
5.根据权利要求1所述的一种用于FP腔干涉仪相位解调的正交双腔装置，其特征在于，光纤(4)的光纤端面(7)在轴向上的错位长度与特定的波长匹配。
6.根据权利要求1所述的一种用于FP腔干涉仪相位解调的正交双腔装置，其特征在于，干涉光束间形成稳定的π/2相位差，两个干涉光信号呈正交关系，通过对两干涉光信号的处理解调出各FP腔长的变化。
7.根据权利要求1所述的一种用于FP腔干涉仪相位解调的正交双腔装置，其特征在于，所述正交双FP腔(5)的制备方法为：
选取光纤端面(7)轴向错位的长度，将两个光纤(4)轴向平行紧贴放置，光纤端面(7)间共面，使用精密位移设备从一根光纤(4)的尾端反向抽拔光纤，使光纤端面(7)反向位移的长度达到设定的轴向错位长度，而后固定两光纤(4)的位置；
将制作成功的光纤束垂直对准反射面的中央区域，构成多个正交双FP腔(5)。
8.根据权利要求1所述的一种用于FP腔干涉仪相位解调的正交双腔装置，其特征在于，所述正交双FP腔(5)的制备方法为：
选取光纤端面(7)轴向错位的长度，将两个光纤(4)轴向平行紧贴放置，光纤端面(7)间共面，固定两光纤(4)的位置，对其中一个光纤端面(7)施加掩模层，另一个光纤端面(7)裸露，使用刻蚀的方法对裸露的光纤端面(7)实施消减，消减的深度等于设定的轴向错位长度，而后去除掩模层；
将制作成功的光纤束垂直对准反射面的中央区域，构成多个正交双FP腔(5)。
9.根据权利要求1所述的一种用于FP腔干涉仪相位解调的正交双腔装置，其特征在于，所述正交双FP腔(5)的制备方法为：
选取光纤端面(7)轴向错位的长度，将两个光纤(4)轴向平行紧贴放置，光纤端面间共面，固定两光纤(4)的位置，对其中一个光纤端面(7)施加掩模层，另一个光纤端面裸露，使用镀膜的方法于裸露的光纤端面(7)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，构成多个正交双FP腔(5)。
10.根据权利要求1所述的一种用于FP腔干涉仪相位解调的正交双腔装置的解调方法，其特征在于，包括如下步骤：
各干涉仪输出信号为：
其中，j＝1,2，Aj为干涉信号的直流分量，
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，当
则
L0＝(2m+1)λ/8n
设定n＝1，λ＝1.55μm，则
L0＝(2m+1)*0.1937μm
对等式(1)做隔直处理，设定
设定B1＝B2，并对U进行反正切运算，则
St＝Atan(U)
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