CN112361955B - 一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪 - Google Patents

一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪，属于激光测量技术领域。本发明包括光纤耦合器、光纤圈、测量光源、扫描光源、光学扫描采样单元。光纤耦合器的第一输入光纤连接着测量光源，第一输出光纤、第二输出光纤连接着光纤圈，第二输入光纤连接着光学扫描采样单元；扫描光源的出射激光也进入光学扫描采样单元。本发明测量光源和扫描光源均为飞秒激光光源，两者的重复频率有微小的差别，使得光程差非歧义长度得到极大扩展，能够适用于各种转速条件下旋转角速度测量，进而拓展光纤Sagnac干涉仪的应用范围。由于本发明采用双飞秒脉冲光学扫描采样的原理，能够将微小的时间放大后进行探测，显著提高光纤Sagnac干涉仪的测量精确度与灵敏度。

Description

一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪
技术领域
本发明涉及一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪，属于激光测量技术领域。
背景技术
在由光纤绕成的环形光纤圈中，当光纤圈相对于惯性空间、绕着垂直于光路平面的轴转动时，光纤圈内沿相反方向传播的两束光将产生一个光程差，由这个光程差导致的相位差将引起两束光干涉光强的变化，通过测量干涉光强，就可以得到旋转的角速度Ω。这就是Sagnac效应。这种基于Sagnac效应的光纤Sagnac干涉仪是光纤陀螺的核心，广泛应用于飞机和宇航器的导航系统中。Sagnac干涉仪内顺、逆时针传播光的光程差ΔL与旋转角速度Ω成正比，其非歧义长度仅为λ/2，当旋转导致的光程差超过λ/2时，通过干涉信号准确地提取相位差将变的困难，限制了光纤Sagnac干涉仪的应用。
近年来，飞秒激光测量得到了突飞猛进的发展。采用重复频率有微小差异的双飞秒激光脉冲进行的异步光学扫描采样测距，可以实现任意长绝对距离的测量，兼具测距范围极大、测量精度极高的优点，并且可以将测量结果直接溯源至时频基准。试验已经证实，飞秒激光的测距精度已经超过作为长度计量基准的激光干涉仪的水平，并在国际上产生了取代激光干涉仪成为新的计量基准的趋势。
发明内容
为克服现有技术存在的上述缺点，本发明目的是提供一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪，测量光源和扫描光源均为飞秒激光光源，两者的重复频率有微小的差别，使光纤Sagnac干涉仪的光程差非歧义长度得到极大扩展，能够适用于各种转速条件下旋转角速度测量，提高测量精确度与灵敏度。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪，主要由光纤耦合器、光纤圈、测量光源、扫描光源、光学扫描采样单元组成。
所述光纤耦合器的第一输入光纤连接着测量光源，第一输出光纤、第二输出光纤连接着所述光纤圈，第二输入光纤连接着所述光学扫描采样单元。所述扫描光源的出射激光也进入所述光学扫描采样单元。所述测量光源和扫描光源均为飞秒激光光源，两者的重复频率有微小的差别。
所述光学扫描采样单元主要由偏振分束棱镜、第一凸透镜、二类匹配倍频晶体、第二凸透镜、光电探测器组成。
本发明公开的一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪的工作方法为：测量光源输出重复频率为fr的发射脉冲序列，通过第一输入光纤进入光纤耦合器；所述光纤耦合器将输入的飞秒脉冲序列分为两路，分别经第一输出光纤、第二输出光纤进入光纤圈，在光纤圈内沿相反方向传输；光纤圈内沿顺、逆时针方向传输的这两路光各自环行光纤圈一周后回到所述光纤耦合器，在光纤耦合器上进行合束，从第二输入光纤返回测量脉冲序列；由于光纤圈顺、逆时针传输的两路光之间存在光程差，测量脉冲序列中来自顺时针传输的脉冲与来自逆时针传输的脉冲延时分开；所述扫描光源输出重复频率为fr+Δfr的扫描脉冲序列，扫描脉冲序列与测量脉冲序列进入所述光学扫描采样单元，在偏振分束棱镜处汇合，经第一凸透镜聚焦在二类匹配倍频晶体上，继续经第二凸透镜准直后，由光电探测器采集信号。
在所述光学扫描采样单元中，扫描脉冲序列与测量脉冲序列在二类匹配倍频晶体上产生倍频光，当所述两方脉冲完全重合时倍频光信号最强。由于测量光源与扫描光源的重复频率有微小差别，在时域上，扫描脉冲之间的时间间隔与测量脉冲之间的时间间隔也有微小的不同，相当于扫描脉冲不停地对测量脉冲进行扫描采样，形成如同游标卡尺一样的“游标”效应。在不停的扫描过程中，测量脉冲序列中的顺时针脉冲与扫描脉冲产生一束倍频光脉冲，测量脉冲序列中的逆时针脉冲与扫描脉冲产生另一束倍频光脉冲。光电探测器周期性地探测到对应于顺时针脉冲和逆时针脉冲的倍频信号，所述两个倍频信号峰值之间的时间间隔|tcw-tccw|与Sagnac干涉仪两路的光程差直接相关，进而用于推算出旋转角速度。
作为优选，所述测量光源与所述扫描光源的重频差使扫描脉冲在时域上对测量脉冲进行扫描采样，光电探测器对测量脉冲中顺时针传输脉冲和逆时针传输脉冲与扫描脉冲产生的倍频信号进行探测，通过对所述两个倍频信号峰值之间的时间间隔测量取代常规Sagnac干涉仪相位差的测量。
有益效果
1、本发明公开的一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪，测量光源和扫描光源均为飞秒激光光源，两者的重复频率有微小的差别，使得光程差非歧义长度得到极大扩展，能够适用于各种转速条件下旋转角速度测量，进而拓展光纤Sagnac干涉仪的应用范围。
2、本发明公开的一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪，测量光源与扫描光源的重频差使扫描脉冲在时域上对测量脉冲进行扫描采样，光电探测器对测量脉冲中顺时针传输脉冲和逆时针传输脉冲与扫描脉冲产生的倍频信号进行探测，通过对所述两个倍频信号峰值之间的时间间隔测量取代常规Sagnac干涉仪相位差的测量；由于采用双飞秒脉冲光学扫描采样的原理，能够将微小的时间放大后进行探测，显著提高光纤Sagnac干涉仪的测量精确度与灵敏度。
3、本发明公开的一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪，飞秒激光可连接光学频率标准与微波频率标准，基于飞秒激光的Sagnac干涉仪能够实现测量结果直接向国际单位制时间基本单位的溯源。
附图说明
图1是基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪的组成示意图；
其中，1-光纤耦合器、2-光纤圈、3-测量光源、4-扫描光源、5-光学扫描采样单元、11-光纤耦合器的第一输入光纤、12-光纤耦合器的第一输出光纤、13-光纤耦合器的第二输出光纤、14-光纤耦合器的第二输入光纤、31-测量光源的发射脉冲序列、41-扫描光源的扫描脉冲序列、42-光纤耦合器返回的测量脉冲序列。
图2是光学扫描采样单元5的组成与原理示意图；
其中，51-偏振分束棱镜、52-第一凸透镜、53-二类匹配倍频晶体、54-第二凸透镜、55-光电探测器。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪，由光纤耦合器1、光纤圈2、测量光源3、扫描光源4、光学扫描采样单元5组成。所述光纤耦合器1的第一输入光纤11连接着测量光源3，第一输出光纤12、第二输出光纤13连接着所述光纤圈2，第二输入光纤14连接着所述光学扫描采样处理单元5；所述扫描光源4的出射激光也进入所述光学扫描采样单元5。所述测量光源3和扫描光源4均为飞秒激光光源，两者的重复频率有微小的差别。
所述光学扫描采样单元5如图2所示，由偏振分束棱镜51、第一凸透镜52、二类匹配倍频晶体53、第二凸透镜54、光电探测器55组成。
本实施例公开的一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪的工作方法为：所述测量光源3输出重复频率为fr的发射脉冲序列31，通过第一输入光纤11进入光纤耦合器1；所述光纤耦合器1将发射飞秒脉冲序列31分为两路，分别经第一输出光纤12、第二输出光纤13进入光纤圈2，在光纤圈2内沿相反方向传输；光纤圈2内沿顺、逆时针方向传输的这两路光各自环行光纤圈2一周后回到所述光纤耦合器1，在光纤耦合器1上进行合束，从第二输入光纤14返回测量脉冲序列42；由于光纤圈2顺、逆时针传输的两路光之间存在光程差，测量脉冲序列42中来自顺时针传输的脉冲与来自逆时针传输的脉冲延时分开；所述扫描光源4输出重复频率为fr+Δfr的扫描脉冲序列41，扫描脉冲序列41与测量脉冲序列42进入所述光学扫描采样单元5，在偏振分束棱镜51处汇合，经第一凸透镜52聚焦在二类匹配倍频晶体53上，继续经第二凸透镜54准直后，由光电探测器55采集信号。
本实施例中的测量光源3和扫描光源4为非线性偏振旋转锁模掺铒光纤飞秒激光器，重复频率分别为100.425MHz和100.427MHz，重频差为2kHz。光纤圈2的光纤总长度为2km。二类匹配倍频晶体53采用BBO(偏硼酸钡)晶体，能够将中心波长为1560nm的基频光倍频为780nm，经光电探测器55探测。
测量脉冲序列中的顺时针脉冲与扫描脉冲产生一束倍频光脉冲，测量脉冲序列中的逆时针脉冲与扫描脉冲产生另一束倍频光脉冲。顺时针测量脉冲和扫描脉冲产生的倍频信号峰值处的时间为tcw，逆时针测量脉冲和扫描脉冲产生的倍频信号峰值处的时间为tccw，则旋转导致的光程差引入的时间差为
Figure BDA0002780941410000041
由(1)式可见，对Sagnac干涉仪两路的时间差τd的探测转化为两个倍频信号峰值之间的时间间隔|tcw-tccw|探测，时间尺度放大了fr/Δfr倍，在本例中约50000倍。这就是飞秒激光Sagnac干涉仪测量精度和灵敏度大幅提升的根源。
光程差可表示为，
Figure BDA0002780941410000042
c为真空中光速，ng为构成Sagnac干涉仪的光纤折射率。该Sagnac干涉仪光程差的非歧义长度为c/2ngfr≈1m，相比于常规Sagnac干涉仪，非歧义长度得到极大的扩展。
已经知晓，Sagnac干涉仪由转动角速度Ω导致的光程差有如下公式，
Figure BDA0002780941410000043
其中，A为光纤圈所围的面积，N为盘绕的圈数。
由公式(2)、(3)易得，角速度Ω为
Figure BDA0002780941410000044
根据公式(4)，本实施例公开的基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪能够完成对转动的传感与测量，提高测量精确度与灵敏度。
以上所述的具体描述，对发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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 (2)

1.一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪，其特征在于：主要由光纤耦合器(1)、光纤圈(2)、测量光源(3)、扫描光源(4)、光学扫描采样单元(5)组成；
所述光纤耦合器(1)的第一输入光纤(11)连接着测量光源(3)，第一输出光纤(12)、第二输出光纤(13)连接着所述光纤圈(2)，第二输入光纤(14)连接着所述光学扫描采样单元(5)；所述扫描光源(4)的出射激光也进入所述光学扫描采样单元(5)；所述测量光源(3)和扫描光源(4)均为飞秒激光光源，两者的重复频率有微小的差别；
所述光学扫描采样单元(5)主要由偏振分束棱镜(51)、第一凸透镜(52)、二类匹配倍频晶体(53)、第二凸透镜(54)、光电探测器(55)组成；
工作方法为：测量光源(3)输出重复频率为fr的发射脉冲序列(31)，通过第一输入光纤(11)进入光纤耦合器(1)；所述光纤耦合器(1)将输入的飞秒脉冲序列(31)分为两路，分别经第一输出光纤(12)、第二输出光纤(13)进入光纤圈(2)，在光纤圈(2)内沿相反方向传输；光纤圈(2)内沿顺、逆时针方向传输的这两路光各自环行光纤圈(2)一周后回到所述光纤耦合器(1)，在光纤耦合器(1)上进行合束，从第二输入光纤(14)返回测量脉冲序列(42)；由于光纤圈(2)顺、逆时针传输的两路光之间存在光程差，测量脉冲序列(42)中来自顺时针传输的脉冲与来自逆时针传输的脉冲延时分开；所述扫描光源(4)输出重复频率为fr+Δfr的扫描脉冲序列(41)，扫描脉冲序列(41)与测量脉冲序列(42)进入所述光学扫描采样单元(5)，在偏振分束棱镜(51)处汇合，经第一凸透镜(52)聚焦在二类匹配倍频晶体(53)上，继续经第二凸透镜(54)准直后，由光电探测器(55)采集信号；
在所述光学扫描采样单元(5)中，扫描脉冲序列(41)与测量脉冲序列(42)在二类匹配倍频晶体(53)上产生倍频光，当两方脉冲完全重合时倍频光信号最强；由于测量光源(3)与扫描光源(4)的重复频率有微小差别，在时域上，扫描脉冲之间的时间间隔与测量脉冲之间的时间间隔也有微小的不同，相当于扫描脉冲不停地对测量脉冲进行扫描采样，形成如同游标卡尺一样的“游标”效应；在不停的扫描过程中，测量脉冲序列中的顺时针脉冲与扫描脉冲产生一束倍频光脉冲，测量脉冲序列中的逆时针脉冲与扫描脉冲产生另一束倍频光脉冲；光电探测器(55)周期性地探测到对应于顺时针脉冲和逆时针脉冲的倍频信号，两个倍频信号峰值之间的时间间隔|tcw-tccw|与Sagnac干涉仪两路的光程差直接相关，进而用于推算出旋转角速度。
2.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光的光纤Sagnac干涉仪，其特征在于：飞秒激光可连接光学频率标准与微波频率标准，基于飞秒激光的Sagnac干涉仪能够实现测量结果直接向国际单位制时间基本单位的溯源。
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