CN115219023B - 一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置和方法 - Google Patents
一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置和方法，测定装置包括光源、入射单芯光纤、耦合器一、耦合器二、双芯光纤、支架、反射镜、出射单芯光纤、信号处理系统以及显示控制系统；光源输出端与入射单芯光纤一端连接，入射单芯光纤另一端通过耦合器一与双芯光纤的输入端连接。测试时反射镜受到待测激光照射，发生摆动，摆动的反射镜引起双芯光纤的形变，双芯光纤发生形变时，由于纤芯一、纤芯二的排列方向与形变方向一致，导致纤芯一、纤芯二的形变不一致，通过在双芯光纤中构建的干涉仪，可以测得双芯光纤的形变数据，经过换算可以获得待测激光在反射镜上施加的压力，即光压。
Description
技术领域
本发明属于光压测定技术领域，具体涉及一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置和方法。
背景技术
在科学研究中，光压的测量都有着重要的意义，宏观领域如宇航，恒星的光压对于轨道飞行器的姿态有着不可忽视的影响；微观领域如生命科学研究中，光压在操纵微粒、细胞方面发挥着极其重要的作用。因此对于光压测量的尤为重要。由于光压的量级非常小，普通测量装置无法对其进行精确计量。
发明专利ZL202010004204.8公开了一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置及方法，该方法利用悬臂梁结构在光压作用下产生谐振，进而计算出光压值；该方法需要用到精密悬臂梁及多普勒激光干涉仪，结构复杂，成本较高。
发明专利ZL201110233271.8公开了一种基于光压原理测量高能激光能量参数的方法和装置，该方法针对高能激光，灵敏度稍低，测量光压范围较小，对镜面的位移监测采用光纤位移传感器、电容位移传感器，器件组成较为复杂。
发明专利ZL201510801975.9公开了一种基于光纤光路的光压演示及测量系统，该方法采用光纤光路来测量光压，但是其测量光与待测光同时作用于反射镜一侧，很容易对待测光压产生附加误差，不适合高精度测量领域。
发明专利ZL201410023274.2公开了一种基于纳米银膜的光压传感器及其光压检测方法，该方法基于纳米银膜结构进行光压监测，其尺度较小，不适用于空间光压的测量，且其测量光与待测光压同时作用于银膜表面，易引起测量误差。
发明专利ZL201610034127.4公开了一种基于重力的光压标定装置及标定方法，该方法需要一个真空舱，且所需的金属膜工艺较为复杂，装置装配精度要求较高，实际应用较为复杂。
发明专利ZL201710738600.1公开了一种光压测量装置及方法，该方法也是设计了一张金属膜，通过待测光照射金属膜发生形变，然后通过Michelson干涉仪测量金属膜形变量来获得光压，其金属膜固定机构复杂，且金属膜两侧均受到激光照射，即测量光也引起金属膜形变，使得其测量精度受限，对于低能量光压信号精度较差。
综上，目前光压测量装置存在着结构过于复杂、制作成本高、测量光路对待测光路产生干扰等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置和方法，以解决目前光压测量装置存在着结构过于复杂、制作成本高、测量光路对待测光路产生干扰等缺陷的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置和方法，所述测定装置包括光源、入射单芯光纤、耦合器一、耦合器二、双芯光纤、支架、反射镜、出射单芯光纤、信号处理系统以及显示控制系统；
所述光源输出端与入射单芯光纤一端连接，入射单芯光纤另一端通过耦合器一与双芯光纤的输入端连接；
所述双芯光纤贯穿所述支架与所述反射镜连接，且双芯光纤的输出端通过所述耦合器二与出射单芯光纤一端连接，所述出射单芯光纤的另一端与信号处理系统相连接，所述信号处理系统与所述显示控制系统相连接。
优选的，所述支架上设置有两个连接点：悬挂点一、悬挂点二，所述双芯光纤通过所述悬挂点一与所述悬挂点二贯穿所述支架并固定在横梁上，位于所述支架内部的所述双芯光纤形成U型结构、并且底部弯曲半径大于光纤最小弯曲半径，所述U型结构弯曲的底部与反射镜连接。
优选的，贯穿于所述支架的两个纤芯轴线的平面垂直于反射镜的反射面。
优选的，所述显示控制系统与所述信号处理系统之间连接有数据线，所述耦合器一和耦合器二的两个端口分别为双芯光纤端口和单芯光纤端口。
优选的，所述双芯光纤端口包括纤芯一和纤芯二，所述纤芯一与所述纤芯二的分光比为1:1。
优选的，所述光源用于产生窄线宽激光；
所述双芯光纤为单模双芯光纤；所述双芯光纤上的所述悬挂点一和所述悬挂点二的中心与U型结构底部距离为50～70mm。
优选的，所述支架为梯形结构的铝合金框架，所述双芯光纤与所述支架通过环氧树脂胶粘接，所述支架的底部设置有用于固定的通孔。
优选的，所述信号处理系统包括光电转换、模数转换及干涉信号解调功能，所述显示控制系统用于解调信号的显示。
优选的，上述装置具有如下工作步骤：
步骤一：所述光源输出的窄带激光经过入射单芯光纤进入耦合器一，能量被耦合器一分为两部分且分别进入纤芯一和纤芯二，构成所述干涉仪的两个干涉臂；
步骤二：激光通过双芯光纤端口后进入所述U型结构内，接着通过耦合器二产生干涉、被合为一束，最后通过出射单芯光纤进入信号处理系统。
本发明的技术效果和优点：反射镜受到待测激光照射，发生摆动，摆动的反射镜引起双芯光纤的形变，双芯光纤发生形变时，由于纤芯一、纤芯二的排列方向与形变方向一致，导致纤芯一、纤芯二的形变不一致，以测得双芯光纤的形变数据，经过换算可以获得待测激光在反射镜上施加的压力，即光压；本装置结构简单、便于测量，测量灵敏度及精度较高，误差小，测量光不会对待测光产生干扰。
附图说明
图1为本发明的测定装置连接示意图；
图2为本发明的反射镜剖面结构示意图；
图3为本发明的双芯光纤剖面结构示意图；
图4为本发明的U型结构与反射镜连接示意图；
图5为本发明的反射镜测试状态示意图；
图6为本发明的测定装置示意图；
图7为本发明的干涉仪原理示意图。
图中：
1、光源；
2A、入射单芯光纤；2B、出射单芯光纤；
3A、耦合器一；3B、耦合器二；
4、双芯光纤；42、悬挂点一；44、悬挂点二；43、U型结构；401、纤芯一；402、纤芯二；
5、支架；
6、反射镜；
7、信号处理系统；
81、显示控制系统；82、数据线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、6或7所示，一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置和方法，所述测定装置包括光源1、入射单芯光纤2A、耦合器一3A、耦合器二3B、双芯光纤4、支架5、反射镜6、出射单芯光纤2B、信号处理系统7以及显示控制系统81；
所述光源1输出端与入射单芯光纤2A一端连接，入射单芯光纤2A另一端通过耦合器一3A与双芯光纤4的输入端连接；
所述双芯光纤4贯穿所述支架5与所述反射镜6连接，且双芯光纤4的输出端通过所述耦合器二3B与出射单芯光纤2B一端连接，所述出射单芯光纤2B的另一端与信号处理系统7相连接，所述信号处理系统7与所述显示控制系统81相连接。
具体的，参考附图1所示，所述支架5上设置有两个连接点：悬挂点一42、悬挂点二44，所述双芯光纤4通过所述悬挂点一42与所述悬挂点二44贯穿所述支架5并固定在横梁上，位于所述支架5内部的所述双芯光纤4形成U型结构43、并且底部弯曲半径大于光纤最小弯曲半径，所述U型结构43与反射镜6连接。
再者，参考附图3或4所示，贯穿于所述支架5的两个纤芯轴线的平面垂直于反射镜6的反射面。
所述显示控制系统81与所述信号处理系统7之间连接有数据线82，所述耦合器一3A和耦合器二3B的两个端口分别为双芯光纤端口和单芯光纤端口。
可参考附图5所示，所述双芯光纤端口包括纤芯一401和纤芯二402，所述纤芯一401与所述纤芯二402的分光比为1:1，所述光源1用于产生窄线宽激光，所述双芯光纤4为单模双芯光纤，所述悬挂点一42和所述悬挂点二44的中心与U型结构43底部距离为50～70mm。
具体的，光源1的工作波长：1550±20nm；输出功率：大于1mW；光谱线宽：小于1pm；
双芯光纤4具体为：纤芯直径：9μm；纤芯轴距：30μm；包层直径：125μm。
所述支架5具体为梯形结构的铝合金框架，所述双芯光纤4与所述支架5通过环氧树脂胶粘接，所述支架5的底部设置有用于固定的通孔。
所述信号处理系统7包括光电转换、模数转换及干涉信号解调功能，所述显示控制系统81用于解调信号的显示。
可参考附图1、6的图示内容，上述测定装置具有如下工作步骤：
步骤一：所述光源1输出的窄带激光经过入射单芯光纤2A进入耦合器一3A，能量被耦合器一3A分为两部分且分别进入纤芯一401和纤芯二402，构成所述干涉仪的两个干涉臂；
步骤二：激光通过双芯光纤4端口后进入所述U型结构43内，接着通过耦合器二3B产生干涉、被合为一束，最后通过出射单芯光纤2B进入信号处理系统7。
具体的，在上述步骤一中，两干涉臂反射的信号将在信号处理系统7处产生干涉，干涉强度幅值变化可以表示为：
式中：I1、I2为分别为来自纤芯401、纤芯402两测量臂的反射信号强度，k为光纤中的波数，Δx为两测量臂之间的长度差异，
为初始相位；
上述步骤二中，
在光纤Mach-Zehnder干涉仪中，传感光纤在光压力F作用在反射镜6时，直接引起干涉仪中双芯光纤4中纤芯401、402的长度、折射率和芯径发生变化，从而造成在光纤中所传输光的相位发生变化，由光纤相位表达式：
φ＝βL (2)
可得传输光相位变化：
式中，
为光波在光纤中的传播常数，λ为光波在真空中的传播波长，D为光纤直径，n为光纤折射率。
由于
式中，μ为光纤材料的泊松比，p11、p12分别为光纤材料的弹光系数，ε3＝ΔL/L为光纤的纵向应变，因此，式(2)化简为：
在纤芯一401和纤芯二402上任一点x附近取长度为dl的微元，双芯光纤4在光压力F作用下弯曲时，对该微元所产生的应变ε为：
式中，d为双芯光纤4的纤芯一401和纤芯二402之间的距离，R为双芯光纤4弯曲时该微元处的曲率半径，表达式为：
对于该微元，双芯光纤4弯曲所产生的应变还可表示为：
式中，Δl为该微元长度的变化。
双芯光纤的弯矩方程为：
M(x)＝-F(L-x) (0＜x＜L) (9)
式中，M(x)为双芯光纤的弯矩，F为施加在反射镜上的光压力，L为双芯光纤的长度。
由式(6)、(7)、(8)、(9)，可得：
因此，双芯光纤弯曲所引起的两个纤芯之间的长度差ΔL为：
式(11)中的系数4是由于采用的是双芯光纤和双传感臂结构。
因此，双芯光纤的相位变化Δφ与光压力F关系为：
式中，F为光压力：
其中P光源功率，q受辐照面的反射系数，c为光速。
光纤杨氏模量E＝73×109N/m2，光纤半径r为125μm，光纤截面惯性矩I＝πr4/4，采用λ＝1550nm的光源；双芯光纤纤芯间距d为62.5μm，双芯光纤单摆长度L为5cm，纤芯折射率n＝1.458；光纤材料泊松比μ为0.17，弹光系数p12为0.27，p11为0.121。根据这些参数可计算出干涉仪的相位变化约为盘片受力的50000倍，即1nN的作用力可以使干涉仪相位发生5×10-5rad的变化，而双芯光纤构成的干涉仪其本底噪声水平约为2.828×10-5rad，干涉仪可以检测出1nN作用力所引起的相位变化。
若增加双芯光纤单摆长度L至7cm，干涉仪的相位变化约为盘片受力的10万倍，1nN的光压力可以使干涉仪相位发生1×10-4rad的变化；
通过在双芯光纤4与反射镜6的连接，使得光源1输出的窄带激光在进入双芯光纤4时，摆动的反射镜6引起双芯光纤4的形变，双芯光纤4发生形变时，由于纤芯一401、纤芯二402的排列方向与形变方向一致，导致纤芯一401、纤芯二402的形变不一致，纤芯一401、纤芯二402的形变不一致可测得双芯光纤4的形变数据，具体为经过信号处理系统7进行数据计算，换算可以获得待测激光在反射镜6上施加的压力，即光压。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置，其特征在于，所述测定装置包括光源(1)、入射单芯光纤(2A)、耦合器一(3A)、耦合器二(3B)、双芯光纤(4)、支架(5)、反射镜(6)、出射单芯光纤(2B)、信号处理系统(7)以及显示控制系统(81)；
所述光源(1)输出端与入射单芯光纤(2A)一端连接，入射单芯光纤(2A)另一端通过耦合器一(3A)与双芯光纤(4)的输入端连接；
所述双芯光纤(4)贯穿所述支架(5)与所述反射镜(6)连接，所述支架(5)上设置有两个连接点：悬挂点一(42)、悬挂点二(44)，所述双芯光纤(4)通过所述悬挂点一(42)与所述悬挂点二(44)贯穿所述支架(5)并固定在横梁上，且双芯光纤(4)的输出端通过所述耦合器二(3B)与出射单芯光纤(2B)一端连接，所述出射单芯光纤(2B)的另一端与信号处理系统(7)相连接，所述信号处理系统(7)与所述显示控制系统(81)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置，其特征在于，位于所述支架(5)内部的所述双芯光纤(4)形成U型结构(43)、并且底部弯曲半径大于光纤最小弯曲半径，所述U型结构(43)与反射镜(6)连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置，其特征在于：贯穿于所述支架(5)的两个纤芯轴线的平面垂直于反射镜(6)的反射面。
4.根据权利要求2所述的一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置，其特征在于：所述显示控制系统(81)与所述信号处理系统(7)之间连接有数据线(82)，所述耦合器一(3A)和耦合器二(3B)的两个端口分别为双芯光纤端口和单芯光纤端口。
5.根据权利要求4所述的一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置，其特征在于：所述双芯光纤端口包括纤芯一(401)和纤芯二(402)，所述纤芯一(401)与所述纤芯二(402)的分光比为1:1。
6.根据权利要求4所述的一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置，其特征在于：所述光源(1)产生窄线宽激光；所述双芯光纤(4)为单模双芯光纤，所述悬挂点一(42)和悬挂点二(44)的中心与U型结构(43)底部距离为50～70mm。
7.根据权利要求4所述的一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置，其特征在于：所述支架(5)为梯形结构的铝合金框架，所述双芯光纤(4)与所述支架(5)通过环氧树脂胶粘接，所述支架(5)的底部设置有用于固定的通孔。
8.根据权利要求4所述的一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置，其特征在于：所述信号处理系统(7)包括光电转换、模数转换及干涉信号解调功能，所述显示控制系统(81)用于解调信号的显示。
9.根据权利要求2或6所述的一种基于双芯光纤干涉仪的摆式光压测定装置的方法，其特征在于，具有如下步骤：
步骤一：所述光源(1)输出的窄带激光经过入射单芯光纤(2A)进入耦合器一(3A)，能量被耦合器一(3A)分为两部分且分别进入纤芯一(401)和纤芯二(402)，构成所述干涉仪的两个干涉臂；
步骤二：激光通过双芯光纤(4)端口后进入所述U型结构(43)内，接着通过耦合器二(3B)产生干涉、被合为一束，最后通过出射单芯光纤(2B)进入信号处理系统(7)。
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