CN115219025B - 基于双芯光纤制成的光压测定装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于双芯光纤制成的光压测定装置和方法，包括窄线宽光源、单芯光纤一、光纤耦合器一、单芯光纤二、光纤耦合器二、双芯光纤、支架、反射镜、单芯光纤、信号处理模块、数据线以及控制显示系统，所述窄线宽光源与所述单芯光纤一连接，所述单芯光纤一通过所述光纤耦合器一与所述双芯光纤的一端连接。本发明提供的基于双芯光纤制成的光压测定装置和方法，平行排布的双芯光纤各段由于相对圆形光斑的位置不同，而形变不同，又因为平行排布的双芯光纤是连接在一起的，反射镜背面平行排布的双芯光纤排布越密集，灵敏度越高。

Description

基于双芯光纤制成的光压测定装置和方法

技术领域

本发明属于光压测量技术领域，具体涉及基于双芯光纤制成的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，即测量光也会引起金属膜形变，使得其测量精度受限，对于低能量光压信号精度较差。

发明内容

本发明的目的在于提供基于双芯光纤制成的光压测定装置和方法，以解决现有测量技术存在对实际光压的测量精度低、灵敏度低、测量范围小、装置复杂的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于双芯光纤制成的光压测定装置和方法，包括窄线宽光源、单芯光纤一、光纤耦合器一、单芯光纤二、光纤耦合器二、双芯光纤、支架、反射镜、信号处理模块、数据线以及控制显示系统，

所述窄线宽光源与所述单芯光纤一连接，所述单芯光纤一通过所述光纤耦合器一与所述双芯光纤的一端连接；

所述双芯光纤的另一端通过所述光纤耦合器二与所述单芯光纤二连接，所述单芯光纤二与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块通过所述数据线与所述控制显示系统连接；

所述双芯光纤呈若干个线条且平行分布在所述反射镜背面，所述反射镜固定安装在所述支架上，所述支架包括光纤压片，所述双芯光纤通过光纤压片与所述反射镜固定连接，所述信号处理模块通过所述数据线与控制显示系统连接。

优选的，所述支架为方形结构铝合金框架，所述支架包括底座、压板、下坡面和上坡面，所述下坡面和所述上坡面对称分布在所述底座相对两侧的外壁，所述双芯光纤位于所述压板与所述底座之间、通过光纤压片固定。

优选的，所述双芯光纤与所述支架的连接为：由所述下坡面经过所述反射镜，再经过上坡面绕回，依次顺序排列。

优选的，所述双芯光纤包括纤芯一和纤芯二，所述纤芯一和所述纤芯二的共同子午面均与所述反射镜垂直。

优选的，所述光纤耦合器一和光纤耦合器二的分光比均为1:1。

优选的，所述双芯光纤为单模双芯光纤，所述双芯光纤通过环氧树脂胶固定在所述反射镜的背面。

优选的，所述信号处理模块包括光电转换、模数转换及干涉信号解调功能，所述控制显示系统主要功能是解调信号的显示。

优选的，上述装置的方法具体包括以下步骤：

步骤一：窄线宽光源输出的窄带激光经过单芯光纤一进入光纤耦合器一，能量被光纤耦合器一分为两部分进入双芯光纤内，具体为一半光能量进入纤芯一，另一半光能量进入纤芯二，分为两半的光能量各自在纤芯一、纤芯二传输后，进入到光纤耦合器二，两部分激光能量合为一束发生干涉，干涉信号通过单芯光纤二传输到信号处理模块；

步骤二：反射镜受到待测激光照射发生形变，引起其背面平行排布的双芯光纤产生形变，此时纤芯一和纤芯二的排列方向与形变方向一致，导致两个纤芯的形变不一致，使得两个纤芯中分别传输的激光光程不一致，进而使两部分光能量在光纤耦合器二处合为一束时产生的激光干涉信号强度发生变化；

步骤三：通过上一步骤中测得的光纤耦合器二处激光干涉信号强度，可以计算出纤芯一、纤芯二中所传输的激光光程的差值变化数据，经过换算可得到待测激光在反射镜上施加的压力，即光压。

优选的，所述步骤三中，纤芯一和纤芯二中传输的光在单芯光纤二传输到信号处理模块，最终通过数据线传输至控制显示系统上显示。

本发明的技术效果和优点：通常激光输出光斑是圆形，在激光辐照之下，反射镜被光斑覆盖的区域将产生形变，进而引起反射镜背部平行排布的双芯光纤产生形变，平行排布的双芯光纤各段由于相对圆形光斑的位置不同，而形变不同，又因为平行排布的双芯光纤是连接在一起的，反射镜背面平行排布的双芯光纤排布越密集，灵敏度越高，形变累积使得双芯光纤中传输的激光光程差发生较大变化，进而影响到干涉信号的变化，该方法可以使得干涉仪具备较高的光压测量灵敏度。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的双芯光纤与支架连接结构示意图；

图3为本发明的双芯光纤与反光镜走向结构示意图

图4为本发明的干涉仪原理示意图；

图5为本发明的局部双芯光纤形变示意图；

图6为本发明的整体双芯光纤形变示意图。

图中：1、窄线宽光源；2A、单芯光纤一；3A、光纤耦合器一；2B、单芯光纤二；3B、光纤耦合器二；4、双芯光纤；401、纤芯一；402、纤芯二；5、支架；51、底座；52、压板；53、光纤压片；54、下坡面；55、上坡面；6、反射镜；7、信号处理模块；8、数据线；9、控制显示系统。

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、2、4、6所示，本发明提供了基于双芯光纤制成的光压测定装置和方法，包括窄线宽光源1、单芯光纤一2A、光纤耦合器一3A、单芯光纤二2B、光纤耦合器二3B、双芯光纤4、支架5、反射镜6、信号处理模块7、数据线8以及控制显示系统9，所述窄线宽光源1与所述单芯光纤一2A连接，所述单芯光纤一2A通过所述光纤耦合器一3A与所述双芯光纤4的一端连接；

所述双芯光纤4的另一端通过所述光纤耦合器二3B与所述单芯光纤二2B连接，所述单芯光纤二2B与所述信号处理模块7连接，所述信号处理模块7通过所述数据线8与所述控制显示系统9连接；

所述单芯光纤2分别连接在所述窄线宽光源1与所述信号处理模块7的一端，所述光纤耦合器3分别连接在所述单芯光纤2的一端和所述双芯光纤4，所述双芯光纤4的两端分别与两个所述光纤耦合器3相连接，两个所述光纤耦合器3的分光比均为1:1；

所述双芯光纤4呈若干个线条且平行分布在所述反射镜6背面，所述反射镜6固定安装在所述支架5上，所述支架5包括光纤压片53，所述双芯光纤4通过光纤压片53与所述反射镜6固定连接，所述信号处理模块7通过所述数据线8与控制显示系统9连接。

具体的，所述支架5为方形结构铝合金框架，所述支架5包括底座51、压板52、下坡面54和上坡面55，所述下坡面54和所述上坡面55对称分布在所述底座51相对两侧的外壁，所述双芯光纤4位于所述压板52与所述底座51之间、通过光纤压片53固定。

具体的，所述双芯光纤4与所述支架5的连接为：由所述下坡面54经过所述反射镜6，再经过上坡面55绕回，依次顺序排列。所述双芯光纤4包括纤芯一401和纤芯二402，所述纤芯一401和所述纤芯二402的共同子午面均与所述反射镜6垂直。所述双芯光纤4为单模双芯光纤，所述双芯光纤4通过环氧树脂胶固定在所述反射镜6的背面。

窄线宽光源1，所述窄线宽光源1用于产生窄线宽激光，工作波长：1550±20nm；输出功率大于1mW；光谱线宽小于1pm；

所述双芯光纤4为单模双芯光纤，纤芯直径为9μm；纤芯轴距为30μm；包层直径为125μm，双芯光纤4利用环氧树脂胶接在反射镜的背面，光斑分布平行排列，为了使环氧树脂胶的温度膨胀系数与石英接近，环氧树脂内掺入一定量的石英粉，以降低温度变化引起的封装误差；

所述支架5具体为8mm厚的方形铝合金结构；

所述反射镜6尺寸为140×140mm的方形镜，厚度为0.25mm，材质为SiO₂，通过环氧树脂与双芯光纤4胶接。

可参考附图2、3所示，双芯光纤4与反射镜6的连接为：双芯光纤4通过a-A-b-B依次排列的方式平行排列在反射镜6的背面，利用环氧树脂将双芯光纤4粘合在反射镜6的背面。

具体的，所述信号处理模块7包括光电转换、模数转换及干涉信号解调功能，所述控制显示系统9主要功能是解调信号的显示。

总的来说，上述装置的方法具体包括以下步骤：

步骤一：窄线宽光源1输出的窄带激光经过单芯光纤一2A进入光纤耦合器一3A，能量被光纤耦合器一3A分为两部分进入双芯光纤4内，具体为一半光能量进入纤芯一401，另一半光能量进入纤芯二402，分为两半的光能量分别在纤芯一401、纤芯二402传输后，进入到光纤耦合器二3B，两部分激光能量合为一束发生干涉，干涉信号通过单芯光纤二2B传输到信号处理模块7；

步骤二：反射镜6受到待测激光照射发生形变，引起其背面平行排布的双芯光纤4产生形变，此时纤芯一401和纤芯二402的排列方向与形变方向一致，导致两个纤芯的形变不一致，引起两个纤芯中各自传输的激光光程不一致，进而使两部分光能量在光纤耦合器二3B处合为一束时产生的激光干涉信号强度发生变化；

步骤三：通过上一步骤中测得的光纤耦合器二3B处激光干涉信号强度，可以计算出纤芯一401、纤芯二402中各自传输的激光光程的差值变化数据，经过换算可得到待测激光在反射镜6上施加的压力，即光压；

所述步骤三中，纤芯一401和纤芯二402中传输的光在光纤耦合器二3B中发生干涉，干涉信号通过单芯光纤二2B传输到信号处理模块7，最终通过数据线8传输至控制显示系统9上显示。

干涉强度幅值变化可以表示为：

式中：I₁、I₂为来自纤芯一401、纤芯二402两测量臂的信号强度，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。

上述干涉仪中，传感光纤在光压力F作用时，直接引起干涉仪中传感光纤的长度、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 (1)

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，n为光纤折射率，L为光纤长度，ΔL和Δn分别为光纤长度和折射率的变化。

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：

在双芯光纤纤芯上任一点x附近取长度为dl的微元，双芯光纤在光压力F作用下弯曲时，对该微元所产生的应变ε为：

式中，d为双芯光纤的两纤芯之间的距离，R为双芯光纤弯曲时该微元处的曲率半径，表达式为：

式中，E为双芯光纤材料的杨氏模量，I为截面惯性矩，

为单根双芯光纤结构的弯矩，F为单根双芯光纤所感知的光压力；

对于该微元，双芯光纤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。

因此，由式(5)、(6)、(7)，单根双芯光纤弯曲所引起的两个纤芯之间的长度差ΔL为：

式(8)中的系数4是由于采用双芯光纤作为传感测量结构。因此，单根双芯光纤悬臂梁结构的相位变化Δφ与光压力F关系为：

反射镜6背面光纤为平行排布，反射镜6的宽度方向垂直于平行光纤，设宽度为a，双芯光纤在单位宽度内的数量为D，因此反射镜上粘合双芯光纤总的相位变化为：

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4纤芯间距(也就是：纤芯一401与纤芯二402的间距)d为62.5μm，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。

通常激光输出光斑是圆形，在激光辐照之下，反射镜6被光斑覆盖的区域将产生形变，进而引起反射镜6背部平行排布的双芯光纤4产生形变，平行排布的双芯光纤4各段由于相对圆形光斑的位置不同，而形变不同，又因为平行排布的双芯光纤4是连接在一起的，反射镜6背面平行排布的双芯光纤4排布越密集，灵敏度越高，形变累积使得双芯光纤4中传输的激光光程差发生较大变化，进而影响到干涉信号的变化，该方法可以使得干涉仪具备较高的光压测量灵敏度，可以达到1pN量级。

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 (7)

1.一种基于双芯光纤制成的光压测定装置，包括窄线宽光源（1）、单芯光纤一（2A）、光纤耦合器一（3A）、单芯光纤二（2B）、光纤耦合器二（3B）、双芯光纤（4）、支架（5）、反射镜（6）、信号处理模块（7）、数据线（8）以及控制显示系统（9），其特征在于，

所述窄线宽光源（1）与所述单芯光纤一（2A）连接，所述单芯光纤一（2A）通过所述光纤耦合器一（3A）与所述双芯光纤（4）的一端连接；

所述双芯光纤（4）的另一端通过所述光纤耦合器二（3B）与所述单芯光纤二（2B）连接，所述单芯光纤二（2B）与所述信号处理模块（7）连接，所述信号处理模块（7）通过所述数据线（8）与所述控制显示系统（9）连接；

所述双芯光纤（4）呈若干个线条且平行分布在所述反射镜（6）背面，所述反射镜（6）固定安装在所述支架（5）上，所述支架（5）包括底座（51）、压板（52）、光纤压片（53）、下坡面（54）和上坡面（55），所述下坡面（54）和所述上坡面（55）对称分布在所述底座（51）相对两侧的外壁，所述双芯光纤（4）位于所述压板（52）与所述底座（51）之间、通过光纤压片（53）固定；所述双芯光纤（4）由所述下坡面（54）经过所述反射镜（6），再经过上坡面（55）绕回，依次顺序排列；所述双芯光纤（4）内并排设有纤芯一（401）和纤芯二（402），且所述纤芯一（401）和所述纤芯二（402）的共同子午面均与所述反射镜（6）垂直。

2.根据权利要求1所述的基于双芯光纤制成的光压测定装置，其特征在于，所述支架（5）为方形结构铝合金框架。

3.根据权利要求1所述的基于双芯光纤制成的光压测定装置，其特征在于，所述光纤耦合器一（3A）和所述光纤耦合器二（3B）的分光比均为1:1。

4.根据权利要求1所述的基于双芯光纤制成的光压测定装置，其特征在于，所述双芯光纤（4）为单模双芯光纤，所述双芯光纤（4）通过环氧树脂胶固定在所述反射镜（6）的背面。

5.根据权利要求1所述的基于双芯光纤制成的光压测定装置，其特征在于，所述信号处理模块（7）包括光电转换、模数转换及干涉信号解调功能，所述控制显示系统（9）用于显示解调信号。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于双芯光纤制成的光压测定装置的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：窄线宽光源（1）输出的窄带激光经过单芯光纤一（2A）进入光纤耦合器一（3A），能量被光纤耦合器一（3A）分为两部分进入双芯光纤（4）内，具体为一半光能量进入纤芯一（401），另一半光能量进入纤芯二（402），分为两半的光能量分别在纤芯一（401）、纤芯二（402）传输后，进入到光纤耦合器二（3B），两部分激光能量合为一束发生干涉，干涉信号通过单芯光纤二（2B）传输到信号处理模块（7）；

步骤二：反射镜（6）受到待测激光照射发生形变，引起其背面平行排布的双芯光纤（4）产生形变，此时纤芯一（401）和纤芯二（402）的排列方向与形变方向一致，导致两个纤芯的形变不一致，使得两个纤芯中所传输的激光光程不一致，进而使两部分光能量在光纤耦合器二（3B）处合为一束时产生的激光干涉信号强度发生变化；

步骤三：通过上一步骤中测得的光纤耦合器二（3B）处激光干涉信号强度，可以计算出双芯光纤（4）中纤芯一（401）、纤芯二（402）中各自传输的激光光程的差值变化数据，经过换算可得到待测激光在反射镜（6）上施加的压力，即光压。

7.根据权利要求6所述的基于双芯光纤制成的光压测定装置的方法，其特征在于，所述步骤三中，纤芯一（401）和纤芯二（402）中传输的光在光纤耦合器二（3B）中发生干涉，干涉信号通过单芯光纤二（2B）传输到信号处理模块（7），最终通过数据线（8）传输至控制显示系统（9）上显示。

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