CN115235622B - 一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置和方法，包括光源、第一单芯光纤、光纤耦合器、双芯光纤、支架、反射镜、第二单芯光纤、信号处理系统、数据线和显示控制系统，所述光源装置上设置有用于输出光信号输出端口，且输出端连接单芯光纤，整个过程实现了测量装置结构简单，且基于光纤干涉测量原理，使其测量光压的灵敏度及精度较高，且测量光不会对待测光产生干扰，且该光压装置为一根双芯光纤与反射镜片构成的摆式光压测量装置，双芯光纤作为单摆悬丝，双芯光纤两根纤芯的共同子午面垂直于反射镜面，反射镜面固定于双芯光纤末端。双芯光纤的两根纤芯构成Michelson干涉仪的两个干涉臂，该方法制作整体结构简单，操作方便且易制作。
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，然后通过迈克尔逊式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，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一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置和方法，以解决光压的量级非常小，普通测量装置无法对其进行精确计量，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：一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置，包括光源、第一单芯光纤、光纤耦合器、双芯光纤、支架、反射镜、第二单芯光纤、信号处理系统和显示控制系统，所述光源装置上设置有用于输出光信号的输出端，且输出端连接第一单芯光纤，所述第一单芯光纤输出端连接光纤耦合器，所述光纤耦合器一端连接双芯光纤，所述双芯光纤一端设置有反射镜，所述反射镜设置于支架上，所述支架包括横梁；所述光纤耦合器的输出端设置有第二单芯光纤，第二单芯光纤输出端连接信号处理系统，所述第二单芯光纤通过信号处理系统连接显示控制系统；
所述双芯光纤上设置有反射端、悬挂点和子午面，所述双芯光纤一端贯穿横梁并且通过悬挂点固定在横梁上，双芯光纤上的反射端与所述反射镜连接，所述双芯光纤与反射镜之间通过双芯光纤的两个纤芯轴线的共同子午面垂直于反射镜的反射面连接。
优选的，所述光源用于产生窄线宽激光，所述第一单芯光纤、第二单芯光纤用于传输激光，均采用普通单模光纤，所述光纤耦合器一端输出一根双芯单模光纤，另一端输出两根单芯单模光纤。
优选的，所述双芯光纤为单模双芯光纤，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，所述双芯光纤反射端镀金反射膜。
优选的，所述支架为梯形结构铝合金框架且顶部中心位置开设有用于穿过双芯光纤的孔，所述双芯光纤的悬挂点与支架顶部平齐，所述双芯光纤与支架通过环氧树脂胶进行粘接，所述支架底部设置有通孔。
优选的，所述反射镜与双芯光纤反射端通过环氧树脂胶接，所述双芯光纤的两根纤芯共同子午面垂直于反射镜镜面，所述反射镜单面镀金反射膜。
优选的，所述信号处理系统具备光电转换、模数转换及干涉信号解调功能。
一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置的使用方法，具体步骤如下：
步骤一：光源射入，开启光源，输出的窄带激光在第一单芯光纤输出进入光纤耦合器，能量被光纤耦合器分为两部分：一半光能量进入双芯光纤的纤芯，另一半能量进入双芯光纤的另一个纤芯，构成迈克尔逊式干涉仪的两个干涉臂；双芯光纤的反射端镀有金属反射膜，激光在两个纤芯的末端被反射至双芯光纤；
步骤二：光源反射，反射回来的光再经过光纤耦合器，被合为一束并被再分成为两部分，一部分通过第二单芯光纤进入信号处理系统；另一部分通过第一单芯光纤返回光源，被光源内置隔离器阻挡，所述光纤器件都工作在单模状态；
步骤三：信号处理，两干涉臂反射的信号将在信号处理系统处产
生干涉，干涉强度幅值变化计算公式为：
式中：I1、I2分别为表示纤芯、纤芯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；
步骤四：光压产生，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，由于两个纤芯的共同子午面垂直于反射镜镜面，导致两个纤芯的形变不一致，通过在双芯光纤中构建的迈克尔逊式干涉仪，可以测得两根纤芯的形变差异，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；
步骤五：偏移量产生，由光源发出的激光经过单芯光纤输出进入光纤耦合器，激光被光纤耦合器分为两部分，分别在双芯光纤内部的两根纤芯内传输，当光被反射端反射，沿两根纤芯至光纤耦合器发生干涉，并被分为两束，一束光返回光源并由光源内部的隔离器阻止光泄露，另一束光进入信号处理系统，形变差异导致激光在这两根纤芯中的光程产生差异，进而引起干涉信号光强的变化，信号处理系统根据干涉信号光强变化算出两根纤芯的相对形变量，进而获得反射镜的偏移量，反射镜偏移量对应着其受到的光压大小。
本发明的技术效果和优点：整个过程实现了测量装置结构简单，且基于光纤干涉测量原理，使其测量光压的灵敏度及精度较高，且测量光不会对待测光产生干扰，且该光压装置为一根双芯光纤与反射镜构成的摆式光压测量装置，双芯光纤作为单摆悬丝，双芯光纤两根纤芯的共同子午面垂直于反射镜面，反射镜面固定于双芯光纤末端。双芯光纤的两根纤芯构成迈克尔逊式干涉仪的两个干涉臂，该方法制作整体结构简单，操作方便且易制作，灵活度更高环境适用性更高，该测量方法两根纤芯位于测试光压反射片一侧，误差小，适合高精度测量领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的双芯光纤结构示意图；
图3为本发明的干涉原理图。
图中：1、光源；2A、第一单芯光纤；3、光纤耦合器；4、双芯光纤；41、反射端；42、悬挂点；44、子午面；5、支架；51、横梁；6、反射镜；2B、第二单芯光纤；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。
本发明提供了如图中所示的一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置，包括光源1、第一单芯光纤2A、光纤耦合器3、双芯光纤4、支架5、反射镜6、第二单芯光纤2B、信号处理系统7和显示控制系统81，光源1装置上设置有用于输出光信号的输出端，且输出端连接第一单芯光纤2A，第一单芯光纤2A输出端连接光纤耦合器3，光纤耦合器3一端连接双芯光纤4，双芯光纤4一端设置有反射镜6，反射镜6设置于支架5上，支架5包括横梁51；光纤耦合器3的输出端设置有第二单芯光纤2B，第二单芯光纤2B输出端连接信号处理系统7，第二单芯光纤2B通过信号处理系统7连接显示控制系统81；
双芯光纤4上设置有反射端41、悬挂点42和子午面44，双芯光纤4一端贯穿横梁51并且通过悬挂点42固定在横梁51上，双芯光纤4上的反射端41与反射镜6连接，双芯光纤4与反射镜之间通过双芯光纤4的两个纤芯轴线的共同子午面44垂直于反射镜6的反射面连接。
具体的，光源1用于产生窄线宽激光，第一单芯光纤2A、第二单芯光纤2B用于传输激光，均采用普通单模光纤，光纤耦合器3一端输出一根双芯单模光纤，另一端输出两根单芯单模光纤。
具体的，双芯光纤4为单模双芯光纤，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，双芯光纤4反射端41镀金反射膜。
具体的，支架5为梯形结构铝合金框架且顶部中心位置开设有用于穿过双芯光纤4的孔，双芯光纤4的悬挂点与支架5顶部平齐，双芯光纤4与支架5通过环氧树脂胶进行粘接，支架底部设置有通孔。
具体的，反射镜6与双芯光纤4反射端41通过环氧树脂胶接，双芯光纤4的两根纤芯共同子午面44垂直于反射镜6镜面，反射镜6单面镀金反射膜，所述反射镜6直径约为70mm，厚度0.3mm。
具体的，信号处理系统7具备光电转换、模数转换及干涉信号解调功能。
一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置的使用方法，具体步骤如下：
步骤一：光源射入，开启光源1，输出的窄带激光在第一单芯光纤2A输出进入光纤耦合器3，能量被光纤耦合器3分为两部分：一半光能量进入双芯光纤4的纤芯401，另一半能量进入双芯光纤的另一个纤芯402，构成迈克尔逊式干涉仪的两个干涉臂；双芯光纤4的反射端41镀有金属反射膜，激光在两个纤芯401、402的末端被反射至双芯光纤4；
步骤二：光源反射，反射回来的光再经过光纤耦合器3，被合为一束并被再分成为两部分，一部分通过第二单芯光纤2B进入信号处理系统7；另一部分通过第一单芯光纤2A返回光源1，被光源1内置隔离器阻挡。所述光纤器件都工作在单模状态；
步骤三：信号处理，两干涉臂反射的信号将在信号处理系统7处
产生干涉，干涉强度幅值变化计算公式为：
式中：I1、I2分别为表示纤芯401、纤芯402两测量臂的反射信号强度，k为光纤中的波数，Δx为两测量臂光源输出光经过光纤耦合器并由反射镜反射到达光纤耦合器之间的长度差异，
为初始相位；
步骤四：光压产生，反射镜6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，由于两个纤芯的共同子午面垂直于反射镜镜面，导致两个纤芯的形变不一致，通过在双芯光纤中构建的迈克尔逊式干涉仪，可以测得两根纤芯的形变差异，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，光压计算公式为：
在光纤迈克尔逊式干涉仪中，传感光纤在光压力F作用在盘片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＝2βL (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(3)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：
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。
双芯光纤单摆结构的弯矩方程为：
M(x)＝-F(L-x)(0＜x＜L)(9)
式中，M(x)为双芯光纤单摆结构的弯矩，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：
因此，双芯光纤单摆结构的相位变化Δφ与光压力F关系为：
式中，F为光压力：
其中P为光源功率，q为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。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。
步骤五：偏移量产生，由光源发出的激光经过单芯光纤输出进入光纤耦合器，激光被光纤耦合器分为两部分，分别在双芯光纤内部的两根纤芯内传输，当光被反射端反射，沿两根纤芯至光纤耦合器发生干涉，并被分为两束，一束光返回光源并由光源内部的隔离器阻止光泄露，另一束光进入信号处理系统，信号处理系统根据干涉信号光强变化算出两根纤芯的相对形变量，进而获得反射镜的偏移量，反射镜偏移量对应着其受到的光压大小。
工作原理：开启光源1，输出的窄带激光在第一单芯光纤2A输出进入光纤耦合器3，能量被光纤耦合器3分为两部分：一半光能量进入双芯光纤4的纤芯401，另一半能量进入双芯光纤的另一个纤芯402，构成迈克尔逊式干涉仪的两个干涉臂；双芯光纤4的反射端41镀有金属反射膜，激光在两个纤芯401、402中传输，被反射端41反射回双芯光纤4，反射回来的光再经过光纤耦合器3，被合为一束并被再分成为两部分，一部分通过第二单芯光纤2B进入信号处理系统7；另一部分通过第一单芯光纤2A返回光源1，被光源1内置隔离器阻挡。所述光纤器件都工作在单模状态，信号处理，两干涉臂反射的信号将在信号处理系统7处产生干涉，干涉强度幅值变化计算公式为：
式中：I1、I2分别为表示纤芯401、纤芯402两测量臂的反射信号强度，k为光纤中的波数，Δx为两测量臂光源输出光经过光纤耦合器并由反射镜反射到达光纤耦合器之间的长度差异，
为初始相位，反射镜6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，由于两个纤芯的共同子午面垂直于反射镜镜面，导致两个纤芯的形变不一致，通过在双芯光纤中构建的迈克尔逊式干涉仪，可以测得两根纤芯的形变差异，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，由光源发出的激光经过单芯光纤输出进入光纤耦合器，激光被光纤耦合器分为两部分，分别在双芯光纤内部的两根纤芯内传输，当光被反射端反射，沿两根纤芯至光纤耦合器发生干涉，并被分为两束，一束光返回光源并由光源内部的隔离器阻止光泄露，另一束光进入信号处理系统，信号处理系统根据干涉信号光强变化算出两根纤芯的相对形变量，进而获得反射镜的偏移量，反射镜偏移量对应着其受到的光压大小；
整个过程实现了测量装置结构简单，且基于光纤干涉测量原理，使其测量光压的灵敏度及精度较高，且测量光不会对待测光产生干扰，且该光压装置为一根双芯光纤与反射镜构成的摆式光压测量装置，双芯光纤作为单摆悬丝，双芯光纤两根纤芯的共同子午面垂直于反射镜面，反射镜面固定于双芯光纤末端。双芯光纤的两根纤芯构成迈克尔逊式干涉仪的两个干涉臂，该方法制作整体结构简单，操作方便且易制作，灵活度更高环境适用性更高，该测量方法两根纤芯位于测试光压反射片一侧，误差小，适合高精度测量领域。
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。
Claims (7)
1.一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置，包括光源(1)、第一单芯光纤(2A)、光纤耦合器(3)、双芯光纤(4)、支架(5)、反射镜(6)、第二单芯光纤(2B)、信号处理系统(7)和显示控制系统(81)，其特征在于：所述光源(1)装置上设置有用于输出光信号的输出端，且输出端连接第一单芯光纤(2A)，所述第一单芯光纤(2A)输出端连接光纤耦合器(3)，所述光纤耦合器(3)一端连接双芯光纤(4)，所述双芯光纤(4)一端设置有反射镜(6)，所述反射镜(6)设置于支架(5)上，所述支架(5)包括横梁(51)；所述光纤耦合器(3)的输出端设置有第二单芯光纤(2B)，第二单芯光纤(2B)输出端连接信号处理系统(7)，所述第二单芯光纤(2B)通过信号处理系统(7)连接显示控制系统(81)；
所述双芯光纤(4)上设置有反射端(41)、悬挂点(42)和子午面(44)，所述双芯光纤(4)一端贯穿横梁(51)并且通过悬挂点(42)固定在横梁(51)上，双芯光纤(4)上的反射端(41)与所述反射镜(6)连接，所述双芯光纤(4)与反射镜之间通过双芯光纤(4)的两个纤芯轴线的共同子午面(44)垂直于反射镜(6)的反射面连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置，其特征在于：所述光源(1)用于产生窄线宽激光，所述第一单芯光纤(2A)、第二单芯光纤(2B)用于传输激光，均采用普通单模光纤，所述光纤耦合器(3)一端输出一根双芯单模光纤，另一端输出两根单芯单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置，其特征在于：所述双芯光纤(4)为单模双芯光纤，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，所述双芯光纤(4)反射端(41)镀金反射膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置，其特征在于：所述支架(5)为梯形结构铝合金框架且顶部中心位置开设有用于穿过双芯光纤(4)的孔，所述双芯光纤(4)的悬挂点与支架(5)顶部平齐，所述双芯光纤(4)与支架(5)通过环氧树脂胶进行粘接，所述支架底部设置有通孔。
5.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置，其特征在于：所述反射镜(6)与双芯光纤(4)反射端(41)通过环氧树脂胶接，所述双芯光纤(4)的两根纤芯共同子午面(44)垂直于反射镜(6)镜面，所述反射镜(6)单面镀金反射膜。
6.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置，其特征在于：所述信号处理系统(7)具备光电转换、模数转换及干涉信号解调功能。
7.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤的摆式光压测定装置的使用方法，具体步骤如下：
步骤一：光源射入，开启光源(1)，输出的窄带激光在第一单芯光纤(2A)输出进入光纤耦合器(3)，能量被光纤耦合器(3)分为两部分：一半光能量进入双芯光纤(4)的纤芯(401)，另一半能量进入双芯光纤的另一个纤芯(402)，构成迈克尔逊式干涉仪的两个干涉臂；双芯光纤(4)的反射端(41)镀有金属反射膜，激光在两个纤芯(401)、(402)中传输，被反射端(41)反射回双芯光纤(4)；
步骤二：光源反射，反射回来的光再经过光纤耦合器(3)，被合为一束并被再分成为两部分，一部分通过第二单芯光纤(2B)进入信号处理系统(7)；另一部分通过第一单芯光纤(2A)返回光源(1)，被光源(1)内置隔离器阻挡，所述光纤器件都工作在单模状态；
步骤三：信号处理，两干涉臂反射的信号将在信号处理系统(7)
处产生干涉，干涉强度幅值变化计算公式为：
式中：I1、I2分别为表示纤芯(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，具体为光源输出光经过光纤耦合器并由反射镜反射到达光纤耦合器，
为初始相位；
步骤四：光压产生，反射镜(6)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，由于两个纤芯的共同子午面垂直于反射镜镜面，导致两个纤芯的形变不一致，通过在双芯光纤中构建的迈克尔逊式干涉仪，可以测得两根纤芯的形变差异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；
步骤五：偏移量产生，由光源发出的激光经过单芯光纤输出进入光纤耦合器，激光被光纤耦合器分为两部分，分别在双芯光纤内部的两根纤芯内传输，当光被反射端反射，沿两根纤芯至光纤耦合器发生干涉，并被分为两束，一束光返回光源并由光源内部的隔离器阻止光泄露，另一束光进入信号处理系统，形变差异导致激光在这两根纤芯中的光程产生差异，进而引起干涉信号光强的变化，信号处理系统根据干涉信号光强变化算出两根纤芯的相对形变量，进而获得反射镜的偏移量，反射镜偏移量对应着其受到的光压大小。
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