CN2669197Y - 多模全光纤速度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是多模全光纤速度测量装置，主要用于自由面速度或振动测量装置。现有的自由面速度测量系统主要是激光速度干涉仪(VISARS)，光路多由离散透镜、棱镜、分束器、标准具等组成，单模全光纤速度干涉仪近年来也有所报道，但真正的实用化产品还没有出现。本实用新型是一种白光干涉式多模全光纤干涉装置，主要由激光器、多模全光纤干涉装置和数据处理组成。其中多模全光纤干涉装置可以由一个3×3多模光纤耦合器和一个2×2多模光纤耦合器组成，也可以由3个2×2多模光纤耦合器组成，激光经过耦合器分光、差频干涉后，产生稳定的干涉条纹，经探测器光电转换后，分析干涉曲线，反演出自由面的速度或振动速度。本实用新型多模全光纤速度测量装置结构简捷，数据处理方便，测量精度高，具有实际应用推广价值。

Description

多模全光纤速度测量装置

技术领域

本实用新型是一种多模全光纤速度测量装置。

背景技术

自由面速度或振动面速度测量在研究材料的特性和物态方程等工程领域具有广泛的用途，多模全光纤速度测量装置具有安装方便、抗电磁干扰和强辐射、速度测量范围广等优点，不仅可以克服传统速度干涉仪的不能实现低速测量的缺点，还有系统便于野外作业的优点。

发明内容

本实用新型的目的是设计一种结构简单、自由面或振动面速度测量方便、测试精度高的多模全光纤速度测量装置。

光波作为一种电磁波，其传播方式满足麦克斯维方程，光纤由于其构造特点，使得在芯层和包层间的电磁场满足连续边界条件，再加上模场在无限远处为零这一限定条件，共同决定了光纤的传输特性。当激光进入波导时，将形成特定的传输模式。模式分布特性由波导结构、光波长特性共同决定。单模光纤只能传输一个简并模式基模，多模光纤将传输数十个，甚至是上百个模式。不同模式间的传播常数不同。

根据光纤传输理论，能够形成长距离传输的模式均为导波模式，其特点是传播常数β满足下列特点：

            kn_cl＜β＜kn_co                                 (1)上式中，k为波长常数， $k=\mathrm{\ω}\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}},$ λ为光波长，n_co为光纤芯层介电常数，n_cl为光纤包层介电常数。

多模光纤中不同偏振模式间的传播常数不同，表现为显著的模式色散。经过一定距离传输后，模式间的色散积累使得不同模式传输的时间不同，在空间上表现为模式间传输距离不同，时间上表现为不同模式间经历了不同的延时。考虑到光纤传输系统激光器的相干长度，不同偏振模式间产生稳定干涉条纹的条件是激光器的相干长度大于不同偏振模式间色散所形成的光程差。简并模式由于其传播常数相同，因此不存在模式间的相位差问题。

在全光纤干涉系统中，如果激光器的相干长度大于干涉系统由于模式间色散形成的模式间的光程差，在考虑干涉条纹的形成时，必须考虑不同模式间相干形成的初始相位差。设干涉条纹数为N(t)，干涉信号I(t)在考虑不同传输模式间形成的初始相位差_ij的条件下，可改写为：

上式中，I_ij为第i个传输模式和第j个传输模式间干涉形成的干涉强度，可表示为：

$I_{\mathrm{ij}}=a_i{a}_j^{*}--\left(3\right)$

上式中，a_i和a_j分别表示第i个传输模式和第j个传输模式的振幅。由于模式间功率分配的变化，(3)式表现出极不稳定的特点。所以，(2)式所示的干涉信号不能形成稳定的干涉条纹。

在全光纤干涉系统中，如果激光器的相干长度小于干涉系统由于模式间色散形成的模式间的光程差，在考虑干涉条纹的形成时，不同模式间不能形成干涉条纹，其间干涉条纹的功率平均在时间积分上为零。只有相同模式间的干涉才能形成稳定的干涉条纹。设干涉条纹数为N(t)，总的干涉信号I(t)可改写为：

$I\left(t\right)=\underset{\mathrm{ii}}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ii}}\cos \left[2\mathrm{\πN}\left(t\right)\right]--\left(4\right)$

与(2)式相比，干涉信号中没初始相位项， $I_{\mathrm{ii}}=a_i{a}_i^{*}$ 为第i个传输模式的功率分配，表现较为稳定。所以，在短相干波长光源作用下，多模光纤构建的干涉系统也能形成与单模光纤一样的干涉条纹。需要指出的是，(2)式转变为(4)式的关键是光源的相干长度小于多模光纤中不同传输模式因色散形成的光程差，这是多模光纤干涉系统得到稳定干涉条纹的关键。

本实用新型利用多模光纤耦合器、多模光纤、多模光纤准直器等光纤无源器件，以及稳定光源和光电探测器等有源器件，构成多模全光纤干涉装置。多模全光纤干涉装置如图2所示。在图2所示的多模全光纤干涉装置中，激光器(7)位于3×3多模光纤耦合器II(9)前，耦合器II(9)后连有2×2多模光纤耦合器III(11)，其后是光纤准直器(12)，被测试样品(13)位于光纤准直器(12)之后，检测器I(14)、II(15)分别位于耦合器III、II的反射光路中，此装置可得到系统的干涉信号曲线。激光器发出的光经耦合器II进入耦合器III，经过光纤准直器后，被测试样品反射，反射光依次经过耦合器III、耦合器II，在耦合器II的(2)端和耦合器II的(1)、(2)端输出干涉信号，该干涉信号经过检测器I(14)、II(15)光电转换后，得到系统的干涉信号曲线。

在图3所示的多模全光纤干涉装置中将激光器发出的光经耦合器I进入耦合器II，经过光纤准直器后，被测试样品反射，反射光依次经过耦合器III、耦合器II和耦合器I，在耦合器I的(14)端输出干涉信号，该干涉信号经过检测器I(14)、II(15)光电转换后，得到系统的干涉信号曲线。

本实用新型的测试对象可以是冲击波作用下的自由面速度或振动面的速度。

本实用新型所采用的多模光纤耦合器为两端输入、两端输出的2×2型光纤耦合器或三端输入、三端输出的3×3光纤耦合器。

本实用新型的工作光源为超辐射发光二极管(SLD)，工作波长为1.31微米或1.55微米。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

图2是3×3、2×2多模全光纤干涉装置图。

图3是3个2×2多模全光纤干涉装置图。

图4是以喇叭作为振动测试自由面时，得到的干涉曲线图。

图中标号：1-4分别是多模光纤耦合器II的输入、输出端口，5、6是多模光纤耦合器III的输入端口，7是激光器，8是2×2多模光纤耦合器I，9是2×2多模光纤耦合器II，10多模光纤延迟线，11是2×2多模光纤耦合器III，12是多模光纤准直器，13是测试样品，14是光电探测器I，15是光电探测器II，16是数据处理系统，17是多模全光纤干涉系统。

具体实施方式

实施例，在本实施例中，所用光源是四十四所生产的超辐射发光二极管稳定光源(7)，用跳线(FC/PC)连接进入武汉邮电研究院生产的多模光纤耦合器(8)，然后再进入多模光纤耦合器(9)。光纤耦合器(9)与(10)之间、(10)与(11)之间也采用跳线连接。多模光纤延迟线(10)为武汉邮电研究院生产的多模光纤。多模光纤准直器(12)的工作波长为1.31μm，与耦合器(11)之间的连接也为跳线连接。光电探测器为电子部44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。探测器(14)(15)与光纤耦合器(9)(11)采用跳线连接。振动测试对象为带反射镜的、工作功率为32瓦的低频“笛声”喇叭。反射镜为厚度为1毫米的镜面。

利用上面所列的器件，构造了图3所示的多模全光纤速度测量装置。测得的振动速度引起的干涉信号如图4所示，喇叭的驱动电压为2.0伏，频率为100赫兹。

Claims (4)

1、一种多模全光纤速度测量装置，由激光器、多模全光纤干涉装置、被测样品、检测器、数据处理几部分组成，其特征是激光器(7)位于3×3多模光纤耦合器II(9)前，耦合器II(9)后连有2×2多模光纤耦合器III(11)，其后是光纤准直器(12)，被测试样品(13)位于光纤准直器(12)之后，检测器I(14)、II(15)分别位于耦合器III、II的反射光路中，此装置可得到系统的干涉信号曲线。

2、根据权利要求1所述的多模全光纤速度测量装置，其特征是干涉装置由3个2×2多模光纤耦合器组成。

3、根据权利要求1所述的多模全光纤速度测量装置，其特征是被测试样是冲击波作用下的样品自由面或振动面。

4、根据权利要求1所述的多模全光纤速度测量装置，其特征是所用的激光器工作波长是1.31μm或1.55μm的超辐射发光二级管。

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