專利名稱：緊湊型全光纖位移干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光測試裝置領(lǐng)域，具體涉及緊湊型全光纖位移干涉儀。
技術(shù)背景激光位移干涉儀是一種建立在多普勒原理基礎(chǔ)上的測速儀器，其工作機制如下將激光器的出射光波照射在待測運動物體的表面，反射的激光因多普勒(D叩pler)效應(yīng)而產(chǎn)生微小 的頻率變化。再將反射激光和激光器本征激光合束發(fā)生差拍干涉，通過光電轉(zhuǎn)換器和示波器 記錄差拍頻率變化過程。從而能夠非接觸地、連續(xù)測試運動物體表面(或者內(nèi)部粒子)位移、 速度和加速度的變化過程。激光位移干涉儀和激光速度干涉儀都是沖擊波物理和爆轟物理研 究領(lǐng)域內(nèi)重要的測試儀器，在凝聚態(tài)物理、沖擊動力學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。早期的激光位移干涉儀是由離散光學(xué)元器件(如分束鏡和反射鏡)組成的邁克爾遜干涉 儀(Michelson' s Interferometer),因為只能用來測試鏡面反射面運動，并且產(chǎn)生的信號 頻率太高，超出了光電轉(zhuǎn)換器和示波器的響應(yīng)速率，所以難以推廣位移干涉儀的應(yīng)用范圍。 中國工程物理研究院流體物理研究所在APPLIED PHYSICS LETTERS刊物2006年第89巻上公 開了一篇文章(Optical-fiber interferometer for velocity measurements with picosecond resolution)，文章介紹了一種具有皮秒時間分辨率能夠測量任意反射面運動速度的全光纖 激光器位移干涉技術(shù)，簡稱DISAR (displacement interferometer system for any reflector)，該技術(shù)已申請了中國發(fā)明專利，專利名稱為《一種全光纖位移干涉儀》，專利 號200510022172.X, DISAR可以測量多種表面的運動速度歷史，如平面、柱面和球面等。但DISAR的光學(xué)測試探頭體積較大，成本較高，探頭調(diào)試?yán)щy。因此，在沖擊波物理的一 些研究領(lǐng)域，例如在激光驅(qū)動飛片技術(shù)和磁驅(qū)動飛片技術(shù)的研究課題中，由于實驗樣品尺寸較 小、實驗次數(shù)較多，需要降低速度測試儀的耗材成本，減小測試探頭的尺寸；其次，由于觀察 時間較短，測量景深只需幾個毫米就可滿足大部分測試要求，因此在上述實驗研究中沒必要或 不方便使用DISAR儀器。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種緊湊型全光纖位移干涉儀，測試探頭的直徑只有幾個毫米甚至更小，成 本低廉，儀器集成度高，能實際應(yīng)用于沖擊波物理和爆轟物理實驗，在幾毫米景深范圍內(nèi)測 試沖擊加載下樣品自由面或內(nèi)部粒子運動位移歷史，并能鑒別運動方向改變。本發(fā)明的全光纖位移干涉儀，特點是干涉儀和測試探頭全由光纖元器件組成，包括光纖
激光器、光纖隔離器、變比分束器、光纖環(huán)形器、可調(diào)光纖衰減器、光纖放大器、光纖濾波 器、光纖耦合器和光電轉(zhuǎn)換器，上述光纖元器件都通過光纖連接。其連接關(guān)系是，光纖激光 器、光纖隔離器和變比分束器一端依次連接，變比分束器另兩端分別與可調(diào)光纖衰減器和光 纖環(huán)形器連接，光纖環(huán)形器的另兩端分別與光纖放大器和帶尾纖的APC (Angle plane connection)陶瓷插針連接；光纖放大器與光纖濾波器相連接，光纖耦合器的一端分別與可調(diào) 光纖衰減器和光纖濾波器連接，光纖耦合器的另一端與光電轉(zhuǎn)換器的一端連接，光電轉(zhuǎn)換器 另一端與外圍設(shè)備中的示波器連接。干涉儀和光學(xué)探頭全由光纖組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積 小巧。干涉儀中采用的光纖耦合器為3X3光纖耦合器、2X2光纖耦合器或1X2光纖耦合器 中的任意一種。直接采用帶尾纖的APC陶瓷插針作為光學(xué)探頭， 一方面可以實現(xiàn)系統(tǒng)的高度集成；另一 方面，由于APC陶瓷插針的光纖端面反射光基本可以忽略，可以通過光纖放大器增強待測表 面的反射光強，從而有利于提高干涉信號的對比度和實現(xiàn)高分辨率的位移測量。 光纖元器件之間通過法蘭盤插接，也可通過尾纖熔接連接。 與全光纖位移干涉儀配套的外圍設(shè)備包括激光器、光電轉(zhuǎn)換器和示波器。 在光纖激光器輸出功率夠用的情況下，只要在光纖隔離器后面插接幾級等比光纖分束器O X2或1X3光纖分束器均可)，把激光分成多束，再接續(xù)多套全光纖位移干涉儀中除光纖激光 器和隔離器以外的其它元件，即可同時測試目標(biāo)上多個被測點的運動。本發(fā)明的全光纖位移干涉儀，其中的光纖激光器產(chǎn)生1550nm窄線寬激光。隔離器可以單 向通過激光，但阻止反方向的激光通過。變比分束器是一個1X2光纖分束器，從單尾纖端輸 入，雙尾纖端的兩尾纖輸出。變比分束器從兩尾纖輸出的光功率不相等，在本位移干涉儀中， 一個尾纖只占有總輸出的5 10%,另一尾纖輸出90%以上的光。光纖環(huán)形器有三個端口，光從 其中"1"端口輸入，從"2"端口輸出，樣品表面反射的光從"2"端口輸入，從"3"端口 輸出。當(dāng)干涉儀中采用3X3光纖耦合器時，3X3光纖耦合器輸入端和輸出端各有三根尾纖， 當(dāng)一束光從輸入端的一根尾纖輸入時，產(chǎn)生分光比l: 1: l的三路輸出，當(dāng)兩束頻率有差別的 激光(相干光)從輸入端的兩尾纖輸入時，在3X3光纖耦合器中產(chǎn)生拍頻干涉，輸出位相差 120°的三路光信號。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，以采用3X3光纖耦合器的干涉儀為例。光纖激光器輸出波 長1550nm激光，經(jīng)過隔離器后，進入變比分束器分為功率不相等的兩束光，其中第一束光約 為總功率的5~10%，再經(jīng)過衰減器送入3X3光纖耦合器，這束光的頻率和光纖激光器的本征 震蕩頻率相同，稱為本征激光。變比分束器分出的約90%的另一束光，從光纖環(huán)形器的"1"
端輸入，從"2"端輸出的激光進入作為光學(xué)探頭的帶尾纖的APC陶瓷插針，APC陶瓷插針的 測量景深有幾個毫米，通過帶尾纖的APC陶瓷插針使激光照明被測樣品。被測樣品一般打磨成 漫反射面(即使為光滑表面，在沖擊波作用下也會變成漫反射面)，從被測試點漫反射的光束， 又由APC陶瓷插針收集返回激光。當(dāng)樣品受到?jīng)_擊后，照射在樣品表面的激光因樣品表面運動而使反射激光產(chǎn)生多普勒頻 移，即攜帶有運動信息成為信號光。APC陶瓷插針收集的反射光進入光纖環(huán)形器"2"端，由 光纖環(huán)形器的"3"端將反射光送入光纖放大器放大，再經(jīng)過光纖濾波器后送入3X3光纖耦合 器和本征激光干涉，產(chǎn)生位相差12(T的三路光信號，進入光電轉(zhuǎn)換器變?yōu)槿冯娦盘査腿胧?波器記錄。然后經(jīng)過信號處理程序得到被測表面位移隨時間變化過程。全光纖位移干涉儀中采用等比分束的3X3光纖耦合器時，當(dāng)兩束頻率有差別的光從耦合 器的同方向兩尾纖輸入時，產(chǎn)生位相差120。三路拍頻信號，這一技術(shù)可用于識別被測物體的 運動方向改變，機制如下，當(dāng)被測物朝向儀器測試探頭運動時，信號光頻率高于本征光，假使 第一路信號超前第二路120° ，第三路滯后第二路120° ;當(dāng)被測物背向儀器運動時，信號光 頻率低于本征光，三路拍頻信號的位相順序會反過來，即第一路信號滯后第二路120° ，第三 路超前第二路12(T ，因而這種工作機制不但可以隨時監(jiān)測運動方向變化，而且可以提高數(shù)據(jù) 處理精度，使本發(fā)明的全光纖位移干涉儀的測試精度達納米量級。如果確認(rèn)被測物的運動不可能倒向，也可以采用2X2光纖耦合器或1X2光纖耦合器替換 3X3光纖耦合器，產(chǎn)生拍頻干涉，以便降低研制成本。采用光纖作為探頭不但減少了自身的端面反射光，即減少了本底信號，有利于提高儀器的性能；而且縮小了光纖干涉儀光學(xué)探頭的體積，有利于實現(xiàn)多個點和小尺寸樣品的運動位移歷史測量。光纖耦合器用于識別被測物的運動方向改變。采用光纖放大器放大信號光，采用濾波器 過濾伴隨信號光的雜散光；采用可調(diào)衰減器適當(dāng)衰減本征光，放大器、濾波器和衰減器組成 平衡系統(tǒng)，提高信噪比。只要在光纖隔離器后面插接等比光纖分束器，再接續(xù)多套全光纖位 移干涉儀的其它元件，即可成為多路干涉儀系統(tǒng)，同時測試目標(biāo)上多個測點的運動。在全光纖位移干涉儀中釆用可調(diào)光纖衰減器來調(diào)節(jié)本征光能量，采用放大器放大信號光能 量，采用光纖濾波器隔離環(huán)境光和加載實驗產(chǎn)生的雜散光，可調(diào)光纖衰減器、光纖放大器、光 纖濾波器三者組成為一種平衡系統(tǒng)，使本征光和信號光能量基本相等，因而改善干涉儀的信噪 比，提高干涉信號的對比度。本發(fā)明的全光纖位移干涉儀，激光完全在光纖內(nèi)傳輸，結(jié)構(gòu)緊湊，儀器免調(diào)，可以很方
便地實現(xiàn)多點測試。本發(fā)明能用于測量幾千米每秒速度下運動物體的位移變化，測量景深幾個毫米。


圖1本發(fā)明緊湊型全光纖位移干涉儀的主體結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的緊湊型全光纖位移干涉儀，含有光纖激光器、光纖隔離器、變比 分束器、光纖環(huán)形器、可調(diào)光纖衰減器、光纖放大器、光纖濾波器、光纖耦合器和光電轉(zhuǎn)換 器，上述光纖元器件都通過單模尾纖連接。其連接關(guān)系是，光纖激光器、光纖隔離器和變比 分束器一端依次連接，變比分束器另兩端分別與可調(diào)光纖衰減器和光纖環(huán)形器連接，光纖環(huán) 形器的另兩端分別與光纖放大器、作為光學(xué)探頭的帶尾纖的'APC陶瓷插針連接；光纖放大器 與光纖濾波器相連接，光纖耦合器的一端分別與可調(diào)光纖衰減器和光纖濾波器連接，光纖耦 合器的另一端與光電轉(zhuǎn)換器的一端連接，光電轉(zhuǎn)換器另一端與外圍設(shè)備中的示波器連接。干涉儀和光學(xué)探頭全由光纖組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧。干涉儀中采用的光纖耦合器為3X3 光纖耦合器、2 X 2光纖耦合器或1 X2光纖耦合器中的任意一種。 實施中，帶有尾纖的光纖元器件之間通過法蘭盤插接相連。緊湊型全光纖位移干涉儀是直接采用光纖作為光學(xué)探頭，光學(xué)探頭直接將激光器的輸出光 波照射在被測靶面上，同時接收靶面反射的光波并傳輸至干涉儀。以光纖耦合器為3X3光纖耦合器為例，光纖激光器輸出的激光，經(jīng)過光纖隔離器進入變 比分束器，分出少部分光(5% 10%)進入可調(diào)光纖衰減器，由可調(diào)光纖衰減器適當(dāng)衰減后進 入3X3光纖耦合器，這部分光的頻率和光纖激光器輸出的頻率一致，稱為本征光波，可調(diào)光 纖衰減器可以調(diào)整本征光波與靶面反射信號光波的強度比值從而可以得到極高的干涉信號對 比度。從變比分束器分出的大部分激光進入光纖環(huán)形器器，光纖環(huán)形器將光波傳輸至光學(xué)探 頭并通過光學(xué)探頭照明被測靶面。光學(xué)探頭又收集靶面的漫反射光返回光纖環(huán)形器，這部分 光波的頻域因樣品表面運動而產(chǎn)生多普勒頻移從而被稱為信號光。信號光經(jīng)光纖放大器放大 之后再經(jīng)過濾波器，通過光纖濾波器濾掉雜散光，然后通過可調(diào)衰減器后進入3X3光纖耦合 器，和本征光波拍頻干涉，產(chǎn)生位相差12(T的三路拍頻信號，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器變?yōu)槿冯?信號并由示波器記錄。
權(quán)利要求
1. 一種緊湊型全光纖位移干涉儀，其特征在于所述的干涉儀中的組件之間全部通過尾纖連接，測試激光完全在光纖內(nèi)傳輸；光纖激光器、光纖隔離器和變比分束器一端依次連接，變比分束器另兩端分別與可調(diào)光纖衰減器和光纖環(huán)形器連接，光纖環(huán)形器的另兩端分別與光纖放大器、作為光學(xué)探頭的帶尾纖的APC陶瓷插針連接；光纖放大器與光纖濾波器相連接，光纖耦合器的一端分別與可調(diào)光纖衰減器和光纖濾波器連接，光纖耦合器的另一端與光電轉(zhuǎn)換器的一端連接，光電轉(zhuǎn)換器另一端與外圍設(shè)備中的示波器連接；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖位移干涉儀，其特征在于所述的光纖耦合器采用等分光比 的3X3光纖耦合器，產(chǎn)生位相差120。的三路拍頻信號。
全文摘要
本發(fā)明公開一種緊湊型全光纖位移干涉儀，干涉儀中的組件之間全部通過尾纖連接，測試激光完全在光纖內(nèi)傳輸；光纖激光器、光纖隔離器和變比分束器一端依次連接，變比分束器另兩端分別與可調(diào)光纖衰減器和光纖環(huán)形器連接，光纖環(huán)形器的另兩端分別與光纖放大器、作為光學(xué)探頭的帶尾纖的APC陶瓷插針連接；光纖放大器與光纖濾波器相連接，光纖耦合器的一端分別與可調(diào)光纖衰減器和光纖濾波器連接，光纖耦合器的另一端與光電轉(zhuǎn)換器的一端連接，光電轉(zhuǎn)換器另一端與外圍設(shè)備中的示波器連接。本發(fā)明的具有識別被測物體運動方向改變的能力，儀器體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，不需調(diào)試、信噪比高。
文檔編號G01B11/04GK101398294SQ20081004620
公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者劉倉理, 李加波, 汪小松, 影 王, 翔 王, 翁繼東, 蔡靈倉, 華 譚, 宏 陳, 云 馬 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所