专利名称：紧凑型全光纤位移干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明属于激光测试装置领域，具体涉及紧凑型全光纤位移干涉仪。
技术背景激光位移干涉仪是一种建立在多普勒原理基础上的测速仪器，其工作机制如下将激光器的出射光波照射在待测运动物体的表面，反射的激光因多普勒(D叩pler)效应而产生微小 的频率变化。再将反射激光和激光器本征激光合束发生差拍干涉，通过光电转换器和示波器 记录差拍频率变化过程。从而能够非接触地、连续测试运动物体表面(或者内部粒子)位移、 速度和加速度的变化过程。激光位移干涉仪和激光速度干涉仪都是冲击波物理和爆轰物理研 究领域内重要的测试仪器，在凝聚态物理、冲击动力学、材料科学等领域有广泛应用前景。早期的激光位移干涉仪是由离散光学元器件(如分束镜和反射镜)组成的迈克尔逊干涉 仪(Michelson' s Interferometer),因为只能用来测试镜面反射面运动，并且产生的信号 频率太高，超出了光电转换器和示波器的响应速率，所以难以推广位移干涉仪的应用范围。 中国工程物理研究院流体物理研究所在APPLIED PHYSICS LETTERS刊物2006年第89巻上公 开了一篇文章(Optical-fiber interferometer for velocity measurements with picosecond resolution)，文章介绍了一种具有皮秒时间分辨率能够测量任意反射面运动速度的全光纤 激光器位移干涉技术，简称DISAR (displacement interferometer system for any reflector)，该技术已申请了中国发明专利，专利名称为《一种全光纤位移干涉仪》，专利 号200510022172.X, DISAR可以测量多种表面的运动速度历史，如平面、柱面和球面等。但DISAR的光学测试探头体积较大，成本较高，探头调试困难。因此，在冲击波物理的一 些研究领域，例如在激光驱动飞片技术和磁驱动飞片技术的研究课题中，由于实验样品尺寸较 小、实验次数较多，需要降低速度测试仪的耗材成本，减小测试探头的尺寸；其次，由于观察 时间较短，测量景深只需几个毫米就可满足大部分测试要求，因此在上述实验研究中没必要或 不方便使用DISAR仪器。 发明内容本发明提供一种紧凑型全光纤位移干涉仪，测试探头的直径只有几个毫米甚至更小，成 本低廉，仪器集成度高，能实际应用于冲击波物理和爆轰物理实验，在几毫米景深范围内测 试冲击加载下样品自由面或内部粒子运动位移历史，并能鉴别运动方向改变。本发明的全光纤位移干涉仪，特点是干涉仪和测试探头全由光纤元器件组成，包括光纤
激光器、光纤隔离器、变比分束器、光纤环形器、可调光纤衰减器、光纤放大器、光纤滤波 器、光纤耦合器和光电转换器，上述光纤元器件都通过光纤连接。其连接关系是，光纤激光 器、光纤隔离器和变比分束器一端依次连接，变比分束器另两端分别与可调光纤衰减器和光 纤环形器连接，光纤环形器的另两端分别与光纤放大器和带尾纤的APC (Angle plane connection)陶瓷插针连接；光纤放大器与光纤滤波器相连接，光纤耦合器的一端分别与可调 光纤衰减器和光纤滤波器连接，光纤耦合器的另一端与光电转换器的一端连接，光电转换器 另一端与外围设备中的示波器连接。干涉仪和光学探头全由光纤组成，系统结构紧凑，体积 小巧。干涉仪中采用的光纤耦合器为3X3光纤耦合器、2X2光纤耦合器或1X2光纤耦合器 中的任意一种。直接采用带尾纤的APC陶瓷插针作为光学探头， 一方面可以实现系统的高度集成；另一 方面，由于APC陶瓷插针的光纤端面反射光基本可以忽略，可以通过光纤放大器增强待测表 面的反射光强，从而有利于提高干涉信号的对比度和实现高分辨率的位移测量。 光纤元器件之间通过法兰盘插接，也可通过尾纤熔接连接。 与全光纤位移干涉仪配套的外围设备包括激光器、光电转换器和示波器。 在光纤激光器输出功率够用的情况下，只要在光纤隔离器后面插接几级等比光纤分束器O X2或1X3光纤分束器均可)，把激光分成多束，再接续多套全光纤位移干涉仪中除光纤激光 器和隔离器以外的其它元件，即可同时测试目标上多个被测点的运动。本发明的全光纤位移干涉仪，其中的光纤激光器产生1550nm窄线宽激光。隔离器可以单 向通过激光，但阻止反方向的激光通过。变比分束器是一个1X2光纤分束器，从单尾纤端输 入，双尾纤端的两尾纤输出。变比分束器从两尾纤输出的光功率不相等，在本位移干涉仪中， 一个尾纤只占有总输出的5 10%,另一尾纤输出90%以上的光。光纤环形器有三个端口，光从 其中"1"端口输入，从"2"端口输出，样品表面反射的光从"2"端口输入，从"3"端口 输出。当干涉仪中采用3X3光纤耦合器时，3X3光纤耦合器输入端和输出端各有三根尾纤， 当一束光从输入端的一根尾纤输入时，产生分光比l: 1: l的三路输出，当两束频率有差别的 激光(相干光)从输入端的两尾纤输入时，在3X3光纤耦合器中产生拍频干涉，输出位相差 120°的三路光信号。本发明的目的是这样实现的，以采用3X3光纤耦合器的干涉仪为例。光纤激光器输出波 长1550nm激光，经过隔离器后，进入变比分束器分为功率不相等的两束光，其中第一束光约 为总功率的5~10%，再经过衰减器送入3X3光纤耦合器，这束光的频率和光纤激光器的本征 震荡频率相同，称为本征激光。变比分束器分出的约90%的另一束光，从光纤环形器的"1"
端输入，从"2"端输出的激光进入作为光学探头的带尾纤的APC陶瓷插针，APC陶瓷插针的 测量景深有几个毫米，通过带尾纤的APC陶瓷插针使激光照明被测样品。被测样品一般打磨成 漫反射面(即使为光滑表面，在冲击波作用下也会变成漫反射面)，从被测试点漫反射的光束， 又由APC陶瓷插针收集返回激光。当样品受到冲击后，照射在样品表面的激光因样品表面运动而使反射激光产生多普勒频 移，即携带有运动信息成为信号光。APC陶瓷插针收集的反射光进入光纤环形器"2"端，由 光纤环形器的"3"端将反射光送入光纤放大器放大，再经过光纤滤波器后送入3X3光纤耦合 器和本征激光干涉，产生位相差12(T的三路光信号，进入光电转换器变为三路电信号送入示 波器记录。然后经过信号处理程序得到被测表面位移随时间变化过程。全光纤位移干涉仪中采用等比分束的3X3光纤耦合器时，当两束频率有差别的光从耦合 器的同方向两尾纤输入时，产生位相差120。三路拍频信号，这一技术可用于识别被测物体的 运动方向改变，机制如下，当被测物朝向仪器测试探头运动时，信号光频率高于本征光，假使 第一路信号超前第二路120° ，第三路滞后第二路120° ;当被测物背向仪器运动时，信号光 频率低于本征光，三路拍频信号的位相顺序会反过来，即第一路信号滞后第二路120° ，第三 路超前第二路12(T ，因而这种工作机制不但可以随时监测运动方向变化，而且可以提高数据 处理精度，使本发明的全光纤位移干涉仪的测试精度达纳米量级。如果确认被测物的运动不可能倒向，也可以采用2X2光纤耦合器或1X2光纤耦合器替换 3X3光纤耦合器，产生拍频干涉，以便降低研制成本。采用光纤作为探头不但减少了自身的端面反射光，即减少了本底信号，有利于提高仪器的性能；而且缩小了光纤干涉仪光学探头的体积，有利于实现多个点和小尺寸样品的运动位移历史测量。光纤耦合器用于识别被测物的运动方向改变。采用光纤放大器放大信号光，采用滤波器 过滤伴随信号光的杂散光；采用可调衰减器适当衰减本征光，放大器、滤波器和衰减器组成 平衡系统，提高信噪比。只要在光纤隔离器后面插接等比光纤分束器，再接续多套全光纤位 移干涉仪的其它元件，即可成为多路干涉仪系统，同时测试目标上多个测点的运动。在全光纤位移干涉仪中釆用可调光纤衰减器来调节本征光能量，采用放大器放大信号光能 量，采用光纤滤波器隔离环境光和加载实验产生的杂散光，可调光纤衰减器、光纤放大器、光 纤滤波器三者组成为一种平衡系统，使本征光和信号光能量基本相等，因而改善干涉仪的信噪 比，提高干涉信号的对比度。本发明的全光纤位移干涉仪，激光完全在光纤内传输，结构紧凑，仪器免调，可以很方
便地实现多点测试。本发明能用于测量几千米每秒速度下运动物体的位移变化，测量景深几个毫米。
图1本发明紧凑型全光纤位移干涉仪的主体结构示意图具体实施方式
如图1所示，本发明的紧凑型全光纤位移干涉仪，含有光纤激光器、光纤隔离器、变比 分束器、光纤环形器、可调光纤衰减器、光纤放大器、光纤滤波器、光纤耦合器和光电转换 器，上述光纤元器件都通过单模尾纤连接。其连接关系是，光纤激光器、光纤隔离器和变比 分束器一端依次连接，变比分束器另两端分别与可调光纤衰减器和光纤环形器连接，光纤环 形器的另两端分别与光纤放大器、作为光学探头的带尾纤的'APC陶瓷插针连接；光纤放大器 与光纤滤波器相连接，光纤耦合器的一端分别与可调光纤衰减器和光纤滤波器连接，光纤耦 合器的另一端与光电转换器的一端连接，光电转换器另一端与外围设备中的示波器连接。干涉仪和光学探头全由光纤组成，系统结构紧凑，体积小巧。干涉仪中采用的光纤耦合器为3X3 光纤耦合器、2 X 2光纤耦合器或1 X2光纤耦合器中的任意一种。 实施中，带有尾纤的光纤元器件之间通过法兰盘插接相连。紧凑型全光纤位移干涉仪是直接采用光纤作为光学探头，光学探头直接将激光器的输出光 波照射在被测靶面上，同时接收靶面反射的光波并传输至干涉仪。以光纤耦合器为3X3光纤耦合器为例，光纤激光器输出的激光，经过光纤隔离器进入变 比分束器，分出少部分光(5% 10%)进入可调光纤衰减器，由可调光纤衰减器适当衰减后进 入3X3光纤耦合器，这部分光的频率和光纤激光器输出的频率一致，称为本征光波，可调光 纤衰减器可以调整本征光波与靶面反射信号光波的强度比值从而可以得到极高的干涉信号对 比度。从变比分束器分出的大部分激光进入光纤环形器器，光纤环形器将光波传输至光学探 头并通过光学探头照明被测靶面。光学探头又收集靶面的漫反射光返回光纤环形器，这部分 光波的频域因样品表面运动而产生多普勒频移从而被称为信号光。信号光经光纤放大器放大 之后再经过滤波器，通过光纤滤波器滤掉杂散光，然后通过可调衰减器后进入3X3光纤耦合 器，和本征光波拍频干涉，产生位相差12(T的三路拍频信号，再经过光电转换器变为三路电 信号并由示波器记录。
权利要求
1. 一种紧凑型全光纤位移干涉仪，其特征在于所述的干涉仪中的组件之间全部通过尾纤连接，测试激光完全在光纤内传输；光纤激光器、光纤隔离器和变比分束器一端依次连接，变比分束器另两端分别与可调光纤衰减器和光纤环形器连接，光纤环形器的另两端分别与光纤放大器、作为光学探头的带尾纤的APC陶瓷插针连接；光纤放大器与光纤滤波器相连接，光纤耦合器的一端分别与可调光纤衰减器和光纤滤波器连接，光纤耦合器的另一端与光电转换器的一端连接，光电转换器另一端与外围设备中的示波器连接；
2. 根据权利要求1所述的全光纤位移干涉仪，其特征在于所述的光纤耦合器采用等分光比 的3X3光纤耦合器，产生位相差120。的三路拍频信号。
全文摘要
本发明公开一种紧凑型全光纤位移干涉仪，干涉仪中的组件之间全部通过尾纤连接，测试激光完全在光纤内传输；光纤激光器、光纤隔离器和变比分束器一端依次连接，变比分束器另两端分别与可调光纤衰减器和光纤环形器连接，光纤环形器的另两端分别与光纤放大器、作为光学探头的带尾纤的APC陶瓷插针连接；光纤放大器与光纤滤波器相连接，光纤耦合器的一端分别与可调光纤衰减器和光纤滤波器连接，光纤耦合器的另一端与光电转换器的一端连接，光电转换器另一端与外围设备中的示波器连接。本发明的具有识别被测物体运动方向改变的能力，仪器体积小巧，结构紧凑，不需调试、信噪比高。
文档编号G01B11/04GK101398294SQ20081004620
公开日2009年4月1日 申请日期2008年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者刘仓理, 李加波, 汪小松, 影 王, 翔 王, 翁继东, 蔡灵仓, 华 谭, 宏 陈, 云 马 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所