一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪的制作方法

本发明属于光学测量领域，更具体地，涉及一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪。

背景技术：

1842年，物理学家多普勒发现波源与观察者发生相对运动时，波的频率会发生改变，后人将其总结为多普勒效应。多普勒效应经过百余年的发展已广泛应用于各个领域，诸如天体物理，医学检查，速度测量等。特别地，基于多普勒效应发展起来的激光多普勒测速仪由于其独特的优势，成为了工程测量领域不可或缺的设备。其中，直接探测式的激光多普勒测速仪采用的是一种多普勒频移差分的方法，利用两高斯光束倾斜干涉产生的光场对平移运动测速。这里，在倾斜干涉光场中，物体运动方向与两高斯光束的夹角不同，因此产生的多普勒频移存在差异，从而直接产生拍频信号用于探测。为了提升测速仪的抗干扰能力与集成度，人们利用光纤器件代替分立的自由空间器件，发展出全光纤多普勒测速仪。目前，全光纤多普勒测速仪的制造与产品已经较为成熟，具有低成本、便携等优势，成为许多测量场合的首要选择。然而，由于原理上的局限，传统的多普勒测速仪只能通过测量旋转物体局部的线速度来间接推测物体旋转速度的大小，这使得传统技术的适用场景受到了限制。

随着研究者们对多普勒效应理论的进一步深入，人们基于光的轨道角动量发现并验证了光的频率变化可以和旋转运动联系起来，即旋转多普勒效应。轨道角动量是光的一种内禀属性，表现为光场的坡印廷矢量与光传播方向存在一定的夹角，且光场的相位波前为螺旋结构。轨道角动量光束与光纤本征模式之间存在紧密的联系，比如，光纤线偏振模式相当于拓扑荷数相反的轨道角动量光束的相干叠加。对于旋转多普勒效应而言，多普勒频移与旋转运动速度和光与物体相互作用过程中的轨道角动量拓扑荷数改变量有关。因此，当物体在两个相反拓扑荷数相反的轨道角动量光束的干涉光场，即光纤线偏振模式中旋转运动时，将产生大小相同符号相反的频移，从而将直接产生拍频信号用于检测。基于此，发展出了直接探测型的旋转多普勒测速仪，其能够对旋转运动物体的角速度进行直接检测，大大提高了测量效率与精准度。然而，目前已建立的直接探测型旋转多普勒测速仪均采用自由空间光路结构，由离散的光学元件构成，存在造价高、体积庞大、调试复杂、易受环境影响等问题，在实际工程化测量中存在一定的挑战。

目前，光纤模式器件的技术与制造已逐渐发展成熟，且造价低廉。一般而言，相比于分立器件的系统，全光纤系统具有更好的抗干扰能力与稳定性，且系统集成度能够显著提升。因此，全光纤式的架构为直接探测型旋转多普勒测速仪所存在的问题提供了很好的解决思路。鉴于此，设计出一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪来作为现有架构测速仪的补充与拓展是极其有必要的，且具有广泛应用前景的。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪，目的在于降低旋转多普勒测速系统的复杂度，实现结构更加紧凑且适用场景更广的旋转测量系统，突破自由空间架构的旋转多普勒测速仪在实用中的诸多限制，填补相关技术的空白。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪，包括：激光器，第一光纤，光纤模式转换器，第二光纤，探头，第三光纤，检测装置。其中，激光器用于输出基模高斯光通过第一光纤输送到光纤模式转换器，光纤模式转换器用于将基模高斯光转换为光纤高阶线偏振模式，第二光纤用于将光纤高阶线偏振模式输送到探头，探头用于对光纤高阶线偏振模式准直并将其作为探测光垂直照射旋转待测物体，探头还用于收集旋转待测物体散射的信号光并将信号光耦合至第三光纤，第三光纤用于将信号光输送到检测装置，检测装置包括光电探测器和信号处理模块，用于对信号光进行检测与信号处理，其中光电探测器将信号光信号转换成电信号，信号处理模块对电信号进行时频分析，获得信号频率，计算出待测物体的旋转速度，实现基于旋转多普勒效应的全光纤式的旋转运动测量。

优选地，光纤模式转换器可以采用非对称耦合型、光纤光栅型或模式定向耦合型；其中，非对称耦合型，输入端为单模光纤，输出端为多模光纤，单模光纤与多模光纤采用端对端非对称方式连接，通过偏振控制器对输入端与输出端的工作状态调节，选择性地激发光纤高阶线偏振模式；光纤光栅型，输入端为单模光纤，输出端为少模光纤，单模光纤与少模光纤采用对准连接，通过少模光纤中的长周期光纤光栅将高斯基模转换为光纤高阶线偏振模式；模式定向耦合型，输入端为单模光纤，输出端为少模光纤、多模光纤或环形光纤，通过光纤预拉锥匹配和两根光纤同时拉锥熔接，将锥区中输入端的高斯基模耦合到输出端的高阶线偏振模，通过偏振控制器对输入端与输出端的工作状态调节，输出光纤高阶线偏振模式。

优选地，第二光纤，可以直接采用与模式转换器输出端同类型的光纤，也可以采用支持高阶线偏振模式的环形光纤，其与模式转换器的输出端焊接，滤除其他模式并输出高纯度的光纤高阶线偏振模式。

优选地，根据探头准直与聚焦功能的不同，可以采用两个探头，其中一个作为发射探头，用于对第二光纤中的高阶线偏振模式准直并发射到旋转待测物体上，另一个作为接收探头，用于收集旋转待测物体的散射光并耦合进第三光纤中。

优选地，对于采用两个探头，第三光纤连接接收探头和光电探测器，其可选用单模光纤，少模光纤或多模光纤，并优先选取数值孔径大的光纤。

优选地，采用的模式定向耦合型的光纤模式转换器可以具有三个端口；其中，第一端口作为基模高斯光的输入端，连接第一光纤；第二端口作为光纤高阶线偏振模式的输出端和信号光的输入端，连接第二光纤；第三端口作为信号光的输出端，连接第三光纤；第二端口、第三端口与第二光纤、第三光纤的光纤类型一致，可以选用少模光纤或多模光纤。

优选地，可以采用单个探头，第二光纤既传输光纤高阶线偏振模式又传输信号光；探头将第二光纤中的光纤高阶线偏振模式准直并发射作为探测光，同时探头收集的信号光耦合回第二光纤，并沿第二光纤通过模式定向耦合型的光纤模式转换器的第三端口传输至第三光纤。

优选地，旋转待测物体可以为宏观的自旋粗糙表面、涡旋流体或微观的旋转微粒；探测光的光轴与旋转待测物体的中心重合，且探测光光斑尺寸与旋转待测物体的旋转区域的尺寸匹配。

优选地，对于宏观的自旋粗糙表面或涡旋流体的探测，采用透镜组式探头，其具有大的数值孔径，输出的准直光为宏观尺度；对于微观的旋转微粒，采用微球透镜式探头，其通过折射率匹配的胶对光纤端面与微球透镜胶合，输出的准直光为微观尺度。

通过本发明所构思的以上技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在原理上基于旋转多普勒效应，相比于传统的直接探测型全光纤多普勒测速仪，在原理上具有创新与改良，因此能够对旋转运动进行直接测量，大大提高测量效率与精准度。

2、本发明适用的测量范围广，从宏观的粗糙表面与涡流到微观的粒子都能作为测量对象，工作场景丰富。

3、本发明采用多普勒频移差分的方法对信号光直接探测，因此系统复杂度低，抗环境干扰能力强。

4、本发明采用全光纤组件，相比于分立器件，成本更低，体积更小，灵活度更高，并且光纤线偏振模式作为一种光纤本征模，其光纤模式转换器的设计方便，易于加工。

5、本发明提供的测速仪结构灵活紧凑，易于提高集成度，光纤组件之间的连接简单，易于组装与调试，并且与目前市场上的全光纤多普勒测速仪的架构兼容，因此适合模块化的工业制作。

附图说明

图1是本发明提供的一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪的结构示意图；

图2是本发明提供的一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪的一种改进的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪的工作示意图；

图4是本发明实施例提供的对自旋的粗糙表面探测的原理示意图；

图5是本发明实施例提供的对旋转的微粒探测的原理示意图；

图6是本发明实施例提供的一种模式定向耦合型的光纤模式转换器的结构示意图；

图7(a)是本发明实施例提供的一种透镜组式探头的结构示意图；

图7(b)是本发明实施例提供的一种微球透镜式探头的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪，包括：激光器，第一光纤，光纤模式转换器，第二光纤，探头，第三光纤，检测装置。其中，激光器用于输出基模高斯光通过第一光纤输送到光纤模式转换器，光纤模式转换器用于将基模高斯光转换为光纤高阶线偏振模式，第二光纤用于将光纤高阶线偏振模式输送到探头，探头用于对光纤高阶线偏振模式准直并将其作为探测光垂直照射旋转待测物体，探头还用于收集旋转待测物体散射的信号光并将信号光耦合至第三光纤，第三光纤将信号光输送到检测装置，检测装置包括光电探测器和信号处理模块，用于对信号光进行检测与信号处理，其中光电探测器将信号光信号转换成电信号，信号处理模块对电信号进行时频分析，获得信号频率，计算出待测物体的旋转速度，实现基于旋转多普勒效应的全光纤式的旋转运动测量。

具体地，光纤模式转换器可以采用非对称耦合型、光纤光栅型或模式定向耦合型；其中，非对称耦合型，输入端为单模光纤，输出端为多模光纤，单模光纤与多模光纤采用端对端非对称方式连接，通过偏振控制器对输入端与输出端的工作状态调节，选择性地激发光纤高阶线偏振模式；光纤光栅型，输入端为单模光纤，输出端为少模光纤，单模光纤与少模光纤采用对准连接，通过少模光纤中的长周期光纤光栅将高斯基模转换为光纤高阶线偏振模式；模式定向耦合型，输入端为单模光纤，输出端为少模光纤、多模光纤或环形光纤，通过光纤预拉锥匹配和两根光纤同时拉锥熔接，将锥区中输入端的高斯基模耦合到输出端的高阶线偏振模，通过偏振控制器对输入端与输出端的工作状态调节，输出光纤高阶线偏振模式。

具体地，第二光纤，可以直接采用与模式转换器输出端同类型的光纤，也可以采用支持高阶线偏振模式的环形光纤，其与模式转换器的输出端焊接，滤除其他模式并输出高纯度的光纤高阶线偏振模式。

具体地，根据探头准直与聚焦功能的不同，可以采用两个探头，其中一个作为发射探头，用于对第二光纤中的高阶线偏振模式准直并发射到旋转待测物体上，另一个作为接收探头，用于收集旋转待测物体的散射光并耦合进第三光纤中。

具体地，对于采用两个探头，第三光纤连接接收探头和光电探测器，其可选用单模光纤，少模光纤或多模光纤，并优先选取数值孔径大的光纤。

具体地，采用的模式定向耦合型的光纤模式转换器可以具有三个端口；其中，第一端口作为基模高斯光的输入端，连接第一光纤；第二端口作为光纤高阶线偏振模式的输出端和信号光的输入端，连接第二光纤；第三端口作为信号光的输出端，连接第三光纤；第二端口、第三端口与第二光纤、第三光纤的光纤类型一致，可以选用少模光纤或多模光纤。

具体地，可以采用单个探头，第二光纤既传输光纤高阶线偏振模式又传输信号光；探头将第二光纤中的光纤高阶线偏振模式准直并发射作为探测光，同时探头收集的信号光耦合回第二光纤，并沿第二光纤通过模式定向耦合型的光纤模式转换器的第三端口传输至第三光纤。

具体地，旋转待测物体可以为宏观的自旋粗糙表面、涡旋流体或微观的旋转微粒；探测光的光轴与旋转待测物体的中心重合，且探测光光斑尺寸与旋转待测物体的旋转区域的尺寸匹配。

具体地，对于宏观的自旋粗糙表面或涡旋流体的探测，采用透镜组式探头，其具有大的数值孔径，输出的准直光为宏观尺度；对于微观的旋转微粒，采用微球透镜式探头，其通过折射率匹配的胶对光纤端面与微球透镜胶合，输出的准直光为微观尺度。

以下结合具体实施例及附图进行说明。

如图1所示，本发明提供的一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪，包括：激光器1、第一光纤2、光纤模式转换器3、第二光纤4、发射探头5、接收探头6、第三光纤7、检测装置8。激光器1输出的基模高斯光通过第一光纤2输送到光纤模式转换器3，光纤模式转换器3将基模高斯光转换为光纤高阶线偏振模式，第二光纤4将光纤高阶线偏振模式输送到发射探头5，发射探头5对光纤高阶线偏振模式准直并将其作为探测光出射，接收探头6收集信号光并将信号光耦合至第三光纤7，第三光纤7将信号光输送到检测装置8，检测装置8对信号光进行检测与信号处理。其中，第一光纤2为单模光纤；光纤模式转换器3可以采用非对称耦合型、光纤光栅型或模式定向耦合型；第二光纤4可以采用与光纤模式转换器3输出端同类型的光纤，也可以采用支持高阶线偏振模式的环形光纤与光纤模式转换器3输出端焊接；发射探头5和接收探头6可以采用透镜组式或者微球透镜式，发射探头5保证出射的探测光以小角度照射旋转待测物体，且光斑中心与旋转待测物体的旋转中心对准；第三光纤7可采用单模光纤，少模光纤或多模光纤；检测装置8包括光电探测器和信号处理模块，光电探测器将信号光信号转换成电信号，信号处理模块对电信号进行时频分析，获得信号频率，计算出待测物体的旋转速度。

如图2所示，本发明提供的一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪的一种改进，具体实施方式如下：

包括：激光器1、第一光纤2、模式定向耦合型的光纤模式转换器3、第二光纤4、探头5、第三光纤7、检测装置8。激光器1输出的基模高斯光通过第一光纤2输送到模式定向耦合型的光纤模式转换器3，模式定向耦合型的光纤模式转换器3将基模高斯光转换为光纤高阶线偏振模式输送到第二光纤4，第二光纤4将光纤高阶线偏振模式输送到探头5，探头5对光纤高阶线偏振模式准直并将其作为探测光出射，探头5收集信号光并将信号光耦合回第二光纤4，第二光纤4输送信号光通过模式定向耦合型的光纤模式转换器3到第三光纤7，第三光纤7将信号光输送到检测装置8，检测装置8对信号光进行检测与信号处理。其中，模式定向耦合型的光纤模式转换器3具有三个端口，第一端口连接第一光纤2作为基模高斯光的输入端，第二端口连接第二光纤4作为光纤高阶线偏振模式的输出端和信号光的输入端，第三端口连接第三光纤7作为信号光的输出端；模式定向耦合型的光纤模式转换器3第二端口和第三端口与第二光纤4和第三光纤7的光纤类型一致，为少模光纤或多模光纤；探头5既具有光束准直的作用又具有光束聚焦耦合的作用，将附图1中的发射探头5和接收探头6的功能结合；该改进的原理与思路上与附图1方案一致，但可以减少附图1中一个探头的使用。

下面介绍本发明提供的直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪的一个具体实施例，具体实施方式如下：

如图3所示是本发明实施例提供的直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪的工作示意图，其包括激光器1、第一光纤2、第一偏振控制器31、光纤模式定向耦合器32、第二偏振控制器33、第二光纤4、探头5、旋转待测物体9、第三光纤7、光电探测器81、电缆线82和信号处理模块83。激光器1输出的基模高斯光通过第一光纤2输送，并通过第一偏振控制器31调整偏振状态后进入光纤模式定向耦合器32，光纤模式定向耦合器32将基模高斯光转换为光纤高阶线偏振模式输送到第二光纤4，第二偏振控制器33置于第二光纤4中调整光纤模式定向耦合器32输出的模式状态，第二光纤4将光纤高阶线偏振模式输送到探头5，探头5对光纤高阶线偏振模式准直，并将其作为探测光垂直照射在旋转待测物体9上，探头5收集旋转待测物体9散射的信号光，并将信号光耦合回第二光纤4，第二光纤4输送信号光通过光纤模式定向耦合器32至第三光纤7，第三光纤7将信号光输送到光电探测器81，光电探测器81将信号光信号转换成电信号，并通过电缆线82传输到信号处理模块83，信号处理模块83对电信号进行时频分析，最终获取待测物体的旋转速度。其中，第一偏振控制器31和第二偏振控制器32调控光纤模式定向耦合器32的工作状态，输出光纤高阶线偏振模式；探测光垂直照射旋转待测物体9，且探测光中心与物体的旋转中心对准；该实施例的具体实施与图2介绍方案一致。

如图4所示是对自旋的粗糙表面探测的原理示意图。探测光采用光纤高阶线偏振模式，其具有花瓣状旋转对称结构的光斑，且光斑的亮斑瓣数为模式阶数l的两倍，光纤高阶线偏振模式可以等效为两束拓扑荷数相反的轨道角动量光束的相干叠加；当垂直入射的探测光与粗糙表面相互作用时，散射的信号光中两轨道角动量光束产生的旋转多普勒频移存在差异，从而产生强度随时间周期变化的信号光；通过对信号光进行时频分析，可以在信号光频谱中测得峰值频率δf，因而对信号光直接探测即可获得粗糙表面的自旋速度ω＝δfπ/l。

如图5所示是对旋转的微粒探测的原理示意图。探测光采用光纤高阶线偏振模式，其具有花瓣状旋转对称结构的光斑，且光斑的亮斑瓣数为模式阶数l的两倍，光纤高阶线偏振模式相当于两束拓扑荷数相反的轨道角动量光束的干涉光场；探测光垂直照射在旋转的微粒上，且探测光光轴与微粒旋转的中心对准，粒子在明暗周期分布的花瓣状干涉光场中旋转将散射出强度随时间呈周期性变化的信号光；通过对信号光进行时频分析，可以在信号光频谱中测得峰值频率δf，因而对信号光直接探测即可获得微粒的旋转速度ω＝δfπ/l。

如图6所示是一种模式定向耦合型的光纤模式转换器的结构示意图，模式定向耦合型的光纤模式转换器具有三个端口，第一端口为单模光纤，作为基模高斯光的输入端，第二端口为多模光纤，作为光纤高阶线偏振模式的输出端和信号光的输入端，第三端口为多模光纤，作为信号光的输出端；拉锥耦合区域将两根光纤熔融拉锥，使第一端口的高斯光向第二端口耦合并发生模式转换；在第一端口和第二端口分别加入偏振控制器，利用两个偏振控制器调节模式定向耦合型的光纤模式转换器的工作状态，即可在第二端口输出光纤高阶线偏振模式；从第二端口输入的高斯基模的信号光，将沿着同一根多模光纤传输至第三端口输出。

如图7(a)所示是一种透镜组式探头的结构示意图，其由外套管，光纤接口，透镜组和光学窗口构成，适用于对宏观尺度的旋转待测物体进行测量的系统；光纤通过光纤接口连接探头，光纤接口中的光纤端面置于透镜组的焦点位置，透镜组的焦距与数值孔径根据具体测量场景选取，外套管对探头起保护作用，光学窗口对探测光波长具有大的透过率。如图7(b)所示是一种微球透镜式探头的结构示意图，其通过折射率匹配的胶对光纤端面与微球透镜胶合进行制备，微球透镜的有效焦距根据具体测量场景选取，该类型探头适用于对微观尺度的旋转待测物体进行测量的系统。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。