一种光纤激光拍波和单波自混合干涉融合的位移测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种光纤激光拍波和单波自混合干涉融合的 位移测量系统。
【背景技术】
[0002] 现有的与此技术相接近的文献有以下两个：
[0003] [1]D. P. Hand, T. A. Carolan, J. S. Barton, and J. D. C. Jones. ^Profile measurement of optically rough surfaces by fiber-optic interferometry"，Opt. Lett.，Vol. 18, No. 16, 1993, P. 1361-1363. (Optics Letters (光学快报），第 18 卷，第 16 期，Ρ· 1361-1363)
[0004] 文献[1]的技术原理如图1所示。
[0005] 半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤3dB耦合器后，到达测量头，测 量头是一个菲索干涉仪，一部分光被光纤端面反射作为参考光，另一部分光经过自聚焦透 镜聚焦后，投射到被测表面上，由被测表面反射重新回到系统中并与参考光发生干涉，干涉 信号由探测器探测，干涉信号的相位决定于被测表面被测点的纵向高度；改变该激光器的 驱动电流以改变激光器的发光频率，用四种不同频率的光对同一点进行测量，得到四个干 涉信号，由于入射光波频率不同，四个干涉信号的位相就不同，调节驱动电流，使相邻两个 干涉信号的相位差π/2,通过以下式子，即可解调出该点的光程差D，即完成单点的测量：
【主权项】
1. 一种光纤激光拍波和单波自混合干涉融合的位移测量系统，其特征在于是由980nm 泵浦源（SI)，1310nm半导体激光器（LI)，三个光纤隔离器（II、12、13)，掺铒光纤（Fl)，五个 光纤光栅師6 11、？8612、？8621、？8622、？86 23)，3(^耦合器（附），压电陶瓷收1')，可变光衰减器 (VOA)，准直镜（Gl)，环形器（Hl)，射频滤波器（Cl)，混频器（Dl)，滤波器（El)，两个探测器 (PD1、PD2)，波分复用器（WDM)，信号处理电路（BI)，反馈控制电路（B2)，A/D转换卡（B3)，计 算机（B4)和输出结果（B5)组成，980nm光源（SI)和1310nm半导体激光器（LI)发出的光经 过光纤隔离器（11、12)、波分复用器（WDM)和3dB耦合器（NI)后耦合到达光纤光栅（FBG 21); 光纤光栅（FBG21)和光纤光栅（FBG22)的布拉格波长为1310nm激光器波长，因此980nm泵 浦光透过光纤光栅（FBG 21)到达紧邻的光纤光栅（FBG11);两个光纤光栅（FBGn、FBG 12)的布 拉格波长相同且在1550nm波段，因此形成两个激光腔镜，两个光纤光栅（FBGn、FBG 12)之间 是掺铒光纤（F1)，受到980nm光源（SI)的光激励产生1550nm波段荧光，满足激光腔谐振 条件且在光纤光栅（FBG n、FBG12)反射谱内波长谐振，增益大于损耗时产生激光，调节激光 器腔长，使激光器输出纵模间隔频率是Λ V的多纵模激光，频率间隔相同的任意两个纵模 叠加形成同一频率的拍波，因此激光器输出的是很多不同频率的拍波总和；在激光腔中置 可变衰减器（VOA)调节损耗以调节掺铒光纤增益谱形状，用较大功率（>100mW)980泵浦源 (SI)，抑制模竞争和模式跳变，实现稳定多纵模输出；透过光纤光栅（FBG 12)和紧邻的光纤 光栅（FBG22),经由1310nm隔离器（13)和准直镜（G1)，射向被测物，并由被测物反（散）射 反馈回激光腔与腔内光自混合干涉，干涉信号经由光纤光栅（FBG n、FBG21)，到达3dB耦合 器（NI);-路信号经由波分复用器（WDM)到达隔离器（II、12)，由于隔离器（II、12)的作 用不会对980nm泵浦源（SI)和1310nm半导体激光器（LI)产生影响；另一路信号经过环形 器（Hl)到达光纤光栅（FBG 23)，因为光纤光栅（FBG23)布拉格波长为1310nm激光器波长，光 线透过光纤光栅（FBG 23)被探测器（PDl)探测；得到的探测信号既是单波信号又是不同频 率间隔的纵模组成的多频率拍波干涉信号的总和；信号一路经过射频带通滤波器（Cl)滤 出某一频率拍波干涉信号，经过混频器（Dl)和滤波器（El)处理后，输入A/D转换卡（B3)， 再通过计算机（B4)中的程序作数据处理后，用它决定位移的幅值，使得最大测量步长扩大 为IOOmm以上；信号另一路经过信号处理电路（BI)，A/D转换卡（B3)以及计算机（B4)中的 程序作数据处理后，被用来测量位移的量值，因为是单波干涉信号，测量分辨率达到纳米量 级；得到位移测量结果后，由结果输出（B5)输出；光纤光栅（FBG 21、FBG22)构成F-P干涉仪 两反射镜，F-P干涉仪腔中光纤缠绕在压电陶瓷（PZT)上，自1310nm半导体激光器（LI)发 出的光耦合进系统后，作用于光纤光栅（FBG 21、FBG22)为反射镜的F-P干涉仪中，干涉信号 与双光束干涉的信号极其相似，经过3dB耦合器（NI)后，一路经由波分复用器（WDM)到达 隔离器（II、12)，由于隔离器（II、12)的作用不会对980nm泵浦源（SI)和1310nm半导体 激光器（LI)产生影响；另一路信号经过环形器（Hl)到达光纤光栅（FBG 23),因为光纤光栅 (FBG23)反射率达100%，信号光被光纤光栅（FBG23)反射后被探测器（TO2)探测，得到的信 号经过反馈控制电路（B2)处理后，其输出信号驱动压电陶瓷（PZT)，调节F-P干涉仪腔中光 纤长度，使F-P干涉仪稳定在正交点（相位差f )，即稳定了 F-P干涉仪腔长，所以激光腔 长也得到稳定，同时在本系统中用负热膨胀系数材料作衬底，将光纤光栅（FBG)粘在衬底 上作温度补偿使其布拉格波长稳定，从而使激光腔输出的激光波长稳定。
2. 根据权利要求1所述的一种光纤激光单波自混合干涉位移测量系统，其特征在于： 利用利用一对反射波长相同的光纤光栅（FBG n、FBG12)作为激光腔镜构成激光谐振腔，调 节腔长使激光器输出单波长多纵模激光，即多频率拍波，投射到被测物体后被反馈回激光 腔与腔内光自混合干涉，处理干涉信号，使用某一频率拍波干涉信号决定测量步长，单波干 涉信号决定测量量值，实现最大测量步长扩大为100mm，测量分辨率达到纳米量级的位移测 量。
3. 根据权利要求1所述的一种光纤激光单波自混合干涉位移测量系统，其特征在于： 利用探测器（TO2)探测到的信号经过反馈控制电路（B2)处理后，输出信号驱动压电陶瓷 (PZT)，调节F-P干涉仪腔中光纤长度，稳定F-P干涉仪腔长，即稳定了激光器输出光波的波 长或频率，使测量系统有很强的抗干扰能力。
4. 根据权利要求1所述的一种光纤激光单波自混合干涉位移测量系统，其特征在于： 利用在激光腔中置可变衰减器（VOA)调节损耗以调节掺铒光纤增益谱形状，用较大功率 OlOOmW) 980泵浦源（SI)，抑制模竞争和模式跳变，实现稳定多纵模输出。
5. 根据权利要求1所述的一种光纤激光单波自混合干涉位移测量系统，其特征在于： 光纤激光器自身集传感器和干涉仪于一体，全光纤光路无需调节。
【专利摘要】本发明公开了一种光纤激光拍波和单波自混合干涉融合的位移测量系统，属于光学测量技术领域。所述系统由泵浦源，半导体激光器，光纤光栅，光纤隔离器，探测器，掺铒光纤，压电陶瓷，3dB耦合器，混频器，滤波器，环行器，准直镜，波分复用器，可变光衰减器，射频带通滤波器，信号处理电路，反馈控制电路，A/D转换卡，计算机和结果输出组成。用一对光纤光栅作为激光腔镜产生单波长多纵模激光，经被测物反射或散射回激光腔与腔内光产生自混合干涉，处理拍波信号和单波信号，实现步长达100mm分辨率达纳米量级的位移测量。激光腔中增益介质对反馈光的放大作用使得系统能够测量低反射率物体；反馈控制稳定激光器输出波长，极大提高测量精度。
【IPC分类】G01B11-02
【公开号】CN104677296
【申请号】CN201510102965
【发明人】谢芳, 王韵致, 陈亮, 马森, 赵可强
【申请人】北京交通大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月9日