专利名称：用于激光干涉测速仪的光纤传输系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光干涉测速仪，具体讲是一种用于激光干涉测速仪的光纤传输系统。
激光干涉测速仪，包括国外称为VISAR和F-P Interferometer的两种仪器。是冲击波物理和爆轰物理研究领域的标准测量仪器。采用光纤传输的干涉仪还可推广应用到多个领域，具有很好的前景，国际上如美国VALYN公司的激光干涉仪采用双(两根)光纤实现研究物体(靶面)和仪器之间的光能和信号传输。激光器发射出的激光束经耦合透镜聚焦在发射光纤前端面的光芯上，经发射光纤传送到其后端面的光芯上，此点作为前置透镜的物点，这激光束经前置透镜正好照明了处于另一侧的被测靶面(像点)上，当发射光纤的后端光芯与被测靶面处于物象共轭关系时其效果最佳。激光束射到靶面，产生反射，当靶运动时反射光因多普勒效应而带有速度信息，称为信号光。反射回的信号光经前置透镜照射到接收光纤的光芯上，信号光经接收光纤再经另一个耦合透镜送入干涉仪内部，经信息处理后给出靶面的位移、速度、加速度等运动信息。采用双光纤传输的主要缺点是能量损失大，因其发射光纤的发射光芯与接收光纤的接收光芯。必须平行地设置在一起，从靶面返回的光要照亮接收光纤的光芯，并通过它传回干涉仪，在光纤尾端至少要形成两倍于光芯直径的光盘。这样就约有 的信号光照不到接收光纤的光芯上，即有 的信号光被浪费了，所以采用双光纤传输能量损失大。法国原子能委员会的“光纤Fabry-perot多普勒激光测速干涉仪”曾采用单根多模光纤实现激光器与信号光的双向传输，但因不能克服“激光在不同折光面上的反射或沿光纤传播方向上的返向散射造成了干涉图上的静止干涉环”即“在时间分辨干涉图上出现折光面反射的激光造成的静止条纹”而不得不改用双光纤传输。(“Doppler laser interferometry with light transmission by twooptical fibers”SPIE VOL.491．P894～898.(1984))采用单光纤传输的最大困难是如何克服光纤头部和尾部端面反射对信号的影响，提高信噪比。光纤头部的反射一般为入射光的4％，而被测靶为漫反射面，反射系数小于0.1，加上前置透镜的耦合损失，使得信号光约比光纤头部反射光小2～3个量级，要从这种强背景(强噪声)中检测出有用信号是件很困难的事。
本发明的目的是提供一种用于激光干涉测速仪的光纤传输系统，有较高的光能传输效率(与双光纤相比)，较好地克服因光纤头部的反射而造成的影响，压低噪声，提高信号与噪声的比值。
本发明的目的是这样达到的本技术方案是对双光纤传输系统的改进，在激光器与耦合透镜之间增设带孔反射镜，其反射镜面朝向耦合透镜，并与耦合透镜轴线偏转一个角度，耦合透镜与前置透镜之间采用单根光纤传输，光纤的前部与尾部加工磨成一个斜面，其倾斜角分别为θ1，θ2，激光束在光纤前端的的入射角为α1(即耦合透镜轴线与光纤前端斜面法线之间的夹角)，从靶面返回的信号光的入射角为α2(即前置透镜轴线与光纤尾端斜面法线之间的夹角)，入射角α与斜面倾角θ之间符合Sinα＝nSinθ的关系，其中n为光纤芯折射率。
光纤尾端斜面倾角θ2必须满足2θ2＞φ，其中φ为光纤数值孔径决定的光锥半角，光纤前端与尾端的入射偏角分别为β1，β2，并必须满足β1＝α1-θ1＜φ；β2＝α2-θ2＜φ。
如上所述在这单光纤传输系统中，光纤前端斜面倾角为θ1，其入射角为α1，这就使激光束在斜面上的反射光不会返回进入耦合透镜，在光纤尾部由于斜面倾角为θ2，使得激光束从光纤内部传到尾端光芯而产生反射光，其反射光与光芯轴线的夹角为2θ2，又因为2θ2大于光锥半角φ，故使反射光逸出光纤不能返回到光纤头部，这样就把激光束的二次反射光有效地从光纤传输系统中分离出去，这种技术方案大大地降低了噪声，提高了信噪比。采用单光纤传输，可以把光纤尾端的光芯与靶面精细地调整到物-象共轭关系上，这样就使信号光的能量得到最大的有效利用。据理论计算，单光纤传输返回干涉仪的功率是双光纤传输功率的3.7倍，实验也初步验证确能提高数倍。因此在相同的接收情况下，采用单光纤传输的激光器其功率可以减小3～4倍。采用单光纤传输还可以节省一根光纤，在冲击波物理实验和爆轰物理实验中可少损失一根光纤，单根光纤以每米20多元计算，其长期节约的材料和资金，经济效益也是很可观的。
图1为激光干涉测速仪的光纤传输系统。
图2为耦合透镜与光纤头部位置配合关系示意图。
图3为前置透镜与光纤尾部位置配合关系示意图。
下面依据附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例在附图1中激光器1发射出的激光束8穿过带孔反射镜2的中心孔经过耦合透镜3聚焦于a点，光纤4的前端面光芯安置在a点上，激光束8从a点进入光纤4的内部并传到其尾端的光芯b点，激光束8从b点发出经前置透镜5，照亮在靶6表面的c点上，b点与c点调整在前置透镜5的的物-象共轭关系上，激光束8射到靶面6上，产生漫反射，带有靶面6运动速度信息的漫反射信号光9返回穿过前置透镜5到达b点，而进入光纤4，到达a点，信号光9从a点发出经耦合透镜3变成平行光投向带孔反射镜2，带孔反射镜2的反射面与耦合透镜的轴线偏转了一个角度，平行的信号光9反射后进入干涉仪7，信号光9在干涉仪7内经信息处理后给出各种测量数据。
在光纤4的前端加工磨成一个斜面，其倾角为θ1，激光束8进入光纤4头部的入射角为α1(即耦合透镜3的轴线与光纤4前端面法线之间的夹角)，以使得激光束8的反射光不能返回到耦合透镜3中，把传输光纤4的尾端加工磨成一个斜面，其倾角为θ2，要求其二倍θ2大于传输光纤4的光锥半角φ，以使从光纤内部传输的激光束8在尾端面产生的反射光逸出光纤，不能返回到光纤内部，这样激光束8在光纤4的前端和尾端产生的反射都被分离出光纤传输系统，从而大大降低了噪声。光纤尾端面的信号光9的入射角为α2(即前置透镜5的轴线与光纤4尾端面法线之间的夹角)，与倾角θ2之间应符合下列关系Sinα2＝nSinθ2，其中n为光纤芯折射率，入射角α1与θ1之间也有对应的Sinα1＝nSinθ1，并必须使入射偏角β1＝α1-θ1＜φ；β2＝α2-θ2＜φ，还要求入射光需偏向斜面的锐端进入光纤。光锥半角与生产厂家给出的光纤的数值孔径NA有如下关系NA＝Sinφ。入射角α1基本按Sinα1＝nSinθ1确定，但也可作适当调整。如经多次实验发现当θ1＝15°，n＝1.46，(λ＝514.5nm)计算得α1＝22.2°，入射偏角应为β1＝α1-θ1＝7.2°。实验发现入射偏角β1在4～10°范围内均可，如超出此范围，激光传到另一端中间会产生黑洞。
在本系统中光纤两端的斜面可以加工成不同角度，也可以相同角度，在加工时两端的斜面方位可以随意放置，但在安装调试时要使两端的斜面必须同时垂直于水平面，或同时垂直于铅垂面，以使入射光和出射光都是P光。
权利要求
1.一种光纤传输系统，它由激光器[1]，耦合透镜[3]，光纤[4]，前置透镜[5]，及干涉仪[7]组成，其特征是(1)激光器[1]与耦合透镜[3]之间设置有一个带孔反射镜[2]；(2)耦合透镜[3]与前置透镜[5]之间采用单根光纤[4]；(3)光纤[4]的前端面为具有θ1倾角的斜面，尾端面为具有θ2倾角的斜面；
2.根据权利要求1所述的光纤传输系统，其特征是光纤[4]尾端斜面倾角θ2必须满足2θ2＞φ，其中φ为由光纤数值孔径决定的光锥半角。
3.根据权利要求1所述的光纤传输系统，其特征是激光束[8]的入射偏角β1(即α1-θ1)与信号光[9]的入射偏角β2(即α2-θ2)分别满足β1＝α1-θ1＜φ，β2＝α2-θ2＜φ。
4.根据权利要求1所述的光纤传输系统，其特征是光纤[4]的前端斜面与尾端斜面必须同时垂直于水平面或同时垂直于铅垂面。
全文摘要
本发明的光纤传输系统是用于激光干涉测速仪，它把该测量系统中的双光纤传输改为单根光纤传输，大大提高了有用信号光能的利用率。在光纤两端加工磨成一定的角度，并调整二端的光入射角，把反射光分离出光纤传输系统，从而降低了噪声，提高了测量系统的性能。也节省光纤材料节约资金。
文档编号G08C23/00GK1167303SQ96117579
公开日1997年12月10日 申请日期1996年6月5日 优先权日1996年6月5日
发明者胡绍楼 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所