一种便携式光学测量仪器制造技术

本发明专利技术公开了一种便携式光学测量仪器，具有很好的空间时间分辨率，实现无损非接触式测量，其采用波分复用技术，将一个激光光源既作为激发光源，又作为探测光源，探测光源供给采用全光纤结构的斐索式干涉仪实现超声波振动的检测。本发明专利技术能够实现将通常需要两个激光器才能运作的检测系统简化为只需一个激光器的便携式结构。本发明专利技术的各个组成元件体积不大，利用光纤作为器件之间的连接部分，摆脱了传统光学结构上的局限，因而可以对其进行封装，组成一个只留有激发激光探头和探测激光探头在外的一体化探测系统。该系统具有紧凑的结构，重量大大减轻，既能满足便携的要求，又可以保证测量精度的要求，可以在一些操作不便的环境下灵活使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学检测装置领域，特别是一种便携式光学测量仪器。
技术介绍
激光超声的检测手段已经非常多了，目前常规的超声检测器件有压电换能器、压电薄膜、静电传感器、电磁声换能器等，这些方法有较高的检测灵敏度，但必须与试样接触，或者要求非常接近试样表面，且需使用耦合剂，使得激光超声无损遥测、适应恶劣环境的特点无法发挥，而这些可利用光学检测法得以体现。所以，应用了光学的检测方法将是未来的发展方向。光学检测法也有很多分类，主要分为干涉法和非干涉法，二者都具有很高的灵敏度和分辨率，都能够很好的满足检测的需求。但对于大多数现有的光学检测设备，都显得较为复杂，大部分都是价格昂贵的光学镜片等仪器，体积较大，重量较重，且易受环境振动影响，需要光学平台作为辅助，所以只能在实验室中进行操作，无法很好的应用到实际的操作中，更不要说实现随时随地的测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种便携式光学测量仪器。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种便携式光学测量仪器，包括相互连接的波分复用装置和斐索式探测系统，波分复用装置用于产生对样品表面超声波进行激发的激发光源，并产生入射光源给斐索式探测系统；斐索式探测系统用于检测样品表面因波分复用装置出射激光激发超声所产生的表面微振动；所述波分复用装置包括依次连接的微片激光器、光环形器、光纤光栅和激光激发臂；其中微片激光器与光环形器的第一端口相连，光环形器的第二端口与光纤光栅相连，光环形器的第三端口与斐索式探测系统中的光隔离器相连；微片激光器所产生的双频激光，两束激光均沿微片激光器出射进入光环形器的第一端口，并由光环形器的第二端口进入光纤光栅中，然后其中一束激光将通过光纤光栅，到达激光激发臂的末端，另一束激光则由光纤光栅反射回到光环形器的第二端口，并从光环形器的第三端口出射；斐索式探测系统包括光隔离器、光纤耦合器、PIN光电探测器和超声探测臂；光隔离器和PIN光电探测器分别连接光纤耦合器的两个光纤接头，光纤耦合器的光纤输出接口末端则作为超声探测臂；由光环形器的第三端口输入的激光经过光隔离器到达光纤耦合器中，其输出激光在超声探测臂末端反射回光纤耦合器中，并由PIN光电探测器接收。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)本专利技术可以实现将往往需要两个激光器才能运作的检测系统简化为只需一个激光器；2)组成本专利技术便携式光学测量仪器的所有元件体积不大，利用光纤作为器件之间的连接部分，摆脱了传统光学结构上的局限，因而可以对其进行封装，组成一个只留有激发激光探头和探测激光探头在外的一体化探测系统；3)本专利技术便携式光学测量仪器具有更为紧凑的结构，重量大大减轻，既能满足便携的要求，又可以保证测量精度的要求，可以在一些操作不便的环境下灵活使用；4)本专利技术便携式光学测量仪器实现真正的便携式测量，采用波分复用技术，将一个激光光源既作为激发光源，又作为探测光源，探测光源供给采用全光纤结构的斐索式干涉仪实现超声波振动的检测；5)本专利技术便携式光学测量仪器兼具光学测量的高精度，高灵敏度等特点，能够利用激光激发超声波，并利用激光检测超声波，测得微小振动、位移等信息，具有很好的空间时间分辨率，实现无损非接触测量，能够在小尺寸、狭小空间等特殊环境中使用。下面结合附图对本专利技术做进一步详细的描述。附图说明图1是本专利技术便携式光学测量仪器的基本构成图。图2是双频微片激光器的输出波形图。图3(a)是光纤光栅的反射率分布图。图3(b)是光纤光栅的透射率分布图。图4(a)是光环形器的正向光路传播图。图4(b)是光环形器的反向光路传播图。图5是光隔离器的正反向光路传播图。图6是光纤斐索干涉仪的基本结构图。图7是干涉仪的探测光纤末端与待测物表面反射光路图。图8是模拟相对光强输出曲线。图1中I和II分别代表整个装置的两个部分，I为波分复用系统，II为光学检测系统；3.双频微片激光器，4.光环形器，5.光纤光栅，6.光隔离器，7.光纤耦合器，8.PIN光电探测器，9.激光激发臂，10.超声探测臂。具体实施方式本专利技术利用双频微片激光器产生具有两种不同频率的激光，连接光纤将这种混合激光输入到光环形器的输入口中，光环形器剩下的两个输出口分别用光纤连接光纤光栅和光隔离器。利用光纤光栅的频谱选择特性和光环形器的传光特性，组成一个波分复用系统，实现激发激光和探测激光的分离，通过光纤光栅的激光作为激发激光，用来在材料表面激发超声波。从光环形器输出的另一路激光，即由光纤光栅所反射的固定频率激光，进入加装了一个光隔离器的光纤斐索式干涉仪中。光纤斐索干涉仪利用光电探测器接收光纤末端底面反射光和待测物表面反射光的相对光强值来探测微位移、微振动。加装的光隔离器能够消除光路中的反向光对干涉仪光源的不良影响。利用波分复用系统，实现了只用一个激光器来实现用激光激发超声和为干涉仪提供单一频率的探测光源；利用光纤斐索式干涉仪，能够检测由激发激光在待测物表面引起的振动，实现对待测物的光学式非接触测量。其构成框架参见图1所示。结合图1，本专利技术的一种便携式光学测量仪器，包括相互连接的波分复用装置I和斐索式探测系统II，波分复用装置I用于产生对样品表面超声波进行激发的激发光源，并产生入射光源给斐索式探测系统II；斐索式探测系统II用于检测样品表面因波分复用装置I出射激光激发超声所产生的表面微振动；所述波分复用装置I包括依次连接的微片激光器3、光环形器4、光纤光栅5和激光激发臂9；其中微片激光器3与光环形器4的第一端口相连，光环形器4的第二端口与光纤光栅5相连，光环形器4的第三端口与斐索式探测系统II中的光隔离器6相连；微片激光器3所产生的双频激光，两束激光均沿微片激光器3出射进入光环形器4的第一端口，并由光环形器4的第二端口进入光纤光栅5中，然后其中一束激光将通过光纤光栅5，到达激光激发臂9的末端，另一束激光则由光纤光栅5反射回到光环形器4的第二端口，并从光环形器4的第三端口出射；斐索式探测系统II包括光隔离器6、光纤耦合器7、PIN光电探测器8和超声探测臂10；光隔离器6和PIN光电探测器8分别连接光纤耦合器7的两个光纤接头，光纤耦合器7的光纤输出接口末端则作为超声探测臂10；由光环形器4的第三端口输入的激光经过光隔离器6到达光纤耦合器7中，其输出激光在超声探测臂10末端反射回光纤耦合器7中，并由PIN光电探测器8接收。所述光环形器4为三端口单模型光纤环形器，其工作中心波长在1550±30nm，插入损耗0.6dB，隔离度50dB，串扰大于50dB，光纤接口为FC型。所述光纤光栅5为布拉格光纤光栅，其中心波长为1550nm，波长精确度0.3nm，光栅区长度15nm，反射带宽1nm，反射率97％，一端加装光纤FC连接头，采用冷接法与光环形器4的第二端口FC接口相连接。所述光隔离器6为单极光隔离器，其工作波长在1550±15nm，插入损耗0.4dB，典型隔离度值42dB，光纤接口为FC型。所述光纤耦合器7为单模标准2×2耦合器，工作波长1550nm，带宽±15nm，分光比50：50，插入损耗3dB，方向性≧55dB，其中一路输出光纤被截去，光纤接口为FC型。所有器件均采用单模光纤，型号为SMF—28，纤芯半径4.07um，纤芯的折射率1.45。本专利技术便携式光学测量仪器兼具光学测量的高精度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种便携式光学测量仪器，其特征在于，包括相互连接的波分复用装置(I)和斐索式探测系统(II)，波分复用装置(I)用于产生对样品表面超声波进行激发的激发光源，并产生入射光源给斐索式探测系统(II)；斐索式探测系统(II)用于检测样品表面因波分复用装置(I)出射激光激发超声所产生的表面微振动；所述波分复用装置(I)包括依次连接的微片激光器(3)、光环形器(4)、光纤光栅(5)和激光激发臂(9)；其中微片激光器(3)与光环形器(4)的第一端口相连，光环形器(4)的第二端口与光纤光栅(5)相连，光环形器(4)的第三端口与斐索式探测系统(II)中的光隔离器(6)相连；微片激光器(3)所产生的双频激光，两束激光均沿微片激光器(3)出射进入光环形器(4)的第一端口，并由光环形器(4)的第二端口进入光纤光栅(5)中，然后其中一束激光将通过光纤光栅(5)，到达激光激发臂(9)的末端，另一束激光则由光纤光栅(5)反射回到光环形器(4)的第二端口，并从光环形器(4)的第三端口出射；斐索式探测系统(II)包括光隔离器(6)、光纤耦合器(7)、PIN光电探测器(8)和超声探测臂(10)；光隔离器(6)和PIN光电探测器(8)分别连接光纤耦合器(7)的两个光纤接头，光纤耦合器(7)的光纤输出接口末端则作为超声探测臂(10)；由光环形器(4)的第三端口输入的激光经过光隔离器(6)到达光纤耦合器(7)中，其输出激光在超声探测臂(10)末端反射回光纤耦合器(7)中，并由PIN光电探测器(8)接收。...

【技术特征摘要】
1.一种便携式光学测量仪器，其特征在于，包括相互连接的波分复用装置(I)和斐索式探测系统(II)，波分复用装置(I)用于产生对样品表面超声波进行激发的激发光源，并产生入射光源给斐索式探测系统(II)；斐索式探测系统(II)用于检测样品表面因波分复用装置(I)出射激光激发超声所产生的表面微振动；所述波分复用装置(I)包括依次连接的微片激光器(3)、光环形器(4)、光纤光栅(5)和激光激发臂(9)；其中微片激光器(3)与光环形器(4)的第一端口相连，光环形器(4)的第二端口与光纤光栅(5)相连，光环形器(4)的第三端口与斐索式探测系统(II)中的光隔离器(6)相连；微片激光器(3)所产生的双频激光，两束激光均沿微片激光器(3)出射进入光环形器(4)的第一端口，并由光环形器(4)的第二端口进入光纤光栅(5)中，然后其中一束激光将通过光纤光栅(5)，到达激光激发臂(9)的末端，另一束激光则由光纤光栅(5)反射回到光环形器(4)的第二端口，并从光环形器(4)的第三端口出射；斐索式探测系统(II)包括光隔离器(6)、光纤耦合器(7)、PIN光电探测器(8)和超声探测臂(10)；光隔离器(6)和PIN光电探测器(8)分别连接光纤耦合器(7)的两个光纤接头，光纤耦合器(7)的光纤输出接口末端则作为超声探测臂(10)；由光环形器(4)的第三端口输入的激...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弼兴，赵艳，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32