一种全光纤位移干涉仪制造技术

本发明专利技术公开一种全光纤位移干涉仪，含有光纤元器件光纤激光器、光纤隔离器、变比分束器、等比分束器、模式转换器、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。采用法兰盘插接或熔接相连，激光完全在光纤内部传播。通过外围设备中的光学探头照明被测样品表面并返回信号光和机内的本机激光拍频干涉，监测样品位移随时间变化的过程。本发明专利技术的全光纤位移干涉仪，能在较长景深范围内测试，可以鉴别被测物体的运动方向；整体结构紧凑，不需调试、信噪比高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光测试装置领域，具体涉及一种全光纤位移干涉仪。
技术介绍
激光位移干涉仪是利用激光器发出的激光束在待测试的高速运动物体表面反射，返回的激光因多普勒(Doppler)效应而产生频率变化。再将返回激光和激光器本身的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。因而能够不接触地、连续地测试运动物体表面(或者内部粒子)位移、速度和加速度的变化过程。激光位移干涉仪和另外两种重要仪器VISAR和F-P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，在军事工业以及天体物理、地球物理研究领域有广泛应用前景。早期，激光位移干涉仪是由光学分束镜和反射镜组成的迈克尔逊干涉仪(Michelson’sInterferometer)，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。美国劳伦斯·利弗莫尔实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)S&TR刊物2004年7～8月刊上公开一篇名称为《本仪器记录拍频》的文章(This Instrument Keeps the Beat)，文章介绍一种光子学多普勒速度计，简称PDV(Photonic Doppler Velocimetry))。认为可用于测量高速运动物体的位移。这种PDV，在原理上可以认为是一种位移干涉仪，但是它的测量景深小；两束光能量不平衡，信号质量差；也不能鉴别运动方向。因此，在冲击波领域的很多实验中都不能应用。在被测样品受高速撞击情况下，表面会呈现漫反射，运动方向也会倾斜，如果距离探头较远，又要求被测表面运动几毫米到几十毫米内都能取得拍频信号，PDV所用9μm芯径光纤接受的光能太小，以致不能检测。这种情况称为测量景深不够。PDV第一个1×2耦合器分出的本机激光能量，一般远远大于探头返回的信号光能量，干涉时两束光能量不平衡，会降低拍频信号的信噪比。另外，在某些实验中，被测面的运动方向可能由面向干涉仪突然变为背向干涉仪，然后又反向变化，上述PDV不能鉴别这种方向变化。
技术实现思路
本专利技术提供一种全光纤位移干涉仪，能实际应用于冲击波物理和爆轰物理实验，在几毫米到几十毫米景深范围内测试冲击加载产生的样品自由面或内部粒子运动，并能鉴别运动方向。本专利技术的一种全光纤位移干涉仪，特点是含有光纤元器件光纤激光器、光纤隔离器、变比分束器、等比分束器、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，变比分束器另一端分别与可调光纤衰减器和等比分束器连接，等比分束器的一端分别与变比分束器和光纤放大器连接，等比分束器的另一端与外围设备中探测被测样品之光学探头的光纤连接；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。干涉仪还含有模式转换器，模式转换器的一端通过单模光纤与等比分束器连接，模式转换器的另一端通过多模光纤与外围设备中的光学探头的多模光纤连接。干涉仪中采用的光纤耦合器为3×3光纤耦合器、2×2光纤耦合器或1×2光纤耦合器中的任意一种。采用芯径较大的多模光纤收集信号光，然后再变换到单模光纤来满足系统的干涉条件，使干涉仪整个系统能在较大的测量景深范围内接收信号光传回全光纤位移干涉仪，扩大了全光纤位移干涉的实用范围。当光纤激光器能量强或是被测物体运动距离很短时，干涉仪中也可不采用模式转换器。带有尾纤的光纤元器件之间通过法兰盘插接尾纤连接，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光学探头和示波器，光学探头由多模光纤和透镜组成，光纤头和被测表面分别处在透镜的物象共轭面上。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(1×2或2×2、3×3光纤耦合器均可)，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。本专利技术的全光纤位移干涉仪，其中的光纤激光器产生1550nm激光，但也可以换用输出1310nm激光的光纤激光器。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1×2光纤耦合器，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。等比分束器也是一个1×2光纤耦合器，光从单尾纤端输入，从双尾纤端的两尾纤输出功率相等的两束光。本专利技术的全光纤位移干涉仪中，这个1×2光纤耦合器反向使用，即光从双尾纤端的两尾纤之一输入，从单尾纤端的尾纤输出。返回的光又从单尾纤端输入，从双尾纤端的两个尾纤输出。当干涉仪中采用3×3光纤耦合器时，3×3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1∶1∶1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3×3光纤耦合器中产生拍频干涉，输出位相差120°的三路光信号。本专利技术的全光纤位移干涉仪中的模式转换器用来使单模光纤传输的光变为在多模光纤传输，或者反过来，从多模光纤传输的光转换为在单模光纤中传输。用于1550nm激光的单模光纤芯径9μm，多模光纤芯径可以是50μm，62.5μm或几百微米，当光从单模光纤经过模式转换器传入多模光纤时，传输效率90％左右，从多模光纤传输的光转换到单模光纤时，传输效率较低，目前约为10-2～10-3量级。本专利技术的目的是这样实现的，以采用模式转换器和3×3光纤耦合器的干涉仪为例光纤激光器产生波长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3×3光纤耦合器，这束光的频率和光纤激光器的本机震荡频率相同，称为本机激光。变比分束器分出的约90％的另一束光，从等比分束器双尾纤端的一根尾纤输入，从单尾纤端的尾纤输出，然后进入模式转换器，从单模传输变为多模传输，与组成探头的多模光纤相连，使激光通过探头照明被测样品。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，又由探头收集返回多模光纤。当样品受到冲击，表面运动时，返回光束因多普勒效应带有运动信息，成为信号光。探头收集进入多模光纤的信号光经过模式转换器，由多模转为单模传输(能量会有较大损失)，进入等比分束器的单尾纤端，由等比分束器分为功率相等的两束光，其中第一束光又经由变比分束器到达隔离器，但被隔离器阻断，不使返回光纤激光器影响其工作。由等比分束器分出的第二束光，是实际应用的信号光，经过光纤放大器和光纤滤波器，送入3×3光纤耦合器和本机激光干涉，产生位相差120°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。本专利技术的全光纤位移干涉仪中采用模式转换器，用多模光纤接受探头传回的信号光，多模光纤芯径远大于单模光纤，可接收较多的信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全光纤位移干涉仪，其特征在于：所述的干涉仪含有下列光纤元器件光纤激光器、光纤隔离器、变比分束器、等比分束器、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；其连接关系是，光纤激光器、光纤隔离器和变比分束器 依次连接，变比分束器另一端分别与可调光纤衰减器和等比分束器连接，等比分束器的一端分别与变比分束器和光纤放大器连接，等比分束器的另一端与外围设备中探测被测样品之光学探头的光纤连接；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一端连接，光电转换器另一端与外围设备中的示波器连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：翁继东，胡绍楼，谭华，马云，王翔，汪小松，贾路峰，陈宏，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]