一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪制造技术

本发明专利技术公开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，第三光纤和检测装置。激光器输出基模高斯光通过第一光纤输送到光纤模式转换器，光纤模式转换器将基模高斯光转换为光纤线偏振模式，第二光纤将光纤线偏振模式输送到探头，探头对光纤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，检测装置对信号光进行检测与信号处理，获取旋转待测物体的旋转速度。本发明专利技术突破了自由空间架构的旋转多普勒测速仪在实用中的诸多限制，在工程测量中具有广泛的应用前景，填补了相关技术领域的空白。

【技术实现步骤摘要】
一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪
本专利技术属于光学测量领域，更具体地，涉及一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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，按照本专利技术，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。通过本专利技术所构思的以上技术方案，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术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、本专利技术适用的测量范围广，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、本专利技术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、本专利技术采用全光纤组件，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪，其特征在于，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；/n所述激光器用于输出基模高斯光通过第一光纤输送到所述光纤模式转换器，所述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，所述第二光纤用于将光纤高阶线偏振模式输送到所述探头，所述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，所述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所述第三光纤，所述第三光纤用于将信号光输送到所述检测装置，所述检测装置用于对信号光进行检测与信号处理，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪，其特征在于，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；
所述激光器用于输出基模高斯光通过第一光纤输送到所述光纤模式转换器，所述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，所述第二光纤用于将光纤高阶线偏振模式输送到所述探头，所述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，所述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所述第三光纤，所述第三光纤用于将信号光输送到所述检测装置，所述检测装置用于对信号光进行检测与信号处理，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。


2.根据权利要求1所述的直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪，其特征在于，所述光纤模式转换器采用非对称耦合型、光纤光栅型或模式定向耦合型；
其中，所述非对称耦合型，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；
所述光纤光栅型，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；
所述模式定向耦合型，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。


3.根据权利要求1所述的直接探测型全光纤旋转多普勒测速仪，其特征在于，所述第二光纤，采用与所述模式转换器输出端同类型的光纤，或者采用支持高阶线偏振模式的环形光纤，其与所述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。


4.根据权利要求1所述的直接探...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，万镇宇，张文冠，郑世杰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42