一種光纖激光拍波和單波自混合干涉融合的位移測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測量領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖激光拍波和單波自混合干涉融合的 位移測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的與此技術(shù)相接近的文獻(xiàn)有以下兩個：
[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 (光學(xué)快報），第 18 卷，第 16 期，Ρ· 1361-1363)
[0004] 文獻(xiàn)[1]的技術(shù)原理如圖1所示。
[0005] 半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)過法拉第隔離器和光纖3dB耦合器后，到達(dá)測量頭，測 量頭是一個菲索干涉儀，一部分光被光纖端面反射作為參考光，另一部分光經(jīng)過自聚焦透 鏡聚焦后，投射到被測表面上，由被測表面反射重新回到系統(tǒng)中并與參考光發(fā)生干涉，干涉 信號由探測器探測，干涉信號的相位決定于被測表面被測點的縱向高度；改變該激光器的 驅(qū)動電流以改變激光器的發(fā)光頻率，用四種不同頻率的光對同一點進(jìn)行測量，得到四個干 涉信號，由于入射光波頻率不同，四個干涉信號的位相就不同，調(diào)節(jié)驅(qū)動電流，使相鄰兩個 干涉信號的相位差π/2,通過以下式子，即可解調(diào)出該點的光程差D，即完成單點的測量：
【主權(quán)項】
1. 一種光纖激光拍波和單波自混合干涉融合的位移測量系統(tǒng)，其特征在于是由980nm 泵浦源（SI)，1310nm半導(dǎo)體激光器（LI)，三個光纖隔離器（II、12、13)，摻鉺光纖（Fl)，五個 光纖光柵師6 11、？8612、？8621、？8622、？86 23)，3(^耦合器（附），壓電陶瓷收1')，可變光衰減器 (VOA)，準(zhǔn)直鏡（Gl)，環(huán)形器（Hl)，射頻濾波器（Cl)，混頻器（Dl)，濾波器（El)，兩個探測器 (PD1、PD2)，波分復(fù)用器（WDM)，信號處理電路（BI)，反饋控制電路（B2)，A/D轉(zhuǎn)換卡（B3)，計 算機(jī)（B4)和輸出結(jié)果（B5)組成，980nm光源（SI)和1310nm半導(dǎo)體激光器（LI)發(fā)出的光經(jīng) 過光纖隔離器（11、12)、波分復(fù)用器（WDM)和3dB耦合器（NI)后耦合到達(dá)光纖光柵（FBG 21); 光纖光柵（FBG21)和光纖光柵（FBG22)的布拉格波長為1310nm激光器波長，因此980nm泵 浦光透過光纖光柵（FBG 21)到達(dá)緊鄰的光纖光柵（FBG11);兩個光纖光柵（FBGn、FBG 12)的布 拉格波長相同且在1550nm波段，因此形成兩個激光腔鏡，兩個光纖光柵（FBGn、FBG 12)之間 是摻鉺光纖（F1)，受到980nm光源（SI)的光激勵產(chǎn)生1550nm波段熒光，滿足激光腔諧振 條件且在光纖光柵（FBG n、FBG12)反射譜內(nèi)波長諧振，增益大于損耗時產(chǎn)生激光，調(diào)節(jié)激光 器腔長，使激光器輸出縱模間隔頻率是Λ V的多縱模激光，頻率間隔相同的任意兩個縱模 疊加形成同一頻率的拍波，因此激光器輸出的是很多不同頻率的拍波總和；在激光腔中置 可變衰減器（VOA)調(diào)節(jié)損耗以調(diào)節(jié)摻鉺光纖增益譜形狀，用較大功率（>100mW)980泵浦源 (SI)，抑制模競爭和模式跳變，實現(xiàn)穩(wěn)定多縱模輸出；透過光纖光柵（FBG 12)和緊鄰的光纖 光柵（FBG22),經(jīng)由1310nm隔離器（13)和準(zhǔn)直鏡（G1)，射向被測物，并由被測物反（散）射 反饋回激光腔與腔內(nèi)光自混合干涉，干涉信號經(jīng)由光纖光柵（FBG n、FBG21)，到達(dá)3dB耦合 器（NI);-路信號經(jīng)由波分復(fù)用器（WDM)到達(dá)隔離器（II、12)，由于隔離器（II、12)的作 用不會對980nm泵浦源（SI)和1310nm半導(dǎo)體激光器（LI)產(chǎn)生影響；另一路信號經(jīng)過環(huán)形 器（Hl)到達(dá)光纖光柵（FBG 23)，因為光纖光柵（FBG23)布拉格波長為1310nm激光器波長，光 線透過光纖光柵（FBG 23)被探測器（PDl)探測；得到的探測信號既是單波信號又是不同頻 率間隔的縱模組成的多頻率拍波干涉信號的總和；信號一路經(jīng)過射頻帶通濾波器（Cl)濾 出某一頻率拍波干涉信號，經(jīng)過混頻器（Dl)和濾波器（El)處理后，輸入A/D轉(zhuǎn)換卡（B3)， 再通過計算機(jī)（B4)中的程序作數(shù)據(jù)處理后，用它決定位移的幅值，使得最大測量步長擴(kuò)大 為IOOmm以上；信號另一路經(jīng)過信號處理電路（BI)，A/D轉(zhuǎn)換卡（B3)以及計算機(jī)（B4)中的 程序作數(shù)據(jù)處理后，被用來測量位移的量值，因為是單波干涉信號，測量分辨率達(dá)到納米量 級；得到位移測量結(jié)果后，由結(jié)果輸出（B5)輸出；光纖光柵（FBG 21、FBG22)構(gòu)成F-P干涉儀 兩反射鏡，F(xiàn)-P干涉儀腔中光纖纏繞在壓電陶瓷（PZT)上，自1310nm半導(dǎo)體激光器（LI)發(fā) 出的光耦合進(jìn)系統(tǒng)后，作用于光纖光柵（FBG 21、FBG22)為反射鏡的F-P干涉儀中，干涉信號 與雙光束干涉的信號極其相似，經(jīng)過3dB耦合器（NI)后，一路經(jīng)由波分復(fù)用器（WDM)到達(dá) 隔離器（II、12)，由于隔離器（II、12)的作用不會對980nm泵浦源（SI)和1310nm半導(dǎo)體 激光器（LI)產(chǎn)生影響；另一路信號經(jīng)過環(huán)形器（Hl)到達(dá)光纖光柵（FBG 23),因為光纖光柵 (FBG23)反射率達(dá)100%，信號光被光纖光柵（FBG23)反射后被探測器（TO2)探測，得到的信 號經(jīng)過反饋控制電路（B2)處理后，其輸出信號驅(qū)動壓電陶瓷（PZT)，調(diào)節(jié)F-P干涉儀腔中光 纖長度，使F-P干涉儀穩(wěn)定在正交點（相位差f )，即穩(wěn)定了 F-P干涉儀腔長，所以激光腔 長也得到穩(wěn)定，同時在本系統(tǒng)中用負(fù)熱膨脹系數(shù)材料作襯底，將光纖光柵（FBG)粘在襯底 上作溫度補償使其布拉格波長穩(wěn)定，從而使激光腔輸出的激光波長穩(wěn)定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖激光單波自混合干涉位移測量系統(tǒng)，其特征在于： 利用利用一對反射波長相同的光纖光柵（FBG n、FBG12)作為激光腔鏡構(gòu)成激光諧振腔，調(diào) 節(jié)腔長使激光器輸出單波長多縱模激光，即多頻率拍波，投射到被測物體后被反饋回激光 腔與腔內(nèi)光自混合干涉，處理干涉信號，使用某一頻率拍波干涉信號決定測量步長，單波干 涉信號決定測量量值，實現(xiàn)最大測量步長擴(kuò)大為100mm，測量分辨率達(dá)到納米量級的位移測 量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖激光單波自混合干涉位移測量系統(tǒng)，其特征在于： 利用探測器（TO2)探測到的信號經(jīng)過反饋控制電路（B2)處理后，輸出信號驅(qū)動壓電陶瓷 (PZT)，調(diào)節(jié)F-P干涉儀腔中光纖長度，穩(wěn)定F-P干涉儀腔長，即穩(wěn)定了激光器輸出光波的波 長或頻率，使測量系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖激光單波自混合干涉位移測量系統(tǒng)，其特征在于： 利用在激光腔中置可變衰減器（VOA)調(diào)節(jié)損耗以調(diào)節(jié)摻鉺光纖增益譜形狀，用較大功率 OlOOmW) 980泵浦源（SI)，抑制模競爭和模式跳變，實現(xiàn)穩(wěn)定多縱模輸出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖激光單波自混合干涉位移測量系統(tǒng)，其特征在于： 光纖激光器自身集傳感器和干涉儀于一體，全光纖光路無需調(diào)節(jié)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖激光拍波和單波自混合干涉融合的位移測量系統(tǒng)，屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域。所述系統(tǒng)由泵浦源，半導(dǎo)體激光器，光纖光柵，光纖隔離器，探測器，摻鉺光纖，壓電陶瓷，3dB耦合器，混頻器，濾波器，環(huán)行器，準(zhǔn)直鏡，波分復(fù)用器，可變光衰減器，射頻帶通濾波器，信號處理電路，反饋控制電路，A/D轉(zhuǎn)換卡，計算機(jī)和結(jié)果輸出組成。用一對光纖光柵作為激光腔鏡產(chǎn)生單波長多縱模激光，經(jīng)被測物反射或散射回激光腔與腔內(nèi)光產(chǎn)生自混合干涉，處理拍波信號和單波信號，實現(xiàn)步長達(dá)100mm分辨率達(dá)納米量級的位移測量。激光腔中增益介質(zhì)對反饋光的放大作用使得系統(tǒng)能夠測量低反射率物體；反饋控制穩(wěn)定激光器輸出波長，極大提高測量精度。
【IPC分類】G01B11-02
【公開號】CN104677296
【申請?zhí)枴緾N201510102965
【發(fā)明人】謝芳, 王韻致, 陳亮, 馬森, 趙可強(qiáng)
【申請人】北京交通大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月9日