使用两个平行反射面的光纤白光干涉解调仪

摘要

本发明公开一种使用两个平行反射面的光纤白光干涉解调仪，其特征在于：所述的解调仪包括宽谱光源，所述的宽谱光源所发出的光进入光耦合器的一个入射端，光耦合器的出射端与被测光学干涉传感器相连，光耦合器的另一个入射端与入射光纤相连，入射光纤出射端发出的有一定发散角的空间光束照射到透明平行光学反射面对上，且入射光纤的出射端的轴线与透明平行光学反射面对之间的夹角为20‑70°，在透明平行光学反射面对的反射方向上设置有阵列光探测器，所述透明平行光学反射面对的两个表面的反射率在3%到20%之间，所述被测干涉传感器的初始光程差为L，所述透明平行光学反射面对的光学厚度为L±0.5L。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种使用两个平行反射面的光纤白光干涉解调仪。

背景技术

利用光的干涉现象进行距离测量是长久以来被广为认可并使用的高精度测量手段。为实现这一目标，人们设计了很多种结构的干涉仪，并广泛将其应用于物理学、生物学及天文学的各种测量中。随着光纤技术的发展，各种利用光纤作为光波导的干涉仪更使得光干涉测量技术在各种工程应用中找到了用武之地。通过设计各种不同结构的干涉仪及传感器，干涉式光学传感器可以将多种物理量转换为长度并对其进行极高精度的测量，包括温度、压力、应力、折射率、加速度等。与电子传感器相比，光学传感器具有诸多优势，包括更高的测量精度、更好的长时间稳定性、不受电磁干扰影响等。特别是近年来迅猛发展的各种光纤干涉式传感器，更是具有体积小巧，价格低廉等先天优势。然而，这一技术在工业应用中却并未被广泛使用，其主要原因是与其配套的解调技术比较复杂，解调硬件成本很高。

最原始的干涉仪使用窄频激光作为光源，通过观察干涉强度实现解调。由于干涉强度的周期性，这种测量方法只能实现相对测量，无法通过单一测量结果获得干涉仪两臂的绝对光程差。为克服这一缺点，白光干涉解调方法应运而生。这种方法利用宽谱光作为光源，并利用干涉仪在光谱域上形成的干涉条纹对两臂光程差进行解调。借助光谱数据中包含的大量信息，使用白光干涉方法不光可以通过单次测量确定干涉仪两臂光程差的绝对值，更可以获得极高（亚纳米级）的测量精度。因此，这种方法很快就广泛应用于各种干涉仪解调技术中。

目前广泛使用的白光干涉解调方法主要包括三种。第一种是利用散射光学元件对来自传感器的干涉光谱进行分光，并使用阵列光探测器对所有频率分量进行分别测量，通常叫做光谱仪方法。第二种是使用可扫描频率的窄线宽光源或宽谱光源加可扫描频率的窄线宽滤波器，通过记录干涉仪对于不同波长光的强度响应实现光谱测量，即扫描光源方法。第三种方法是以加拿大Roctest（Fiso）公司开发的楔形Fizeau干涉仪为代表的参考腔对比解调方法（美国专利US 5202939，US 5392117）。当参考腔与被测干涉仪腔长匹配时，透过光强度达到全局极大，从而根据这一极大的位置解调被测光谱仪的臂长差。其中前两种方法是通过直接测量来获得完整的干涉光谱数据，再使用解调算法来腔长获得干涉仪的臂长差。由于这两种技术中使用的解调硬件（光谱仪、扫描光源）包括大量高精密光学元件，结构复杂，需要精密调校，因此价格比较昂贵。同时，配套的解调算法相当复杂且耗时，大大限制了这一技术在工业中的应用。相比之下，第三种方法的硬件相对简单，解调算法也比较直观，但其硬件中仍要用到特殊的高精度光楔，成本仍然较高，对于其组装和校准也有很高的要求，因此解调仪整体价格仍然偏高，未能在工业中被广泛使用。

发明内容

本发明是为了解决现有技术所存在的上述不足，提出一种结构简单的白光干涉解调仪，它能够大幅降低解调仪的成本，有望推进光学干涉传感器在工业应用中的普及，成为电子传感器的下一代产品。

本发明的技术解决方案是：一种使用两个平行反射面的光纤白光干涉解调仪，其特征在于：所述的解调仪包括宽谱光源1，所述的宽谱光源1所发出的光通过第一光路2输入光耦合器3，所述的光耦合器3通过第二光路4与被测干涉传感器5连接，所述的光耦合器3还通过第三光路6与入射光纤7相连，入射光纤7的出射端与一平行光学反射面对9相配合，且入射光纤7的出射端的轴线与平行光学反射面对9之间的夹角为20-70°，在平行光学反射面对9的反射方向上设置有阵列光探测器11，所述平行光学反射面对9的两个表面反射率范围在3%到20%之间，所述被测干涉传感器5的初始光程差为L，所述平行光学反射面对9的光学厚度为0.5L-1.5L。

在所述的入射光纤7的出射端与透明平行光学反射面对9之间还可以设置有入射透镜8，所述的入射透镜8所在的平面与入射光纤9出射端的轴线相垂直，且所述的入射透镜8为圆透镜或柱凸透镜。

在所述的阵列光探测器11与平行光学反射面对9之间还可以设置有出射透镜10，所述的出射透镜10所在的平面与反射光中心线垂直，且所述的出射透镜10为柱凸透镜。

所述的宽频光源1为LED、SLED或超连续光源，且其光谱宽度大于5nm。

所述的第一光路2、第二光路4、第三光路6为光纤或自由空间光。

所述的光耦合器3为光纤耦合器、环行器或自由空间光耦合器。

所述的入射光纤为单模光纤或多模光纤。

所述的阵列光探测器11为面阵探测器或线阵探测器。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

本种结构形式的使用两个平行反射面的光纤白光干涉解调仪，相比于传统的参考腔对比解调方法中需要利用楔形Fizeau干涉仪等仪器，由于其通过极为简单的光学系统即可实现（本装置的透明平行光学反射面对可以选用成本极低的为玻璃片），而且还能够实现与其他白光干涉方法相当的解调精度，从而可以用极低的成本为各种光学干涉仪以及传感器提供高精度的解调方案。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例选装柱凸透镜时的俯视光路图。

图3为本发明实施例一的结构示意图。

图4为本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1至图4所示：一种使用两个平行反射面的光纤白光干涉解调仪，它包括一宽频光源1，该宽频光源1为LED、SLED或超连续光源，且其光谱宽度大于5nm；宽频光源1所发出的光通过第一光路2输入到光耦合器3，入射光通过光耦合器3后再通过第二光路4进入被测干涉传感器5，由被测干涉传感器5反射回的光再次通过光耦合器3和第三光路6耦合进入解调仪入射光纤7，这里的第一光路2、第二光路4、第三光路6为光纤或自由空间光，这里的光耦合器3为光纤耦合器、环行器或自由空间光耦合器；这里的入射光纤7为单模光纤或多模光纤；上述入射光纤7的出射端的轴线与平行光学反射面对9之间的夹角为20-70°，最佳入射角度为45°，在透明平行光学反射面对9的反射方向上还设置有阵列光探测器11，这里的阵列光探测器11为面阵探测器或线阵探测器；上述的平行光学反射面对9的两个表面的反射率要求大致相同，并且二者的反射率均在3%到20%之间；上述被测干涉传感器5的初始光程差为L，而所述的平行光学反射面对9的光学厚度为 0.5L-1.5L；

在上述入射光纤4的出射端与透明平行光学反射面对5之间还可以设置有入射透镜8，并且入射透镜8所在的平面与入射光纤4出射端的轴线相垂直，这里的入射透镜8选用圆透镜或柱凸透镜；

在上述阵列光探测器11与透明平行光学反射面对9之间还可以设置有出射透镜10，并且出射透镜10所在的平面与反射光中心线垂直，且所述的出射透镜10为柱凸透镜；

具体实施例1：光纤F-P温度/压力传感系统

本实施例的系统示意图见附图3。整个系统使用全光纤设计，使用的宽谱光源1为近红外SLED，光耦合器3为2×2光纤耦合器，利用该光纤偶合器将两个传感器5、宽谱光源1与解调仪入射光纤7连接。被测干涉传感器5为两支F-P结构低相干光纤传感器，分别为光纤F-P温度传感器和光纤F-P压力传感器。F-P传感器的光程差分别经过精密调整，保证其动态范围内的干涉条纹均照射在阵列探测器11上且无重叠。本系统中没有使用透镜，平行光学反射面对9是透明的平行石英玻璃片的两表面，阵列光探测器11使用面阵CMOS探测器。

该光纤传感器解调仪的工作过程描述如下：光源1发出的宽谱光经过2×2光纤耦合器入射到两个不同初始光程差（腔长）的低相干F-P传感器5，F-P传感器反射光谱中包含了光谱域两个不同频率的双光束干涉信号，该信号通过耦合器3和光纤6进入光纤7，从光纤7的出射端面以45度入射角为中心以一定的发散角入射到石英片9的上、下表面，由于阵列探测器11不同位置光敏单元接收到的光来自发散光束不同角度的光线在石英片上下两表面的反射光的叠加，不同入射角度光纤在石英片两个表面反射产生的光程差不同，对应光程差与F-P传感器5腔长相等的光线强度叠加将在阵列探测器上相应光敏元附近形成干涉极大值。由于两个F-P传感器5的腔长不同，将在阵列探测器11不同位置上形成两个干涉极大值，只要两个F-P传感器腔长的间隔足够大，其干涉谱包络在阵列探测器上不出现重叠，F-P传感器腔长与阵列探测器11上干涉极大值位置就一一对应。通过对F-P传感器5进行预先标定，既可以通过阵列探测器11上的光强极大值位置来计算出F-P腔的腔长。由于F-P腔的长度是温度和压力的函数，腔长确定后既可以换算出相应的温度和压力值。

具体实施例2：迈克尔逊位移测量系统

本实施例的系统示意图见附图4。系统使用自由空间和光纤混合设计，在迈克尔逊干涉仪部分为自由空间光路，在解调仪部分为光纤光路。宽谱光源1使用近红外LED。在入射光纤4与平行光学反射面对9之间放置一柱凸透镜（作为入射透镜8），如图2所示，该柱凸透镜垂直于入射光放置，且圆柱透镜的柱面中心线在入射面内（入射面是指入射光束中心线与反射面法线所构成的平面），其焦点位于入射光纤4出射端的端面，以实现出射光束在平行于入射面方向的准直。平行光学反射面对9为直角棱镜与反射镜的组合，上反射面为直角棱镜的底面，下反射面为反射镜的反射面，两反射面的间距固定并保持平行安装。阵列光探测器11使用线阵CCD，并在阵列光探测器11前安装第二枚柱凸透镜（作为出射透镜10），该柱凸透镜的将反射光沿线阵CCD探测器光敏元排列方向聚焦到探测器接收面上。

该迈克尔逊位移测量系统工作过程描述如下：光源1发出的宽谱光入射到半透半反分束镜上，其中反射光和透射光分别经过光程L1和L2传输后，经分束镜合束后耦合进入光纤4中，从光纤4的出射端面出射，以45度入射角为中心以一定的发散角入射到柱凸透镜，柱凸透镜是配合线阵CCD光电探测器使用的，可以汇集垂直入射面的发散光来提高信号的强度。当光程差L1-L2与不同入射角的光在棱镜反射面与反射镜面之间反射最终到达探测器上所产生的光程差相等时，对应在CCD探测器光敏单元附近的光强出现极大值，经过预先标定，通过CCD探测器上的光强极大值位置即可以计算出迈克尔逊干涉仪的光程差L1-L2，从而得到干涉仪的位移量。