CN102322876A - 全光纤干涉仪被动相位补偿结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全光纤干涉仪被动相位补偿结构，包括内部开设有环形凹槽的发泡橡塑绝热材料体，所述环形凹槽内容纳有光纤干涉环，所述发泡橡塑绝热材料体外依次包裹有内层铝箔纸层、第一复合型陶瓷绝热涂料层、第一DOK聚酯玻璃介质板层、特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料层、第二DOK聚酯玻璃介质板层、第二复合型陶瓷绝热涂料层、绝热保温材料层、发泡橡塑绝热材料层和外层铝箔纸层。本发明达到了一个高稳定被动相位补偿水平，实验表明，本发明的被动补偿结构使得置于其中的全光纤干涉仪的单位长度臂长差相位漂移速度大大减小。

Description

全光纤干涉仪被动相位补偿结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤干涉仪技术领域，具体涉及一种全光纤干涉仪被动相位补偿结构及其制作方法。

背景技术

干涉现象是光学的基本现象，利用光纤实现光的干涉，是光干涉现象的重要应用。全光纤干涉仪是利用光纤取代透镜***构成的，在整个仪器中除了分束器以外，其它所有光路都是用光纤来连接而成的，所以称之为全光纤干涉仪。全光纤干涉仪因其形状可随意变化、体重轻、结构紧凑以及灵敏度高等诸多优点，被广泛应用于光纤传感、光纤通信、量子保密通信等技术领域。其基本工作原理是：利用分束耦合器、反射镜等光学器件先把一束光分为两路或者多路，然后通过各个不同路经（称之为“臂”）传输到另一端（或者传输到另一端后经反镜反射回到原点）各个分路重新重合形成叠加干涉。各个臂（路径）根据需要可以做成相同的长度也可以做成不同的长度，这样的话，如果外界环境比如温度、噪声、震动等因素变化的话，各个臂上的光纤折射率或者光纤长度就会发生轻微的变化，这样就会对不同的臂产生不同程度的影响，如果光在不同的臂上传输就会产生不同的光程变化，即引起各个臂之间的相位差不固定并随外界环境干扰而形成随机漂移，使得全光纤干涉仪不能正确提取信息，最终影响全光纤干涉仪的正常工作。所以为了能使全光纤干涉仪能正常工作，就非常有必要对全光纤干涉仪进行有效的被动相位补偿处理，尽量减小外界环境对它的影响。被动相位补偿包括采用低的热膨胀系数材料来制作干涉环、采用集成工艺刻蚀干涉坏、增加减震装置并且进行精确的温度控制等。目前国内外都有相应的研究小组做过这种被动相位补偿技术，但效果都不是很好，并且市场上没有相应的成熟产品。而本专利就是采用非常低的热膨胀系数、导热系数材料和非常高的隔音效果材料来制作干涉环的被动相位补偿结构。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高稳定水平的全光纤干涉仪被动相位补偿结构及其制作方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种全光纤干涉仪被动相位补偿结构，包括内部开设有环形凹槽的发泡橡塑绝热材料体，所述环形凹槽内容纳有光纤干涉环，所述发泡橡塑绝热材料体外依次包裹有内层铝箔纸层、第一复合型陶瓷绝热涂料层、第一DOK聚酯玻璃介质板层、特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料层、第二DOK聚酯玻璃介质板层、第二复合型陶瓷绝热涂料层、绝热保温材料层、发泡橡塑绝热材料层和外层铝箔纸层；所述全光纤干涉仪上用于连接至外部信号输入输出的光纤从各层材料穿出。本发明中的发泡橡塑绝热材料体和发泡橡塑绝热材料层所采用的发泡橡胶，是以性能优异的丁腈橡胶，聚氯乙烯为主要原料，经过密炼，硫化发泡等特殊工艺制成，具有优良的绝热、保温作用。铝箔纸层具有光反射率高、不透气、不透水、密封性能好以及热反射率高等特点，从而具备防热辐射、隔热作用。复合型陶瓷绝热涂料层具有绝热保温作用。DOK聚酯玻璃介质板层能够隔绝高达90%的红外线，具有耐光、耐水、耐湿、耐高温等特性，起到密封、绝热和结构支撑的作用，作为特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料层和复合型陶瓷绝热涂料层的依附媒介。特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料层起到隔音作用，隔音量高达42dB。复合型陶瓷绝热涂料层起到绝热、保温作用。本发明采用了多种导热系数很低的特殊绝热、保温材料和隔音性能很好的高分子隔音材料，并采用了多层密封技术进行处理，把所需要保护的全光纤干涉环密封在最里面一层，由里往一层一层地密封封装各种绝热保温材料和隔音、防辐射材料，从而极大地减小置于最里面的光纤干涉环因外部环境变化所受到的影响，达到了一个高稳定被动相位补偿水平。

将全光纤干涉仪绕制成环状的光纤干涉环能够提高结构的集成度，但是光纤如果弯曲得太厉害，它的损耗会变得很大；而环绕过大会增加结构的最终尺寸，因此在保证足够的集成度的前提下，尽量的环绕成一个较小的环，经实验证明，优选的尺寸为，所述光纤干涉环的内径≥9cm，外径≤20cm，所述光纤干涉环的径向宽度范围0.1-0.5cm；所述环形凹槽的内径小于光纤干涉环的内径，外径大于光纤干涉环的外径。光纤干涉环的内径、外径和径向宽度的大小关系为：（外径尺寸）减去（内径尺寸）等于（径向宽度的2倍）。

发泡橡塑绝热材料层厚度范围是0.5-1cm；所述发泡橡塑绝热材料体和发泡橡塑绝热材料层的湿阻因子μ≥10000，导热系数λ≤0.034W/(m·K)。

所述第一复合型陶瓷绝热涂料层和第二复合型陶瓷绝热涂料层的厚度范围是0.2-0.4cm，导热系数≤0.054 W/(m·K)。

所述第一DOK聚酯玻璃介质板层和第二DOK聚酯玻璃介质板层的厚度范围是0.3-0.4cm。

内层铝箔纸层和外层铝箔纸层的厚度范围是0.03-0.05cm，光反射率和热反射率均大于90%。

所述绝热保温材料层的材料为二氧化硅气凝胶，二氧化硅气凝胶又被称作“蓝烟”、“固体烟”，是目前已知的最轻的固体材料，也是迄今为止保温性能最好的材料，导热系数为0.013-0.025 W/(m·K)，厚度范围是0.5-2cm。并且二氧化硅气凝胶轻质、透明,是十分优良的绝热保温材料。显然,其他的比二氧化硅气凝胶导热系数更小的固体粉状材料也同样适用于本发明。

所述发泡橡塑绝热材料体形状为长方体、柱体或球体。为了有效固定光纤干涉环，同时最大限度的减小外界对其的影响，在所述环形凹槽与光纤干涉环之间的空隙填充有二氧化硅气凝胶，以起到更加直接的绝热保温的作用，免受外界影响。同时由于与环形凹槽之间的空隙被填充满，也可以有效防震，防止光纤干涉环在环形凹槽内晃动。

上述的全光纤干涉仪被动相位补偿结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤一，将全光纤干涉仪绕制成环状的光纤干涉环，并引出用于连接外部信号输入输出的光纤；

步骤二，制作发泡橡塑绝热材料体，并在其内部开设与步骤一中的光纤干涉环形状和相匹配的环形凹槽，并将光纤干涉环置于该环形凹槽中；

步骤三，在所述发泡橡塑绝热材料体外包裹上内层铝箔纸层；

步骤四，在第一DOK聚酯玻璃介质板层和第二DOK聚酯玻璃介质板层相对表面上涂覆特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料层，并在第一DOK聚酯玻璃介质板层和第二DOK聚酯玻璃介质板层另一表面各涂覆上第一复合型陶瓷绝热涂料层和第二复合型陶瓷绝热涂料层，形成复合材料层，将该复合材料层制成第一盒体，该第一盒体内空腔的形状和大小与步骤三中所形成的结构相匹配，将步骤三中的结构置于该第一盒体的空腔内；

步骤五，利用发泡橡塑绝热材料层制成第二盒体，第二盒体内的空腔与步骤四中的第一盒体外形匹配，空腔体积大于第一盒体；

步骤六，将第一盒体置于第二盒体的空腔内，并在第一盒体和第二盒体空隙内填充满二氧化硅气凝胶形成绝热保温材料层；

步骤七，在第二盒体外包裹外层铝箔纸层。

所述步骤二中，环形凹槽与光纤干涉环之间的空隙填充满二氧化硅气凝胶。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明采用了多种导热系数很低的特殊绝热、保温材料和隔音性能很好的高分子隔音材料，并采用了多层密封技术进行处理，把所需要保护的全光纤干涉环密封在最里面一层，由里往一层一层地密封封装各种绝热保温材料和隔音、防辐射材料，从而极大地减小置于最里面的光纤干涉环因外部环境变化所受到的影响，达到了一个高稳定被动相位补偿水平。而同时，实验数据也表明，采用本发明被动相位补偿结构的全光纤干涉仪的稳定性相比于现有技术获得了很大的提高。

附图说明

图1 本发明的全光纤干涉仪被动相位补偿结构立体图；

图2 图1的截面剖视图；

图3 为本发明的全光纤干涉仪被动相位补偿结构的测试图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1和图2所示为本发明的全光纤干涉仪被动相位补偿结构示意图，为了方便制作，为长方体形状，具体结构包括内部开设有环形凹槽的发泡橡塑绝热材料体10，环形凹槽内容纳有光纤干涉环11。环形凹槽做的比光纤干涉环稍大，环形凹槽的内径小于光纤干涉环的内径，外径大于光纤干涉环的外径。光纤干涉环11的内径是9cm，外径是9.2cm，即光纤干涉环的径向宽度为0.1cm。环形凹槽的内径是8cm，外径是10cm。发泡橡塑绝热材料体10为长方体，其尺寸依据光纤干涉环来定，以能够完全容纳光纤干涉环为标准。本实施例中，为了更大限度的节约材料，将光纤干涉环11的环面对应的发泡橡塑绝热材料体10的面设计为正方形，本实施例中发泡橡塑绝热材料体10尺寸为12.6cm*12.6cm*2.6cm。在发泡橡塑绝热材料体10外依次包裹有内层铝箔纸层9、第一复合型陶瓷绝热涂料层8、第一DOK聚酯玻璃介质板层7、特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料层6、第二DOK聚酯玻璃介质板层5、第二复合型陶瓷绝热涂料层4、绝热保温材料层3、发泡橡塑绝热材料层2和外层铝箔纸层1。

全光纤干涉仪上用于连接至外部信号输入输出的两根光纤A、B从各层材料穿出，其中一根是信号入口，一根是信号出口。

各层厚度如下：

内层铝箔纸层9和外层铝箔纸层1厚度为0.05cm，采用的是高性能防热辐射铝箔纸材料，具有光反射率高、不透气、不透水、密封性能好、热反射率高等特点，光反射率和热反射率均高达90%以上；

第一复合型陶瓷绝热涂料层8和第二复合型陶瓷绝热涂料层4厚度为0.3cm，采用的是导热系数≤0.054W/（m·K）的性能优异的复合型陶瓷绝热涂料。

第一DOK聚酯玻璃介质板层7和第二DOK聚酯玻璃介质板层5的厚度为0.4cm，该层采用的DOK聚酯玻璃介质板材料能够隔绝高达90%的红外线，耐光、耐水、耐湿、耐高温。

绝热保温材料层3厚度为1cm，所采用材料是二氧化硅气凝胶，在所有固体材料中热导率最低，轻质，透明，导热系数在0.013～0.025 W/(m·K)范围内 。

发泡橡塑绝热材料层2厚度为1cm，该层以及发泡橡塑绝热材料体10具有非常低的导热系数，导热系数λ≤0.034W/(m·K)，同时具有高的湿阻因子μ≥10000。

对于不同臂长的干涉仪，不同臂之间的臂长差与干涉仪的稳定性是成反比的，即在其它条件相同的情况下，臂长差越大，稳定性就越差。如果以单位臂长差相位漂移速度来衡量干涉环的稳定性，目前国内外的被动相位补偿技术，一般能做到的稳定性水平是：单位臂长差相位漂移速度的均值为0.2rad/min左右。而如图3中单位长度臂长差相位变化测试图所示，本实施例的被动相位补偿结构，单位长度臂长差相位漂移速度的均值为 0.06 rad/min，比较稳定时单位长度臂长差相位漂移速度能达到0.01 rad/min左右。由此可见，相比于现有技术本发明大大提高了全光纤干涉仪的稳定性。

上述的全光纤干涉仪被动相位补偿结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤一，将全光纤干涉仪绕制成环状的光纤干涉环11，并引出用于连接外部信号输入输出的两根光纤A、B；

步骤二，制作发泡橡塑绝热材料体10，并在其内部开设与步骤一中的光纤干涉环形状和相匹配的环形凹槽，并将光纤干涉环置于该环形凹槽中，环形凹槽与光纤干涉环之间的空隙中填充二氧化硅气凝胶；

步骤三，在所述发泡橡塑绝热材料体10外包裹上内层铝箔纸层；

步骤四，在第一DOK聚酯玻璃介质板层7和第二DOK聚酯玻璃介质板层5相对表面上涂覆特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料层6，并在第一DOK聚酯玻璃介质板层7和第二DOK聚酯玻璃介质板层5另一表面各涂覆上第一复合型陶瓷绝热涂料层8和第二复合型陶瓷绝热涂料层4，形成复合材料层，将该复合材料层制成第一盒体，该第一盒体内空腔的形状和大小与步骤三中所形成的结构相匹配，将步骤三中的结构置于该第一盒体的空腔内；

步骤五，利用发泡橡塑绝热材料层2制成第二盒体，第二盒体内的空腔与步骤四中的第一盒体外形匹配，空腔体积大于第一盒体；

步骤六，将第一盒体置于第二盒体的空腔内，并在第一盒体和第二盒体空隙内填充满二氧化硅气凝胶形成绝热保温材料层3；

步骤七，在第二盒体外包裹外层铝箔纸层1。

步骤二中开设环形凹槽和安放光纤干涉环的具体方法为：

（2.1）把发泡橡塑材料切割成上述尺寸的长方体形状的发泡橡塑绝热材料体10；

（2.2）把发泡橡塑绝热材料体10以高度的2/3处为准切割成两半；

（2.3）把所切割出来厚度为2/3这块以中心为准，挖一个内径为8cm、外径为10cm、深度为本块厚度的一半（第一步切出来长方体厚度的1/3）的环形凹槽；上述尺寸可根据光纤干涉环11的尺寸进行调整，只要能够提供足够的用于容纳光纤干涉环的空间即可。

（2.4）把光纤干涉环放进环形凹槽，再填充满二氧化硅气凝胶；

（2.5）用与发泡橡塑材料配用的“黑金刚保温胶水”把刚切割为两半的这两层粘贴在一起成为原来的长方体结构。

步骤四中制作第一盒体的具体步骤为：

（4.1）在两块DOK聚酯玻璃介质板（即第一DOK聚酯玻璃介质板层7和第二DOK聚酯玻璃介质板层5）相对面涂上特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料层6，同样的方法制作六个面，然后用聚酯玻璃胶水粘合起来做成一个长方体盒子，留出一个面先不用聚酯玻璃胶水粘合，留着做盖子。

（4.2）用复合型陶瓷绝热涂料涂在以上制作的长方体的各个面的内表面和外表面，在内表面形成第一复合型陶瓷绝热涂料层8，外表面形成第二复合型陶瓷绝热涂料层4，制作成第一盒体。该第一盒体实质起到很好的隔音保温作用，可以称之为“隔音保温盒”。

（4.3）把步骤三的所得的结构放进“隔音保温盒”，盖上盖子后用“聚酯玻璃胶水”粘合密封好。

由于噪声对光纤干涉仪的影响很大，所以要做隔音处理，步骤四中的特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料隔声量高达42dB，完全满足了隔音需求。DOK聚酯玻璃介质板起到密封、绝热、结构支撑的作用，并且能让特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料和复合型陶瓷绝热涂料涂覆在其表面并形成非常牢固的粘合效果，不易脱落。

步骤五中是利用发泡橡塑绝热材料和与之配用的黑金刚保温胶水制作长方体形状的第二盒体，同样预留一面不粘合作为盖子。

步骤六中将第一盒体置于第二盒体中时，为了更好的制成和定位第二盒体，也可以在第一盒体和第二盒体的空隙中填充小块的发泡橡胶材料。以使得第一盒***于第二盒体的正中央。待填充二氧化硅气凝胶完毕之后，盖上步骤五中预留的第一盒体的盖子，并用黑金刚保温胶水粘合密封好。

实施例2

本实施例与实施例1类似，区别仅在于，各层材料的尺寸不同：

光纤干涉环11的内径是14cm，外径的14.4cm，即光纤干涉环的径向宽度为0.2cm。环形凹槽的内径是13cm，外径是15cm；

内层铝箔纸层9和外层铝箔纸层1厚度为0.03cm；

第一复合型陶瓷绝热涂料层8和第二复合型陶瓷绝热涂料层4厚度为0.2cm;

第一DOK聚酯玻璃介质板层7和第二DOK聚酯玻璃介质板层5的厚度为0.3cm；

绝热保温材料层3厚度为0.5cm；

发泡橡塑绝热材料层2厚度为0.5cm。

实施例3

本实施例与实施例1类似，区别仅在于，各层材料的尺寸不同：

光纤干涉环11的内径是19cm，外径的20cm，即光纤干涉环的径向宽度为0.5cm。环形凹槽的内径是18cm，外径是21cm；

内层铝箔纸层9和外层铝箔纸层1厚度为0.04cm；

第一复合型陶瓷绝热涂料层8和第二复合型陶瓷绝热涂料层4厚度为0.4cm;

第一DOK聚酯玻璃介质板层7和第二DOK聚酯玻璃介质板层5的厚度为0.35cm；

绝热保温材料层3厚度为2cm；

发泡橡塑绝热材料层2厚度为0.9cm。

实施例4

本实施例与实施例3类似，区别仅在于，所述光纤干涉环11的内径是19.8cm，而外径依然是20cm，即光纤干涉环的径向宽度为0.1cm。

Claims (10)

1.一种全光纤干涉仪被动相位补偿结构，其特征在于，包括内部开设有环形凹槽的发泡橡塑绝热材料体（10），所述环形凹槽内容纳有由全光纤干涉仪绕制成的光纤干涉环（11），所述发泡橡塑绝热材料体（10）外依次包裹有内层铝箔纸层（9）、第一复合型陶瓷绝热涂料层（8）、第一DOK聚酯玻璃介质板层（7）、特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料层（6）、第二DOK聚酯玻璃介质板层（5）、第二复合型陶瓷绝热涂料层（4）、绝热保温材料层（3）、发泡橡塑绝热材料层（2）和外层铝箔纸层（1），所述全光纤干涉仪上用于连接至外部信号输入输出的光纤（A、B）从各层材料穿出。

2.根据权利要求1所述的全光纤干涉仪被动相位补偿结构，其特征在于，所述光纤干涉环的内径≥9cm，外径≤20cm，所述光纤干涉环的径向宽度范围0.1-0.5cm；所述环形凹槽的内径小于光纤干涉环的内径，外径大于光纤干涉环的外径。

3.根据权利要求1所述的全光纤干涉仪被动相位补偿结构，其特征在于，发泡橡塑绝热材料层（2）厚度范围是0.5-1cm；所述发泡橡塑绝热材料体（10）和发泡橡塑绝热材料层（2）的湿阻因子μ≥10000，导热系数λ≤0.034W/(m·K)。

4.根据权利要求1所述的全光纤干涉仪被动相位补偿结构，其特征在于，所述第一复合型陶瓷绝热涂料层（8）和第二复合型陶瓷绝热涂料层（4）的厚度范围是0.2-0.4cm，导热系数≤0.054 W/(m·K)。

5.根据权利要求1所述的全光纤干涉仪被动相位补偿结构，其特征在于，所述第一DOK聚酯玻璃介质板层（7）和第二DOK聚酯玻璃介质板层（5）的厚度范围是0.3-0.4cm。

6.根据权利要求1所述的全光纤干涉仪被动相位补偿结构，其特征在于，内层铝箔纸层（9）和外层铝箔纸层（1）的厚度范围是0.03-0.05cm，光反射率和热反射率均大于90%。

7.根据权利要求1所述的全光纤干涉仪被动相位补偿结构，其特征在于，所述绝热保温材料层（3）的材料为二氧化硅气凝胶，导热系数为0.013-0.025 W/(m·K)，厚度范围是0.5-2cm。

8.根据权利要求1所述的全光纤干涉仪被动相位补偿结构，其特征在于，所述发泡橡塑绝热材料体（10）形状为长方体、柱体或球体，所述环形凹槽与光纤干涉环之间的空隙填充有二氧化硅气凝胶。

9.一种如权利要求1-8任一所述的全光纤干涉仪被动相位补偿结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将全光纤干涉仪绕制成环状的光纤干涉环，并引出用于连接外部信号输入输出的光纤（A、B）；

步骤二，制作发泡橡塑绝热材料体（10），并在其内部开设与步骤一中的光纤干涉环形状和相匹配的环形凹槽，并将光纤干涉环置于该环形凹槽中；

步骤三，在所述发泡橡塑绝热材料体（10）外包裹上内层铝箔纸层；

步骤四，在第一DOK聚酯玻璃介质板层（7）和第二DOK聚酯玻璃介质板层（5）相对表面上涂覆特殊聚氨酯高分子吸音隔热材料层（6），并在第一DOK聚酯玻璃介质板层（7）和第二DOK聚酯玻璃介质板层（5）另一表面各涂覆上第一复合型陶瓷绝热涂料层（8）和第二复合型陶瓷绝热涂料层（4），形成复合材料层，将该复合材料层制成第一盒体，该第一盒体内空腔的形状和大小与步骤三中所形成的结构相匹配，将步骤三中的结构置于该第一盒体的空腔内；

步骤五，利用发泡橡塑绝热材料层（2）制成第二盒体，第二盒体内的空腔与步骤四中的第一盒体外形匹配，空腔体积大于第一盒体；

步骤六，将第一盒体置于第二盒体的空腔内，并在第一盒体和第二盒体空隙内填充满二氧化硅气凝胶形成绝热保温材料层（3）；

步骤七：在第二盒体外包裹外层铝箔纸层（1）。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述步骤二中，环形凹槽与光纤干涉环之间的空隙填充满二氧化硅气凝胶。

Images