CN106969845B - 光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法及装置 - Google Patents

光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法及装置。检测方法如下：基于全光纤马赫曾德干涉仪的光路***，在光纤端面放置反射镜使参考光与测试光返回光纤中，将参考臂光纤固定在压电陶瓷微位移器即PZT上；改变PZT电源输出电压从而拉伸光纤以改变光纤长度，使参考光与测试光返回到光电探测器中，通过示波器显示出来；使用移相法计算相位差小数部分，使用小数重合法计算出相位差整数部分，最终得到光程差。所述检测装置基于全光纤马赫曾德干涉仪，包括激光器、第一、第二光纤耦合器、光纤阵列、第一、第二反射镜、光电探测器、示波器和压电陶瓷微位移器。本发明能够准确、快速、有效地对光纤阵列点源发生器光程差进行检测。

Description

光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法及装置
技术领域
本发明涉及光干涉计量技术领域，特别是一种光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法及装置。
背景技术
光纤阵列由于通过光纤传像，具有能够柔性传像、重量轻、使用空间自由度大等优点，被广泛应用于光通信、医学、军事等领域，并且，随着通信、军用等领域对光纤阵列光束数量需求越来越多，二维光纤阵列的研制迫在眉睫，同时，对于光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测也变得尤其重要。对于光纤阵列点源发生器中，每个点源经过的光纤长度是不一样的，这会导致每个点源发出的球面波之间都存在固有初始相位差，这样会对之后的处理造成很大的误差，因此要对光纤阵列型点源发生器进行光程差检测。
常见的全光纤马赫曾德干涉仪中，一条光路上通过相位调制器对其进行温度、电流的调制，改变光纤的长度、折射率等，干涉仪的光程差即发生改变，干涉条纹也发生改变，通过解算干涉条纹的变化量，可以获得所需要测量的物理量和几何量。但是这种方法需要光路路径较长，造成的***误差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速、准确的光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法及装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法，包括如下步骤：
步骤1，基于全光纤马赫曾德干涉仪的光路***，在光纤端面放置反射镜使参考光与测试光返回光纤中，将参考臂光纤固定在压电陶瓷微位移器即PZT上；
步骤2，改变PZT电源输出电压从而拉伸光纤以改变光纤长度，使参考光与测试光返回到光电探测器中，通过示波器显示出来；
步骤3，使用移相法计算相位差小数部分，使用小数重合法计算出相位差整数部分，最终得到光程差。
一种光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测装置，该装置基于全光纤马赫曾德干涉仪，包括激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光纤阵列、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器、示波器和压电陶瓷微位移器；
所述激光器产生的光经光纤传输到第一光纤耦合器，分成光强相等的两束光：一束为参考光，沿着参考臂的光纤传输，在光纤端面放置第二反射镜使参考光返回光纤中，将参考臂光纤固定在压电陶瓷微位移器上；另一束光为测试光，测试光通过第二光纤耦合器连接到光纤阵列，再由第一反射镜反射回来；参考光与测试光返回到光电探测器中，通过示波器显示出来。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)结构简单，使用平面反射镜将测试光与参考光同时反射回***中，使其进行干涉，减少了了因光路过长、器件过多导致的误差；(2)通用性强，可以针对不同的光路***，相应的在测试臂进行改变即可，不需要重新设计光路。
附图说明
图1为本发明光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明对光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法，该方法基于全光纤马赫曾德干涉仪的光路***，在光纤端面放置反射镜使参考光与测试光返回光纤中，将参考臂光纤固定在压电陶瓷微位移器(PZT)上，改变PZT电源输出电压从而拉伸光纤，改变光纤长度，使参考光与测试光返回到光电探测器中，通过示波器显示出来，最后使用移相法计算相位差小数部分，使用小数重合法计算出相位差整数部分，最终得到光程差。该方法具有准确、快速、有效等优点。
本发明光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法，包括如下步骤：
步骤1，基于全光纤马赫曾德干涉仪的光路***，在光纤端面放置反射镜使参考光与测试光返回光纤中，将参考臂光纤固定在压电陶瓷微位移器即PZT上；
步骤2，改变PZT电源输出电压从而拉伸光纤以改变光纤长度，使参考光与测试光返回到光电探测器中，通过示波器显示出来；
步骤3，使用移相法计算相位差小数部分，使用小数重合法计算出相位差整数部分，最终得到光程差。
2、根据权利要求1所述的光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法，其特征在于，步骤3所述使用小数重合法计算出相位差整数部分，其中小数重合法是指干涉条纹小数部分重合法，使用多个不同波长的激光器进行实验，建立多个方程计算得到整数部分，具体如下：
在干涉光路中，相位差Δφ与光程差δ的关系表达式为：
其中，λ表示波长，m表示条纹级数；
在全光纤马赫曾德干涉***中，分别使用波长为λ1，λ2和λ3的激光器作为光源，当选择波长λ1的激光器经过光纤传输，相位差为Δφ1，得到的光程差δ1为：
激光器波长λ2，相位差为Δφ2，对应的整个***的光程差δ2为：
激光器波长λ3，相位差为Δφ3，对应的整个***的光程差δ3为：
其中m1，m2和m3为相位差的周期的整数倍，δ1、δ2、δ3分别为波长λ1，λ2和λ3对应的光程差；由于选择不同的波长，对应的光纤的折射率分别为n1,n2和n3，光在***传输的过程中由干涉仪两臂差L带来的光程差为：
δ1＝n1L (5)
δ2＝n2L (6)
δ3＝n3L (7)
结合式(2)、(3)、(4)得：
假设马赫曾德光纤干涉仪信号臂与参考臂两臂的长度差的初测值L及精度误差为，引入了关于折射率的系数Aij，即
这样得到：
将马赫曾德光纤干涉仪的臂长差L代入式(12)、(13)、(14)，得到以下方程式：
L＝Ln1-A12(Ln1-Ln2) (15)
L＝Ln2-A23(Ln2-Ln3) (16)
L＝Ln1-A13(Ln1-Ln3) (17)
根据式(15)结合式(8)、(9)得：
由式(16)得：
联立式(9)、(10)、(18)得：
从而计算出m3为：
由相位与光程差公式得到m1和m2分别为：
所以m1和m2的取值范围分别为：
将式(24)、(25)所有的取值组合都代入式(21)，使满足m3的残余误差最小，即使R(m1,m2)＝|m3(m1,m2)-m3INT(m1,m2)|最小，这样得到m1、m2和m3即为所求值，其中，INTm3(m1,m2)指的是四舍五入取整。
结合图1，本发明光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测装置，该装置基于全光纤马赫曾德干涉仪，包括激光器1、第一光纤耦合器4、第二光纤耦合器9、光纤阵列2、第一反射镜3、第二反射镜8、光电探测器5、示波器6和压电陶瓷微位移器7；
所述激光器1产生的光经光纤传输到第一光纤耦合器4，分成光强相等的两束光：一束为参考光，沿着参考臂的光纤传输，在光纤端面放置第二反射镜8使参考光返回光纤中，将参考臂光纤固定在压电陶瓷微位移器7上；另一束光为测试光，测试光通过第二光纤耦合器9连接到光纤阵列2，再由第一反射镜3反射回来；参考光与测试光返回到光电探测器5中，通过示波器6显示出来。所述压电陶瓷微位移器7用于改变参考光纤的长度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
结合图1，对光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测装置包括激光器6、光纤、光纤耦合器9、光纤阵列7、反射镜8、光电探测器10、示波器11和压电陶瓷微位移器PZT12。
检测步骤为：激光器6产生的光经光纤传输到光纤耦合器9，分成光强相等的两束光，一束为参考光，一束光连接到光纤阵列7作为测试光，再由反射镜8反射回来，使参考光与测试光返回到光电探测器10中，通过示波器11显示出来。
通过更换不同的激光器得6到不同波长的光，改变在参考臂上的压电陶瓷微位移器PZT12电源输出电压以改变光纤长度。这样得到在不同波长时，PZT每一步移相后的输出电压值，通过移相法计算相位差小数部分，使用小数重合法计算出相位差整数部分，最终得到光程差。
对光纤阵列型点源发生器的光程差检测方法结果为表1所示。
表1光纤阵列型点源发生器各光束相对于中间光束的光程差(单位：λ)
综上，本发明结构简单，使用平面反射镜将测试光与参考光同时反射回***中，使其进行干涉，减少了了因光路过长、器件过多导致的误差；通用性强，可以针对不同的光路***，相应的在测试臂进行改变即可，不需要重新设计光路。

Claims (4)

1.一种光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，基于全光纤迈克尔逊干涉仪的光路***，在光纤端面放置反射镜使参考光与测试光返回光纤中，将参考臂光纤固定在压电陶瓷微位移器即PZT上；
步骤2，改变PZT电源输出电压从而拉伸光纤以改变光纤长度，使参考光与测试光返回到光电探测器中，通过示波器显示出来；
步骤3，使用移相法计算相位差小数部分，使用小数重合法计算出相位差整数部分，最终得到光程差。
2.根据权利要求1所述的光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测方法，其特征在于，步骤3所述使用小数重合法计算出相位差整数部分，其中小数重合法是指干涉条纹小数部分重合法，使用多个不同波长的激光器进行实验，建立多个方程计算得到整数部分，具体如下：
在干涉光路中，相位差Δφ与光程差δ的关系表达式为：
其中，λ表示波长，m表示条纹级数；
在全光纤迈克尔逊干涉***中，分别使用波长为λ1，λ2和λ3的激光器作为光源，当选择波长λ1的激光器经过光纤传输，相位差为Δφ1，得到的光程差δ1为：
激光器波长λ2，相位差为Δφ2，对应的整个***的光程差δ2为：
激光器波长λ3，相位差为Δφ3，对应的整个***的光程差δ3为：
其中m1，m2和m3为相位差的周期的整数倍，δ1、δ2、δ3分别为波长λ1，λ2和λ3对应的光程差；由于选择不同的波长，对应的光纤的折射率分别为n1,n2和n3，光在***传输的过程中由干涉仪两臂差L带来的光程差为：
δ1＝n1L (5)
δ2＝n2L (6)
δ3＝n3L (7)
结合式(2)、(3)、(4)得：
假设迈克尔逊光纤干涉仪信号臂与参考臂两臂的长度差的初测值L及精度误差为L±ΔL，引入了关于折射率的系数Aij，即
这样得到：
将迈克尔逊光纤干涉仪的臂长差L代入式(12)、(13)、(14)，得到以下方程式：
L＝Ln1-A12(Ln1-Ln2) (15)
L＝Ln2-A23(Ln2-Ln3) (16)
L＝Ln1-A13(Ln1-Ln3) (17)
根据式(15)结合式(8)、(9)得：
由式(16)得：
联立式(9)、(10)、(18)得：
从而计算出m3为：
由相位与光程差公式得到m1和m2分别为：
所以m1和m2的取值范围分别为：
将式(24)、(25)所有的取值组合都代入式(21)，使满足m3的残余误差最小，即使R(m1,m2)＝|m3(m1,m2)-m3INT(m1,m2)|最小，这样得到m1、m2和m3即为所求值，其中，m3INT(m1,m2)指的是四舍五入取整。
3.一种光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测装置，其特征在于，该装置基于全光纤迈克尔逊干涉仪，包括激光器(1)、第一光纤耦合器(4)、第二光纤耦合器(9)、光纤阵列(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(8)、光电探测器(5)、示波器(6)和压电陶瓷微位移器(7)；
所述激光器(1)产生的光经光纤传输到第一光纤耦合器(4)，分成光强相等的两束光：一束为参考光，沿着参考臂的光纤传输，在光纤端面放置第二反射镜(8)使参考光返回光纤中，将参考臂光纤固定在压电陶瓷微位移器(7)上；另一束光为测试光，测试光通过第二光纤耦合器(9)连接到光纤阵列(2)，再由第一反射镜(3)反射回来；参考光与测试光返回到光电探测器(5)中，通过示波器(6)显示出来。
4.根据权利要求3所述的光纤阵列型点源发生器各光束光程差的检测装置，其特征在于，所述压电陶瓷微位移器(7)用于改变参考光纤的长度。
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