CN113487946A - 全光纤准连续多光束干涉演示实验*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤准连续多光束干涉演示实验***，利用可调谐半导体激光器、光纤环形器、啁啾光纤光栅、压电陶瓷等光电器件，在波长域中等价的展示出多光束干涉的现象，拓展了多光束干涉演示实验的技术方法与手段。本发明中所述的演示***使得实验者可在波长域中观察、分析多光束干涉光谱信号。与传统多光束干涉实验装置相比，所述***使得实验者从琐碎且与理解多光束干涉现象关联不大的光路调节工作中脱离出来，进一步加深了其对多光束干涉物理本质的认识与理解；并且***集成度高、易携带，便于在理论课堂上开展多光束干涉现象的演示，应用场景广泛。

Description

全光纤准连续多光束干涉演示实验***

技术领域

本发明涉及物理演示实验仪器技术领域，尤其涉及全光纤准连续多光束干涉演示实验***。

背景技术

当前，传统的多光束干涉演示实验大多基于牛顿环或迈克尔逊干涉仪来开展。这种实验方法可以将光束因为干涉而导致光强在空间重新分布的现象展现出来。然而，一方面，在通过牛顿环与迈克尔逊干涉仪进行多光束干涉的实验中，实验者往往需要经过繁杂的光路调节才能看到多光束干涉现象，使得实验者在实验过程中不得不将较多的精力投入到光路调节中，淡化了对多光束干涉现象进行观察、思考的主题。另一方面，基于牛顿环或迈克尔逊干涉仪的多光束干涉实验呈现的是光强在空间域的分布情况，而同一空间位置，不同波长的光强分布(即光强在波长域上的分布)却无法体现。此外，所述传统实验***复杂且不易集成、便携，难以适用于理论课堂上的现场演示与分析。

综上技术背景所述，当前尚缺乏简洁、便携、高效并且可以在波长域上直观体现多光束干涉现象的演示实验***。

发明内容

为了弥补上述现有技术手段的不足，本发明提出了全光纤准连续多光束干涉演示实验***方案，从而实现简洁、便携、高效并且可以在波长域上直观体现多光束干涉现象的实验目的。

为实现上述目的，本发明提供了全光纤准连续多光束干涉演示实验***，包括可调谐半导体激光器、激光器驱动温控电路***、2×2光纤分束器、光纤环形器、光开关、啁啾光纤光栅、压电陶瓷片、光纤盘线盒、压电陶瓷驱动电路、光电探测器、前置放大电路***、A/D转换电路***、微控制器以及干涉图样显示模块；

所述可调谐半导体激光器与2×2光纤分束器的其中一路输入端通过光纤连接，2×2光纤分束器的一路输出端与光电探测器通过光纤连接，另一路输出端与光纤环形器的输入端通过光纤连接，光纤环形器输出端口b与2×2光纤分束器的另一路输入端口通过光纤连接，光纤环形器输出端口a与相邻的第1列1行啁啾光纤光栅通过光纤连接；

第1啁啾光纤光栅与邻近的第1光开关输入端通过光纤连接，第1光开关具有两路输出端，分别记为x和y，其中y输出端与图1中第1列第1个光纤盘线盒11的其中一端通过光纤连接，光纤盘线盒11另一端通过光纤与图1中第1列第1个啁啾光纤光栅11的其中一端连接，啁啾光纤光栅11的另一端通过光纤与图1中第1列第2个光纤盘线盒12的一端连接，光纤盘线盒12的另一端与图1中第1列第2个啁啾光纤光栅12连接，以上连接结构依次重复，直到第一光纤盘线盒m的另一端通过光纤与啁啾光纤光栅m相连接；

第1光开关的x输出端与第1光纤盘线盒的一端通过光纤连接，第1光纤盘线盒的另一端通过光纤与第2啁啾光纤光栅连接，第2啁啾光纤光栅通过光纤与第2光开关的输入端连接，第2光开关同样具有两路输出端x和y，其中y输出端与图1中第2列第1个光纤盘线盒21的其中一端通过光纤连接，然后，光纤盘线盒21、图1中第2列第1个啁啾光纤光栅21、图1中第2列第2个光纤盘线盒22、图1中第2列第2个啁啾光纤光栅22、……、光纤盘线盒2m以及啁啾光纤光栅2m按照类似前述第1光开关输出支路y的连接方式通过光纤依次连接；

第2光开关的x输出端与第2光纤盘线盒的一端通过光纤连接，第2光纤盘线盒的另一端通过光纤与第3啁啾光纤光栅相连接，此后，各个光纤器件的连接方式与前述类似，直到第n啁啾光纤光栅与第n光开关的输入端通过光纤相连接，第n光开关的y输出端与图1中第n列第1个光纤盘线盒n1通过光纤连接，然后，光纤盘线盒n1、图1中第n列第1个啁啾光纤光栅n1、图1中第n列第2个光纤盘线盒n2、图1中第2列第2个啁啾光纤光栅n2、……、光纤盘线盒nm以及啁啾光纤光栅nm同样按照类似前述第一光开关输出支路y的连接方式通过光纤依次连接，第n光开关的x输出端与第n光纤盘线盒的一端通过光纤连接，最终，第n光纤盘线盒的另一端与第n+1啁啾光纤光栅通过光纤连接。

优选的，所述啁啾光纤光栅均为全反射光纤光栅，并全部胶封在压电陶瓷片上，第一光纤盘线盒、第二光纤盘线盒、……、第n光纤盘线盒中光纤长度均为L，其余光纤盘线盒中光纤的长度均为l，例如光纤盘线盒11、光纤盘线盒12、……、光纤盘线盒1m中的光纤长度都为l，并且光纤盘线盒中光纤的长度满足如下关系：

L＝(m+1)l (1)

优选的，所述光开关与光开关控制电路通过导线电连接，搭载第1列1行啁啾光纤光栅的压电陶瓷片、搭载第2列1行的压电陶瓷片、……、搭载第n啁啾光纤光栅的压电陶瓷片以及搭载第n+1啁啾光纤光栅的压电陶瓷片分别与压电陶瓷驱动电路1通过导线电连接，其余搭载其余啁啾光纤光栅的压电陶瓷片全部通过导线分别与压电陶瓷驱动电路2电连接。

优选的，所述光电探测器与前置放大电路通过导线电连接，前置放大电路通过导线与A/D转换电路通过导线电连接，所述前置放大电路、A/D转换电路以及干涉图样显示模块分别与微控制器通过导线电连接。

优选的，所述啁啾光纤光栅全反射波段完全覆盖激光器波长扫描的波段，并且激光器波长扫描波段位于啁啾光纤光栅全反射波段短波边缘附近。

优选的，所述光纤光栅胶封在压电陶瓷片上，通过电控压电陶瓷的形变实现对光纤光栅反射特征波长的调谐。

本发明的有益效果是：

1.传统的多光束干涉演示实验***所展示出的是空间域上的干涉条纹图样。而本发明所述的演示实验***将多光束干涉导致的空间域光强的重新分布等价的转化为波长域上光信号强度的分布，可以直接在波长域上展示多光束干涉现象，丰富了多光束干涉这一物理光学现象的实验演示手段；

2.本发明所述的演示实验***操作简单，多光束干涉现象显著，与传统演示实验***相比，所述***使得实验者从琐碎且与理解多光束干涉现象关联不大的光路调节工作中脱离出来，可以更加专注于对多光束干涉现象的观察；

3.本发明所述演示实验***使得实验者可以根据自身实验需求灵活、便捷的改变多光束干涉光程差以及波长域上的多光束干涉图样，更加方便于实验者对多光束干涉物理过程的分析，有助于实验者进一步加深对多光束干涉的物理本质的认识与理解；

4.本发明所述演示实验***使用啁啾光纤光栅胶封在压电陶瓷片上的结构设计，并且令可调谐半导体激光器波长扫描范围处于啁啾光纤光栅反射波段的边缘，使得啁啾光纤光栅同时具有光束反射以及光路开关的双重功能，进一步配合光开关器件，构成了多光束干涉光程差大范围内可准连续调节的全光纤光路***，***实验参数动态范围广且连续性好；

5.本发明所述演示实验***主要以可调谐半导体激光器、啁啾光纤光栅、压电陶瓷片等小型光电器件构成，***具有稳定性高、功耗低、寿命长以及易于维护等优点。而且所有器件可以高度集成于一块光电板卡之上，体积小、质量轻且便携，可以广泛应用于各种理论与实验教学场景。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为全光纤准连续多光束干涉演示实验***。

图2为可调谐半导体激光器驱动电流锯齿波信号与可调谐半导体激光器输出光束波长扫描信号示意图。

图3为压电陶瓷片未发生形变时可调谐半导体激光器波长扫描波段与啁啾光纤光栅全反射波段的相对位置关系图。

图4为压电陶瓷片发生形变时可调谐半导体激光器波长扫描波段与啁啾光纤光栅全反射波段的相对位置关系图。

图5为改变激光器锯齿扫描电流信号的幅值从而更改激光器波长扫描范围大小的示意图。

图6为本发明所述多光束干涉演示实验***所呈现的多光束干涉数字信号图样，其中横坐标表示采样点，纵坐标表示在相应采样点处的干涉信号强度值。

具体实施方式

本发明所提出的全光纤准连续多光束干涉演示实验***如图1所示，主要由可调谐半导体激光器、激光器驱动温控电路***、2×2光纤分束器、光纤环形器、光开关、啁啾光纤光栅、压电陶瓷片、光纤盘线盒、压电陶瓷驱动电路、光电探测器、前置放大电路***、A/D转换电路***、微控制器以及干涉图样显示模块构成。

可调谐半导体激光器与2×2光纤分束器的其中一路输入端通过光纤连接。2×2光纤分束器的一路输出端与光电探测器通过光纤连接，另一路输出端与光纤环形器的输入端通过光纤连接。光纤环形器输出端口b与2×2光纤分束器的另一路输入端口通过光纤连接。光纤环形器输出端口a与相邻的第1啁啾光纤光栅通过光纤连接。

第1啁啾光纤光栅与邻近的第1光开关输入端通过光纤连接。第1光开关具有两路输出端，分别记为x和y，其中y输出端与图1中第1列第1个光纤盘线盒11的其中一端通过光纤连接，盘线盒11另一端通过光纤与图1中第1列第1个啁啾光纤光栅11的其中一端连接。啁啾光纤光栅11的另一端通过光纤与图1中第1列第2个光纤盘线盒12的一端连接。光纤盘线盒12的另一端与图1中第1列第2个啁啾光纤光栅12连接。以上连接结构依次重复，直到光纤盘线盒1m的另一端通过光纤与啁啾光纤光栅1m相连接。第1光开关的x输出端与第1光纤盘线盒的一端通过光纤连接。第1光纤盘线盒的另一端通过光纤与第2啁啾光纤光栅连接。第2啁啾光纤光栅通过光纤与第2光开关的输入端连接。第2光开关同样具有两路输出端x和y，其中y输出端与图1中第2列第1个光纤盘线盒21的其中一端通过光纤连接。然后，光纤盘线盒21、第2列第1个啁啾光纤光栅21、第2列第2个光纤盘线盒22、第2列第2个啁啾光纤光栅22、……、光纤盘线盒2m以及啁啾光纤光栅2m按照类似前述光开关1输出支路y的连接方式通过光纤依次连接。第2光开关的x输出端与第2光纤盘线盒的一端通过光纤连接。第2光纤盘线盒的另一端通过光纤与第3啁啾光纤光栅相连接。此后，各个光纤器件的连接方式与前述类似，直到第n啁啾光纤光栅与第n光开关的输入端通过光纤相连接，光开关n的y输出端与图1中第n列第1个光纤盘线盒n1通过光纤连接。然后，光纤盘线盒n1、图1中第n列第1个啁啾光纤光栅n1、图1中第n列第2个光纤盘线盒n2、图1中第n列第2个啁啾光纤光栅n2、……、光纤盘线盒nm以及啁啾光纤光栅nm同样按照类似前述光开关1输出支路y的连接方式通过光纤依次连接。第n光开关的x输出端与第n光纤盘线盒的一端通过光纤连接。最终，第n光纤盘线盒的另一端与第n+1啁啾光纤光栅通过光纤连接。

上述所有啁啾光纤光栅均为全反射光栅，并全部胶封在压电陶瓷片上，如图1右下角所示。第1光纤盘线盒、第2光纤盘线盒、……、第n光纤盘线盒中光纤长度均为L。其余光纤盘线盒中光纤的长度均为l，例如光纤盘线盒11、光纤盘线盒12、……、光纤盘线盒1m中的光纤长度都为l。并且光纤盘线盒中光纤的长度满足如下关系：

L＝(m+1)l (1)

上述所有光开关与光开关控制电路通过导线电连接。与搭载第1啁啾光纤光栅的压电陶瓷片、搭载第2啁啾光纤光栅的压电陶瓷片、……、搭载第n啁啾光纤光栅的压电陶瓷片以及搭载第n+1啁啾光纤光栅的压电陶瓷片分别与压电陶瓷驱动电路1通过导线电连接。其余搭载其余啁啾光纤光栅的压电陶瓷片全部通过导线分别与压电陶瓷驱动电路2电连接。

光电探测器与前置放大电路通过导线电连接，前置放大电路通过导线与A/D转换电路通过导线电连接。前置放大电路、A/D转换电路以及干涉图样显示模块分别与微控制器通过导线电连接。

在锯齿波电流的驱动下，可调谐半导体激光器周期性的输出波长由短及长的波长扫描光束，如图2所示。由于光传输速度远远大于半导体激光器输出光束波长扫描的速度，可以近似认为任意时刻激光器输出特定波长的光束都将在瞬间通过***在此刻的相应光路，并产生光电信号。

可调谐半导体激光器波长扫描波段与啁啾光纤光栅全反射波段的相对位置关系如图3和图4所示。图3为压电陶瓷片未发生形变时可调谐半导体激光器波长扫描波段与啁啾光纤光栅全反射波段的相对位置关系图。此时，啁啾光纤光栅的反射特征波段可以完全覆盖可调谐半导体激光器波长扫描波段，并且使得可调谐半导体激光器波长扫描波段位于啁啾光纤光栅的反射特征波段边缘。图4为压电陶瓷片发生形变时可调谐半导体激光器波长扫描波段与啁啾光纤光栅全反射波段的相对位置关系图。此时，啁啾光纤光栅的反射特征波段与可调谐半导体激光器波长扫描波段不再重合。

啁啾光纤光栅全反射波段可以完全覆盖激光器波长扫描的波段，并且激光器波长扫描波段位于啁啾光纤光栅全反射波段短波边缘附近。当压电陶瓷驱动电路控制压电陶瓷片发生形变时，胶封在压电陶瓷片上的啁啾光纤光栅随之发生压缩或拉伸，其全反射波段也将随之发生漂移。如果压电陶瓷片形变足够大，啁啾光纤光栅的全反射波段将发生较大的漂移，不再覆盖激光器波长扫描的波段，即此时，啁啾光纤光栅的全反射波段与激光器波长扫描的波段不再有重叠。

在锯齿波电流的驱动下，可调谐半导体激光器输出激光。在某一极短时间内，可以认为激光器输出光束波长保持不变。光束从激光器尾纤输出并通过2×2光纤分束器的一路输入端输入。输入光束经过2×2光纤分束器按一定比例分成两束。其中一束I₀沿光纤传输至光电探测器并照射到其光敏面上。另一束I′₀传输进入光纤环形器，从其输出端口a输出并传输至第1啁啾光纤光栅。当第1啁啾光纤光栅的全反射波段可以完全覆盖激光器输出光束扫描波段时，入射光束被反射回到光纤环形器并从光纤环形器的输出端口b输出。由于光纤环形器的输出端口b与2×2光纤分束器的另一路输入端口相连接，输出的光束将再次进入2×2光纤分束器并按照相同的比例分成两束。其中一束I₁沿光纤传输至光电探测器并照射到其光敏面上。另一束I′₁传输进入光纤环形器。所述的光束I′₁将重复光束I′₀的传输路径，回到2×2光纤分束器并产生一束I₂照射到光电探测器的光敏面上。上述过程重复进行，将在光电探测器的光敏面上依次产生光束I₀、I₁、I₂、……I_i、……。所述光束彼此光程相差NL₀,则各光束相位相差2πNL₀，即

其中N为光纤材料的光学折射率。

由于所述光束彼此间具有固定的位相差，光束I₀、I₁、I₂、……I_i、……将在光电探测器的光敏面处产生多光束干涉。随着激光器驱动电流强度由小到大变化，激光器输出光束波长将随之由短到长扫描。对于某些波长，光程差NL₀是其半波长的偶数倍，根据多光束干涉理论，在这些波长的光束将在光电探测器光敏面处干涉相长；对于某些波长，光程差NL₀是其半波长的奇数倍，根据多光束干涉理论，在这些波长的光束将在光电探测器光敏面处干涉相消。不同波长的多光束都会在相应的时刻使得光电探测器响应出光电流。随着激光器输出光束波长的扫描，光电探测器响应的光电流将随之上下波动，从而在波长域上反映出多光束干涉现象。干涉信号的强度随着波长的变化高低起伏波动，所述干涉信号中，在某一波长λ附近，两个相邻信号强度极大值(或两个相邻强度极小值)所对应的波长之间的间隔Δλ与干涉光程差NL₀满足关系

光电探测器响应出的光电流经过前置放大电路跨阻放大后转换为模拟电压信号，并进一步被A/D转换电路转换为数字信号后发送给微控制器。微控制器进一步将数据发送给干涉图样显示模块，对波长域上的多光束干涉图样进行显示。

当压电陶瓷驱动电路1控制搭载第1啁啾光纤光栅的压电陶瓷片发生形变时，压电陶瓷片将随之使得胶封在其上的第1啁啾光纤光栅发生形变，从而使得其反射波段发生漂移，并与激光器波长扫描波段不再重合。此时，第1啁啾光纤光栅对于激光器出射光束不再有反射作用，光束经通过第1啁啾光纤光栅达到第1光开关。第1光开关分别具有x输出端和y输出端。在光开关控制电路的控制下，如果选择y输出端打开，x输出端关闭，则光束将从第1光开关的y输出端输出并通过光纤盘线盒11内长达l的距离后，到达啁啾光纤光栅11，并被反射。此后，在光电探测器光敏面上形成多光束干涉的过程与上述类似，多光束干涉的光程差变为N(L₀+l)。如果在搭载第1啁啾光纤光栅的压电陶瓷片保持形变的基础上，压电陶瓷驱动电路2控制搭载啁啾光纤光栅11的压电陶瓷片发生形变，使得啁啾光纤光栅11发生形变，从而使得其反射波段发生漂移，并与激光器波长扫描波段不再重合。此时，啁啾光纤光栅11对于激光器出射光束不再有反射作用，光束通过啁啾光纤光栅11，通过光纤盘线盒12内长达l的距离后，到达啁啾光纤光栅12，并被反射。此后，在光电探测器光敏面上形成多光束干涉的过程与上述类似，多光束干涉的光程差变为N(L₀+2l)。类似的，如果压电陶瓷驱动电路2使得搭载啁啾光纤光栅11的压电陶瓷片、搭载啁啾光纤光栅12的压电陶瓷片、……、搭载啁啾光纤光栅1(m-1)的压电陶瓷片依次发生形变，啁啾光纤11、啁啾光纤光栅12、……、啁啾光纤光栅1(m-1)的全反射波段将依次与激光器扫描波段发生分离，多光束干涉的光程差可以依次变为N(L₀+2l)、N(L₀+3l)、……、N(L₀+ml)。如果第1光开关的y输出端口关闭，x输出端口打开，则光束从第1光开关的x输出端口输出，通过第1光纤盘线盒内长达L的距离后到达第2啁啾光纤光栅并被反射。此后，在光电探测器光敏面上形成多光束干涉的过程与上述类似，根据公式(1),多光束干涉的光程差变为N[L₀+(m+1)l]。

如果搭载第1啁啾光纤光栅的压电陶瓷片保持形变，第1光开关保持y输出端关闭，x输出端打开，压电陶瓷驱动电路1使得搭载第2啁啾光纤光栅的压电陶瓷片发生形变，压电陶瓷片将随之使得胶封在其上的第2啁啾光纤光栅发生形变，从而使得其反射波段发生漂移，并与激光器波长扫描波段不再重合。此时，第2啁啾光纤光栅对于激光器出射光束不再有反射作用，光束通过第2啁啾光纤光栅到达第2光开关。第2光开关同样分别具有x输出端和y输出端。在光开关控制电路的控制下，如果选择y输出端打开，x输出端关闭，则光束传输过程类似于第1光开关的y输出端打开，x输出端关闭时光束的传输过程，当搭载啁啾光纤光栅21的压电陶瓷片未发生形变时，多光束干涉的光程差为N[L₀+(m+2)l]，如果压电陶瓷驱动电路2使得搭载啁啾光纤光栅21的压电陶瓷片、搭载啁啾光纤光栅22的压电陶瓷片、……、搭载啁啾光纤光栅2(m-1)的压电陶瓷片依次发生形变，啁啾光纤21、啁啾光纤光栅22、……、啁啾光纤光栅2(m-1)的全反射波段将依次与激光器扫描波段发生分离，多光束干涉的光程差可以依次变为N[L₀+(m+3)l]、N[L₀+(m+4)l]、……、N[L₀+(2m+1)l]。如果第2光开关的y输出端口关闭，x输出端口打开，则光束传输过程类似于第1光开关的y输出端关闭，x输出端打开时光束的传输过程，多光束干涉的光程差变为N[L₀+2(m+1)l]。

类似于上述过程，如果保持搭载第1啁啾光纤光栅的压电陶片、搭载第2啁啾光纤光栅的压电陶瓷片、……、搭载第n啁啾光纤光栅的压电陶瓷片的形变，使得第1啁啾光纤光栅、第2啁啾光纤光栅、……、第n啁啾光纤光栅的全反射波段与激光器波长扫描波段分离，同时使得第1光开关、第2光开关、……、第n-1光开关的x输出端打开，y输出端关闭，则光束将依次通过第1啁啾光纤光栅、第2啁啾光纤光栅、……、第n啁啾光纤光栅以及第1光开关、第2光开关、……、第n-1光开关从而到达第n光开关。如果第n光开关的x输出端关闭，y输出端打开，则光束传输过程类似于第1光开关的y输出端打开，x输出端关闭时光束的传输过程，当搭载啁啾光纤光栅n1的压电陶瓷片未发生形变时，多光束干涉的光程差为N[L₀+(n-1)(m+1)l+l]，如果压电陶瓷驱动电路2使得搭载啁啾光纤光栅n1的压电陶瓷片、搭载啁啾光纤光栅n2的压电陶瓷片、……、搭载啁啾光纤光栅n(m-1)的压电陶瓷片依次发生形变，啁啾光纤n1、啁啾光纤光栅n2、……、啁啾光纤光栅n(m-1)的全反射波段将依次与激光器扫描波段发生分离，多光束干涉的光程差可以依次变为N[L₀+(n-1)(m+1)l+2l]、N[L₀+(n-1)(m+1)l+3l]、……、N[L₀+(n-1)(m+1)l+ml]。如果第n光开关n的y输出端口关闭，x输出端口打开，则光束传输过程类似于第1光开关的y输出端关闭，x输出端打开时光束的传输过程，多光束干涉的光程差变为N[L₀+n(m+1)l]。

所述的多光束演示实验***多光束干涉光程差可以从NL₀调整到N[L₀+n(m+1)l]。***改变多光束干涉光程差的步长为Nl，由于Nl远小于多光束干涉光程差的调节范围，因此在多光束干涉光程差调节范围内，***多光束干涉光程差的调节可以认为是准连续的。

所述多光束演示实验***可以内置相关上位机软件，使得实验者通过所述上位机软件与***交互，可以根据实验需要更改***的多光束干涉光程差。当多光束干涉光程差增大时，波长域上干涉图样中相邻两极大值之间的间距将减小。当所述间距过小时，***A/D采样电路将无法分辨，影响实验者对波长域上多光束干涉图样的观察。实验者可以通过上位机软件改变激光器锯齿扫描电流信号的幅值，从而更改激光器波长扫描范围的大小，如图5所示。

综上所述***设计方案，实验者可以根据实际实验需求，灵活的在大范围内准连续的调节多光束干涉光程差，并且可以通过改变激光器波长扫描范围的大小调整波长域上的多光束干涉图样，从而在波长域中对多光束干涉信号进行深入观察和分析，进一步加深对多光束干涉物理本质的认识与理解。

基于以上所述***方案，搭建了一套全光纤准连续多光束干涉演示***样机，样机可以获取显著的多光束干涉图样，如图6所示。图6中干涉光强随着激光器输出波长的变化周期性起伏变化，形成波长域上的干涉条纹。

以下结合具体实施方式说明本发明原理：

***开始操作实施时，实验者接通***电源并启动。在微控制器的控制下激光器驱动温控电路***持续向可调谐半导体激光器注入周期性的锯齿波形驱动电流，使得可调谐半导体激光器持续输出波长由短及长的波长扫描光束。

默认情况下，压电陶瓷驱动电路1与压电陶瓷驱动电路2并未驱动相应的压电陶瓷片发生形变。从而胶封在压电陶瓷片上的啁啾光纤光栅未发生形变，其反射波段未发生漂移，完全覆盖可调谐半导体激光器波长扫描波段且使得所述扫描波段位于自身反射波段的短波边缘附近。光束从激光器尾纤输出并通过2×2光纤分束器的一路输入端输入。输入光束经过2×2光纤分束器按一定比例分成两束。其中一束I₀沿光纤传输至光电探测器并照射到其光敏面上。另一束I′₀传输进入光纤环形器，从其输出端口a输出并传输至啁啾光纤光栅1。当啁啾光纤光栅1的全反射波段可以完全覆盖激光器输出光束扫描波段时，入射光束被反射回到光纤环形器并从光纤环形器的输出端口b输出。由于光纤环形器的输出端口b与2×2光纤分束器的另一路输入端口相连接，输出的光束将再次进入2×2光纤分束器并按照相同的比例分成两束。其中一束I₁沿光纤传输至光电探测器并照射到其光敏面上。另一束I′₁传输进入光纤环形器。所述的光束I′₁将重复光束I′₀的传输路径，回到2×2光纤分束器并产生一束I₂照射到光电探测器的光敏面上。上述过程重复进行，将在光电探测器的光敏面上依次产生光束I₀、I₁、I₂、……I_i、……。所述光束彼此光程相差NL₀,则各光束相位相差2πNL₀。由于所述光束彼此间具有固定的位相差，将在光电探测器的光敏面处产生多光束干涉。随着激光器驱动电流强度由小到大变化，激光器输出光束波长将随之由短到长扫描。对于某些波长，光程差NL₀是其半波长的偶数倍，在这些波长的光束将在光电探测器光敏面处干涉相长；对于某些波长，光程差NL₀是其半波长的奇数倍，在这些波长的光束将在光电探测器光敏面处干涉相消。不同波长的多光束都会在相应的时刻使得光电探测器响应出光电流。随着激光器输出光束波长的扫描，光电探测器响应的光电流将随之上下波动，从而在波长域上反映出多光束干涉现象。前置放大电路将光电流跨阻放大为电压信号，经过A/D转换电路采集转换为数字信号后发送给微控制器，微控制器进一步将其发送给干涉图样显示模块，显示光程差为NL₀的波长域多光束干涉图样。

如果实验者希望得到光程差为N[L₀+i(m+1)l]的多光束干涉图样，***将第1光开关、第2光开关、……、第i光开关的x输出端打开，关闭它们的y输出端口，控制搭载第1啁啾光纤光栅压电陶瓷片、搭载第2啁啾光纤光栅压电陶瓷片、……、搭载第i啁啾光纤光栅压电陶瓷片发生形变，使得胶封在它们上面的啁啾光纤光栅随之发生形变，从而使得相应啁啾光纤光栅的反射波段与可调谐半导体激光器波长扫描波段发生分离。光束依次通过第1啁啾光纤光栅、第1光开关、第1光纤盘线盒、第2啁啾光纤光栅、第2光开关、第2光纤盘线盒、……、第i啁啾光纤光栅、第i光开关i、第i光纤盘线盒之后到达第i+1啁啾光纤光栅并被反射。此后，在光电探测器光敏面上形成多光束干涉的过程与上述类似。由于每一光束都经过第1光纤盘线盒、第2光纤盘线盒、……、第i光纤盘线盒，使得多光束干涉的光程差变为N[L₀+i(m+1)l]。随着激光器输出光束波长的扫描，光电探测器响应的光电流将随之上下波动，从而在波长域上反映出多光束干涉现象。前置放大电路将光电流跨阻放大为电压信号，经过A/D转换电路采集转换为数字信号后发送给微控制器，微控制器进一步将其发送给干涉图样显示模块，显示光程差为N[L₀+i(m+1)l]的波长域多光束干涉图样。

如果实验者希望得到光程差为N[L₀+i(m+1)l+jl]的多光束干涉图样，其中1≤j≤m，***将第1光开关、第2光开关、……、第i光开关的x输出端打开，关闭它们的y输出端口，关闭光开关i+1的x输出端口，打开它的y输出端口；控制搭载第1啁啾光纤光栅的压电陶瓷片、搭载第2啁啾光纤光栅的压电陶瓷片、……、搭载第i啁啾光纤光栅的压电陶瓷片、搭载第i+1啁啾光纤光栅的压电陶瓷片发生形变，使得胶封在它们上面的啁啾光纤光栅随之发生形变，从而使得相应啁啾光纤光栅的反射波段与可调谐半导体激光器波长扫描波段发生分离；从搭载啁啾光纤光栅(i+1)1的压电陶瓷片开始，控制搭载啁啾光纤光栅(i+1)1的压电陶瓷片、搭载啁啾光纤光栅(i+1)2的压电陶瓷片、……、搭载啁啾光纤光栅(i+1)(j-1)的压电陶瓷片发生形变(其中当j＝1时说明搭载啁啾光纤光栅(i+1)1的压电陶瓷片及之后的压电陶瓷片均未发生形变)，使得胶封在它们上面的啁啾光纤光栅随之发生形变，从而使得相应啁啾光纤光栅的反射波段与可调谐半导体激光器波长扫描波段发生分离。光束依次通过第1啁啾光纤光栅、第1光开关、第1光纤盘线盒、第2啁啾光纤光栅、第2光开关、第2光纤盘线盒、……、第i啁啾光纤光栅、第i光开关、第i光纤盘线盒、第i+1啁啾光纤光栅后到达光开关i+1，并从其y输出端口出射。然后，光束继续通过光纤盘线盒(i+1)1、啁啾光纤光栅(i+1)1、光纤盘线盒(i+1)2、啁啾光纤光栅(i+1)2、……、光纤盘线盒(i+1)j后到达啁啾光纤光栅(i+1)j并被反射。此后，在光电探测器光敏面上形成多光束干涉的过程与上述类似。由于每一光束都经过第1光纤盘线盒、第2光纤盘线盒、……、第i光纤盘线盒以及光纤盘线盒(i+1)1、光纤盘线盒(i+1)2、……、光纤盘线盒(i+1)j，使得多光束干涉的光程差变为N[L₀+i(m+1)l+jl]。随着激光器输出光束波长的扫描，光电探测器响应的光电流将随之上下波动，从而在波长域上反映出多光束干涉现象。前置放大电路将光电流跨阻放大为电压信号，经过A/D转换电路采集转换为数字信号后发送给微控制器，微控制器进一步将其发送给干涉图样显示模块，显示光程差为N[L₀+i(m+1)l+jl]的波长域多光束干涉图样。

实验操作者通过***配套的上位机软件根据实验需求设置相应的干涉光程差，可设置光程差的最小间隔为Nl，实现准连续调节。实验者可以灵活设置激光器波长扫描波段的宽度，从而保证波长域上多光束干涉图样的分辨率。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.全光纤准连续多光束干涉演示实验***，其特征在于，包括可调谐半导体激光器、激光器驱动温控电路***、2×2光纤分束器、光纤环形器、光开关、啁啾光纤光栅、压电陶瓷片、光纤盘线盒、压电陶瓷驱动电路、光电探测器、前置放大电路***、A/D转换电路***、微控制器以及干涉图样显示模块；

所述啁啾光纤光栅包括第1列1行啁啾光纤光栅、第1列2行啁啾光纤光栅、第1列3行啁啾光纤光栅至第n列m行啁啾光纤光栅,所述光纤盘线盒包括第1列1行光纤盘线盒、第1列2行光纤盘线盒、第1列3行光纤盘线盒至第n列m行光纤盘线盒；其中，n、m均为整数，且n≥2、m≥4；所述可调谐半导体激光器与2×2光纤分束器的其中一路输入端通过光纤连接，所述2×2光纤分束器的一路输出端与光电探测器通过光纤连接，其另一路输出端与光纤环形器的输入端通过光纤连接；所述光纤环形器的输出端口b与2×2光纤分束器的另一路输入端口通过光纤连接，所述光纤环形器的输出端口a与相邻的第1列1行啁啾光纤光栅通过光纤连接；

所述第1列1行啁啾光纤光栅与邻近的第一光开关输入端通过光纤连接，第一光开关具有第一光开关x输出端和第一光开关y输出端，所述第一光开关y输出端与第一光纤盘线盒的其中一端通过光纤连接，第一光纤盘线盒另一端通过光纤与第1列1行啁啾光纤光栅的其中一端连接，第1列1行啁啾光纤光栅的另一端通过光纤与第二光纤盘线盒的一端连接，第二光纤盘线盒的另一端与第2列1行连接，以上连接结构依次重复，直到第1列m行光纤盘线盒的另一端通过光纤与第1列m行啁啾光纤光栅相连接；

第一光开关x输出端与第一光纤盘线盒的一端通过光纤连接，第一光纤盘线盒的另一端通过光纤与第2列1行连接，第2列1行通过光纤与第二光开关的输入端连接；

第二光开关同样具有第二光开关x输出端和第二光开关y输出端，所述第二光开关y输出端与第三光纤盘线盒的其中一端通过光纤连接，第三光纤盘线盒、第3列1行啁啾光纤光栅、第四光纤盘线盒、第4列1行啁啾光纤光栅、……、光纤盘线盒2m以及啁啾光纤光栅2m按照类似前述第一光开关输出支路y的连接方式通过光纤依次连接；

第二光开关x输出端与第二光纤盘线盒的一端通过光纤连接，第二光纤盘线盒的另一端通过光纤与第3列1行啁啾光纤光栅相连接，此后，各个光纤器件的连接方式与前述类似，直到啁啾光纤光栅n与光开关n的输入端通过光纤相连接，光开关n的y输出端与光纤盘线盒n1通过光纤连接，然后，光纤盘线盒n1、啁啾光纤光栅n1、光纤盘线盒n2、啁啾光纤光栅n2、……、光纤盘线盒nm以及啁啾光纤光栅nm同样按照类似前述第一光开关输出支路y的连接方式通过光纤依次连接，光开关n的x输出端与光纤盘线盒n的一端通过光纤连接，最终，光纤盘线盒n的另一端与啁啾光纤光栅n+1通过光纤连接。

2.如权利要求1所述的全光纤准连续多光束干涉演示实验***，其特征在于：所述啁啾光纤光栅均为全反射光栅，并全部胶封在压电陶瓷片上，第一光纤盘线盒、第二光纤盘线盒、……、光纤盘线盒n中光纤长度均为L，其余光纤盘线盒中光纤的长度均为l，设第一光纤盘线盒、第二光纤盘线盒、……、光纤盘线盒1m中的光纤长度都为l，并且光纤盘线盒中光纤的长度满足如下关系：

L＝(m+1)l (1)。

3.如权利要求1所述的全光纤准连续多光束干涉演示实验***，其特征在于：所述光开关与光开关控制电路通过导线电连接，与搭载第1列1行啁啾光纤光栅的压电陶瓷片、第二搭载啁啾光纤光栅的压电陶瓷片、……、搭载啁啾光纤光栅n的压电陶瓷片以及搭载啁啾光纤光栅n+1的压电陶瓷片分别与第一压电陶瓷驱动电路通过导线电连接，其余搭载其余啁啾光纤光栅的压电陶瓷片全部通过导线分别与第二压电陶瓷驱动电路电连接。

4.如权利要求1所述的全光纤准连续多光束干涉演示实验***，其特征在于：所述光电探测器与前置放大电路通过导线电连接，前置放大电路通过导线与A/D转换电路通过导线电连接，所述前置放大电路、A/D转换电路以及干涉图样显示模块分别与微控制器通过导线电连接。

5.如权利要求1所述的全光纤准连续多光束干涉演示实验***，其特征在于：所述啁啾光纤光栅的全反射波段完全覆盖激光器波长扫描的波段，并且激光器波长扫描波段位于啁啾光纤光栅全反射波段短波边缘附近。

6.如权利要求1所述的全光纤准连续多光束干涉演示实验***，其特征在于：所述啁啾光纤光栅胶封在压电陶瓷片上，通过电控压电陶瓷的形变实现对光纤光栅反射特征波长的调谐。

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