光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測方法及裝置與流程
2023-10-19 21:58:17 2
本發明涉及光幹涉計量技術領域，特別是一種光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測方法及裝置。
背景技術：
光纖陣列由於通過光纖傳像，具有能夠柔性傳像、重量輕、使用空間自由度大等優點，被廣泛應用於光通信、醫學、軍事等領域，並且，隨著通信、軍用等領域對光纖陣列光束數量需求越來越多，二維光纖陣列的研製迫在眉睫，同時，對於光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測也變得尤其重要。對於光纖陣列點源發生器中，每個點源經過的光纖長度是不一樣的，這會導致每個點源發出的球面波之間都存在固有初始相位差，這樣會對之後的處理造成很大的誤差，因此要對光纖陣列型點源發生器進行光程差檢測。
常見的全光纖馬赫曾德幹涉儀中，一條光路上通過相位調製器對其進行溫度、電流的調製，改變光纖的長度、折射率等，幹涉儀的光程差即發生改變，幹涉條紋也發生改變，通過解算幹涉條紋的變化量，可以獲得所需要測量的物理量和幾何量。但是這種方法需要光路路徑較長，造成的系統誤差較大。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種快速、準確的光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測方法及裝置。
實現本發明目的的技術解決方案為：一種光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測方法，包括如下步驟：
步驟1，基於全光纖馬赫曾德幹涉儀的光路系統，在光纖端面放置反射鏡使參考光與測試光返回光纖中，將參考臂光纖固定在壓電陶瓷微位移器即pzt上；
步驟2，改變pzt電源輸出電壓從而拉伸光纖以改變光纖長度，使參考光與測試光返回到光電探測器中，通過示波器顯示出來；
步驟3，使用移相法計算相位差小數部分，使用小數重合法計算出相位差整數部分，最終得到光程差。
一種光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測裝置，該裝置基於全光纖馬赫曾德幹涉儀，包括雷射器、第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、光纖陣列、第一反射鏡、第二反射鏡、光電探測器、示波器和壓電陶瓷微位移器；
所述雷射器產生的光經光纖傳輸到第一光纖耦合器，分成光強相等的兩束光：一束為參考光，沿著參考臂的光纖傳輸，在光纖端面放置第二反射鏡使參考光返回光纖中，將參考臂光纖固定在壓電陶瓷微位移器上；另一束光為測試光，測試光通過第二光纖耦合器連接到光纖陣列，再由第一反射鏡反射回來；參考光與測試光返回到光電探測器中，通過示波器顯示出來。
本發明與現有技術相比，其顯著優點為：(1)結構簡單，使用平面反射鏡將測試光與參考光同時反射回系統中，使其進行幹涉，減少了了因光路過長、器件過多導致的誤差；(2)通用性強，可以針對不同的光路系統，相應的在測試臂進行改變即可，不需要重新設計光路。
附圖說明
圖1為本發明光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測裝置的結構示意圖。
具體實施方式
本發明對光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測方法，該方法基於全光纖馬赫曾德幹涉儀的光路系統，在光纖端面放置反射鏡使參考光與測試光返回光纖中，將參考臂光纖固定在壓電陶瓷微位移器(pzt)上，改變pzt電源輸出電壓從而拉伸光纖，改變光纖長度，使參考光與測試光返回到光電探測器中，通過示波器顯示出來，最後使用移相法計算相位差小數部分，使用小數重合法計算出相位差整數部分，最終得到光程差。該方法具有準確、快速、有效等優點。
本發明光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測方法，包括如下步驟：
步驟1，基於全光纖馬赫曾德幹涉儀的光路系統，在光纖端面放置反射鏡使參考光與測試光返回光纖中，將參考臂光纖固定在壓電陶瓷微位移器即pzt上；
步驟2，改變pzt電源輸出電壓從而拉伸光纖以改變光纖長度，使參考光與測試光返回到光電探測器中，通過示波器顯示出來；
步驟3，使用移相法計算相位差小數部分，使用小數重合法計算出相位差整數部分，最終得到光程差。
2、根據權利要求1所述的光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測方法，其特徵在於，步驟3所述使用小數重合法計算出相位差整數部分，其中小數重合法是指幹涉條紋小數部分重合法，使用多個不同波長的雷射器進行實驗，建立多個方程計算得到整數部分，具體如下：
在幹涉光路中，相位差δφ與光程差δ的關係表達式為：
其中，λ表示波長，m表示條紋級數；
在全光纖馬赫曾德幹涉系統中，分別使用波長為λ1，λ2和λ3的雷射器作為光源，當選擇波長λ1的雷射器經過光纖傳輸，相位差為δφ1，得到的光程差δ1為：
雷射器波長λ2，相位差為δφ2，對應的整個系統的光程差δ2為：
雷射器波長λ3，相位差為δφ3，對應的整個系統的光程差δ3為：
其中m1，m2和m3為相位差的周期的整數倍，δ1、δ2、δ3分別為波長λ1，λ2和λ3對應的光程差；由於選擇不同的波長，對應的光纖的折射率分別為n1,n2和n3，光在系統傳輸的過程中由幹涉儀兩臂差l帶來的光程差為：
δ1＝n1l(5)
δ2＝n2l(6)
δ3＝n3l(7)
結合式(2)、(3)、(4)得：
假設馬赫曾德光纖幹涉儀信號臂與參考臂兩臂的長度差的初測值l及精度誤差為，引入了關於折射率的係數aij，即
這樣得到：
將馬赫曾德光纖幹涉儀的臂長差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)
根據式(15)結合式(8)、(9)得：
由式(16)得：
聯立式(9)、(10)、(18)得：
從而計算出m3為：
由相位與光程差公式得到m1和m2分別為：
所以m1和m2的取值範圍分別為：
將式(24)、(25)所有的取值組合都代入式(21)，使滿足m3的殘餘誤差最小，即使r(m1,m2)＝|m3(m1,m2)-m3int(m1,m2)|最小，這樣得到m1、m2和m3即為所求值，其中，intm3(m1,m2)指的是四捨五入取整。
結合圖1，本發明光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測裝置，該裝置基於全光纖馬赫曾德幹涉儀，包括雷射器1、第一光纖耦合器4、第二光纖耦合器9、光纖陣列2、第一反射鏡3、第二反射鏡8、光電探測器5、示波器6和壓電陶瓷微位移器7；
所述雷射器1產生的光經光纖傳輸到第一光纖耦合器4，分成光強相等的兩束光：一束為參考光，沿著參考臂的光纖傳輸，在光纖端面放置第二反射鏡8使參考光返回光纖中，將參考臂光纖固定在壓電陶瓷微位移器7上；另一束光為測試光，測試光通過第二光纖耦合器9連接到光纖陣列2，再由第一反射鏡3反射回來；參考光與測試光返回到光電探測器5中，通過示波器6顯示出來。所述壓電陶瓷微位移器7用於改變參考光纖的長度。
下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。
實施例1
結合圖1，對光纖陣列型點源發生器各光束光程差的檢測裝置包括雷射器6、光纖、光纖耦合器9、光纖陣列7、反射鏡8、光電探測器10、示波器11和壓電陶瓷微位移器pzt12。
檢測步驟為：雷射器6產生的光經光纖傳輸到光纖耦合器9，分成光強相等的兩束光，一束為參考光，一束光連接到光纖陣列7作為測試光，再由反射鏡8反射回來，使參考光與測試光返回到光電探測器10中，通過示波器11顯示出來。
通過更換不同的雷射器得6到不同波長的光，改變在參考臂上的壓電陶瓷微位移器pzt12電源輸出電壓以改變光纖長度。這樣得到在不同波長時，pzt每一步移相後的輸出電壓值，通過移相法計算相位差小數部分，使用小數重合法計算出相位差整數部分，最終得到光程差。
對光纖陣列型點源發生器的光程差檢測方法結果為表1所示。
表1光纖陣列型點源發生器各光束相對於中間光束的光程差(單位：λ)
綜上，本發明結構簡單，使用平面反射鏡將測試光與參考光同時反射回系統中，使其進行幹涉，減少了了因光路過長、器件過多導致的誤差；通用性強，可以針對不同的光路系統，相應的在測試臂進行改變即可，不需要重新設計光路。