一种全光纤频域干涉仪

摘要

本发明提供了一种全光纤频域干涉仪，所述的干涉仪含有光纤跳线、宽带脉冲激光器、环行器、啁啾光纤光栅、光纤隔离器、光纤分束器、光纤合束器、光纤衰减器、光纤延迟器、光纤输出准直镜头和光谱仪。所有光纤器件通过光纤跳线连接，连接关系为环行器三端分别连接宽带脉冲激光器、啁啾光纤光栅和光纤隔离器；光纤分束器四端分别连接光纤隔离器另一端、光纤合束器、光纤衰减器和光纤输出准直镜头；光纤合束器另两端分别连接光纤延迟器和光谱仪。本发明的全光纤频域干涉仪具有无接触式、高时间分辨连续测试的特点，且整体结构简单、体积小、易于调试、稳定性好。本发明的全光纤频域干涉仪的特点表明其将可以用作高时间分辨的速度测试系统。

权利要求

1.一种全光纤频域干涉仪，其特征在于，所述的干涉仪含有的光纤元器件有宽带脉冲激光器、环行器、啁啾光纤光栅、光纤隔离器、光纤分束器、光纤合束器、光纤衰减器、光纤延迟器、光纤输出准直镜头和光谱仪；其连接关系是，所述的光纤元器件均通过光纤跳线连接，所述的宽带脉冲激光器（1）连接环行器（2）的一个端口，环行器（2）的另外两个端口分别连接啁啾光纤光栅（3）、光纤隔离器（4）的输入端口；所述光纤隔离器（4）的输出端连接光纤分束器（5），光纤分束器（5）的剩余三个端口分别连接光纤输出准直镜头（6）、光纤衰减器（7）的输入端口以及光纤合束器（9）的输入端口；光纤衰减器（7）的输出端连接光纤延迟器（8）的一个端口，光纤延迟器（8）的另一端口与光纤合束器（9）的第二个输入端口连接，光纤合束器（9）的输出端连接光谱仪（10）。

2.根据权利要求1所述的全光纤频域干涉仪，其特征在于：所述宽带脉冲激光器为超连续脉冲激光器。

3.根据权利要求1所述的全光纤频域干涉仪，其特征在于：所述光纤衰减器的衰减倍数连续可调。

4.根据权利要求1所述的全光纤频域干涉仪，其特征在于：所述光纤延迟器的延迟时间连续可调。

说明书

一种全光纤频域干涉仪

技术领域

[0001] 本发明属于超快光学测试技术，具体涉及一种全光纤频域干涉仪。

背景技术

[0002] 研究材料在强冲击波作用下的动力学响应特性是物理学的前沿课题之一。当冲击波在材料中传播时，获得波后粒子速度对于推导材料的应力-应变状态是十分有利的。目前，粒子速度的测量通常采用自由面速度法，即通过测量样品自由面的速度来反推粒子速度，常用的诊断设备有任意反射面的速度干涉仪（VISAR）和频域干涉仪，其中，后者相对前者具有更高的时间分辨能力，可以达到亚皮秒量级，是超快激光驱动冲击波的主要测试方法之一。

[0003] 频域干涉仪的工作原理是，一束宽带激光脉冲通过不等臂迈克尔逊干涉仪产生具有一定延迟时间差的两束脉冲，其中一束作为探测脉冲，经历待测样品，发生与样品有关的相位变化，另一束则作为参考脉冲使用；两束激光脉冲最后通过合束实现共轴传输，并先后进入光谱仪记录系统，在其中形成和记录频谱干涉条纹；从频谱干涉条纹中提取与样品有关的探测脉冲的相位变化信息，并转化为相应的物理量，从而可得待测样品信息，实现样品的无接触式光学测量。如果宽带激光脉冲是一种线性啁啾脉冲（即脉冲频率随时间线性变化），所得样品信息将是一定时间范围内的历史演化过程，这对于超快激光驱动冲击波的实验研究具有重要意义。传统频域干涉仪系统由分立光学元件构成，其典型特点是体积大，结构复杂，不易调试，稳定性欠佳。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种全光纤频域干涉仪。本发明的一种全光纤频域干涉仪，整个系统均为光纤系统，它用价格低廉的光纤代替了昂贵的精密光学元器件，成本低，结构简单紧凑，重量轻，易于调试，稳定性好，可以应用在冲击波物理实验当中，用来对样品自由面速度历史进行单发测量。

[0005] 本发明的一种全光纤频域干涉仪，含有：

[0006] 光纤跳线、宽带脉冲激光器、环行器、啁啾光纤光栅、光纤隔离器、光纤分束器、光纤合束器、光纤衰减器、光纤延迟器、光纤输出准直镜头和光谱仪。

[0007] 所有光纤元器件通过光纤跳线连接，连接关系为宽带脉冲激光器连接环行器的一个端口，环行器的另外两个端口分别连接啁啾光纤光栅和光纤隔离器的输入端口；光纤隔离器的输出端连接光纤分束器，光纤分束器的剩余三个端口分别连接光纤输出准直镜头、光纤衰减器以及光纤合束器的输入端口；光纤衰减器的输出端连接光纤延迟器的一个端口，光纤延迟器的另一端连接光纤合束器的第二个输入端口，光纤合束器的输出端连接光谱仪。

[0008] 所述光纤跳线的光纤芯径为10 μm。

[0009] 所述光纤元器件带有尾纤，所述尾纤通过法兰盘或熔接的方式与光纤跳线连接。

[0010] 所述光纤元器件和光纤跳线的工作中心波长为1064 nm，工作带宽大于40 nm。

[0011] 所述宽带脉冲激光器为超连续脉冲激光器，激光器可以实现单脉冲输出。

[0012] 所述环行器为三端环行器，第一个端口连接宽带脉冲激光器，第二个端口连接啁啾光纤光栅，第三个端口连接光纤隔离器。

[0013] 所述啁啾光纤光栅将宽带激光脉冲展宽为线性啁啾脉冲，啁啾光纤光栅的啁啾量为-10 nm/ps；所述线性啁啾脉冲将不同时刻的待测信号编码到不同的光谱上，然后通过一定形式的色散记录和数据处理，在单发实验内实现待测信号的超快时间分辨连续测试。

[0014] 所述光纤隔离器使激光单向通过，阻止激光反方向通过，从而起到保护激光器的作用。

[0015] 所述光纤分束器为2×2光纤分束器，分束比为1：1，且可以反向使用。

[0016] 所述光纤合束器为2×1光纤合束器。

[0017] 所述光纤衰减器的衰减倍数连续可调，从而控制光纤合束器的两个输入光束之间的相对强度，以获得对比度较好的频谱干涉条纹。

[0018] 所述光纤延迟器产生的延迟时间连续可调，通过设置一定的延迟时间，使光纤合束器的两个输入光束之间的延迟时间差等于2～3 ps，从而获得条纹间距适当的频谱干涉条纹。

[0019] 所述光纤衰减器和光纤延迟器的位置可以互换。

[0020] 所述光纤输出准直镜头使光纤输入的激光准直输出，且光斑直径更大。

[0021] 所述光谱仪记录的数据为频谱干涉条纹，干涉条纹方向平行于光谱轴。

[0022] 本发明的目的是这样实现的，宽带脉冲激光器输出的宽带脉冲从环行器的第一个端口输入环行器，从环行器的第二个端口出来后进入啁啾光纤光栅，啁啾光纤光栅将宽带激光脉冲展宽为线性啁啾脉冲（即脉冲频率随时间线性变化），线性啁啾脉冲再返回环行器，然后从环行器的第三个端口出来并进入光纤隔离器；线性啁啾脉冲通过光纤隔离器后，进入光纤分束器，被其等分为两部分，分别用作探测光和参考光；探测光通过光纤进入光纤输出准直镜头，输出的准直光束垂直照明被测样品表面，其反射光被准直镜头收集后返回光纤，然后再次进入光纤分束器，其中约一半的光束通过光纤进入光纤合束器的一个输入端口，当样品表面因样品被冲击而运动时，探测光的相位将发生相应变化；对于光纤分束器输出的参考光，其依次通过一个光纤衰减器和一个光纤延迟器后，进入光纤合束器的另一个输入端口；探测光和参考光以一定的延迟时间差从光纤合束器的输出端口先后输出，然后通过光纤进入光谱仪，由光谱仪记录产生的频谱干涉条纹；通过对频谱干涉条纹进行解谱，可得样品表面在一定时间范围内（相当于线性啁啾脉冲脉宽）的速度变化历史。

[0023] 本发明的全光纤频域干涉仪，与传统频域干涉仪系统相比，具有结构简单，体积小，重量轻，易于调试，稳定性好的优点。

附图说明

[0024] 图1 为本发明实施例1中的全光纤频域干涉仪结构示意图。

具体实施方式

[0025] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0026] 在下面的描述中使用了很多具体的参数以便于充分理解本发明，但是这些参数只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

[0027] 实施例1

[0028] 本发明的一种全光纤频域干涉仪，如图1所示，含有光纤跳线、宽带脉冲激光器、环行器、啁啾光纤光栅、光纤隔离器、光纤分束器、光纤合束器、光纤衰减器、光纤延迟器、光纤输出准直镜头和光谱仪。

[0029] 所有光纤元器件带有尾纤，尾纤以熔接的方式与光纤跳线连接。光纤器件的连接关系为环行器2的三个端口分别连接宽带脉冲激光器1、啁啾光纤光栅3和光纤隔离器4的输入端口；光纤隔离器4的输出端连接光纤分束器5的一个输入端口，光纤分束器5的另一个输入端口与光纤合束器9的第一个输入端口连接，光纤分束器5的两个输出端口分别连接光纤输出准直镜头6和光纤衰减器7；光纤衰减器7的输出端口连接光纤延迟器8，光纤延迟器8的另一端连接光纤合束器9的第二个输入端口，光纤合束器9的输出端口连接光谱仪10。

[0030] 在本实施例中，宽带脉冲激光器1输出的宽带激光脉冲从环行器2的第一个端口输入环行器2，从环行器2的第二个端口输出后进入啁啾光纤光栅3，啁啾光纤光栅3将宽带激光脉冲展宽为线性啁啾脉冲（即脉冲频率随时间线性变化），线性啁啾脉冲从环行器2的第二个端口返回环行器2，然后从环行器2的第三个端口出来并进入光纤隔离器4，光纤隔离器4只允许激光单向通过，阻止激光反方向通过，从而起到保护激光器的作用；线性啁啾脉冲通过光纤隔离器4后，进入光纤分束器5，被其等分为两部分，分别用作探测光和参考光；探测光通过光纤进入光纤输出准直镜头6，输出的准直光束垂直照明被测样品表面，其反射光被光纤输出准直镜头6收集后返回光纤，然后再次进入光纤分束器5，其中约一半的能量通过光纤进入光纤合束器9的一个输入端口；对于光纤分束器5输出的参考光，其依次通过光纤衰减器7和光纤延迟器8后，进入光纤合束器9的另一个输入端口，其中，光纤衰减器7使参考光的强度连续可调，以保证进入光纤合束器9的两路光强度相当，而光纤延迟器8用来调节参考光经历的光程，使其与探测光到达光纤合束器9的时间差等于2 ps；探测光和参考光以一定的延迟时间差（2 ps）从光纤合束器9的输出端口先后输出，然后通过光纤进入光谱仪10，由光谱仪10记录产生的频谱干涉条纹。

[0031] 以上对本发明的全光纤频域干涉仪的结构进行了详细的描述，为了更好的理解本发明的测量原理，以下将对本发明全光纤频域干涉仪的具体测速过程加以详细介绍。

[0032] 假设待测样品表面因样品被冲击而运动，即带有一定的速度。此时，如果光纤输出准直镜头输出的探测光垂直照射到待测样品表面并被垂直反射，根据多普勒原理，反射后的探测光相位（相对样品表面未运动时）将发生变化。光纤输出准直镜头收集反射光并将其返回光纤分束器，然后经由光纤合束器进入光谱仪。在光谱仪内，探测光与前后时刻到达的参考光发生频域干涉，由光谱仪记录和输出频谱干涉条纹。相对于样品表面未运动时记录的静态条纹，此刻记录的频谱干涉条纹发生了相应的移动，通过数据处理即可提取条纹移动对应的探测光相位变化，再利用多普勒相移公式可以求得待测样品表面速度。在本发明的全光纤频域干涉仪中，由于探测光是线性啁啾脉冲，因此，根据单幅频谱干涉条纹，便可获得待测样品表面在一定时间范围内的速度变化历史。

[0033] 至此完成了此实施例的全光纤频域干涉仪。

[0034] 以上所述，仅是本发明的可选实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

[0035] 虽然本发明已以可选实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。