1 引 言
从20世纪70年代开始,激光速度干涉仪已广泛应用于瞬态速度测量[1,2]。传统速度干涉仪主要由数十个精密加工镀膜透镜、棱镜及其支架等离散器件构成,虽然具有调试困难,光损耗高等缺点,但由于其在非接触、连续测量中的独特用途而沿用至今。随着光纤技术的成熟、光电技术的发展和固体激光器的完善,用全光纤速度干涉仪(AFVI)取代离散器件构成的速度干涉仪,已经成为一种趋势。20世纪90年代中期,全光纤速度干涉仪的研究取得了重大发展,以色列和我国先后成功地研制了全光纤速度干涉仪[3~5],特别是我国所研制的全光纤速度干涉仪,已经有了应用于低速冲击下样品表面速度测量的成功实践[4,5],而且利用全光纤速度干涉仪能够实现光纤长度的测量[6]、语音信号的提取[7]。在研究材料的特性与高温高压下的物态变化是十分有意义的,而对样品表面的多点测试,一直为冲击波和爆轰物理领域的研究者所关注。
本文基于时分复用(TDM)原理[8],提出了一种新型结构的用于多点测试的全光纤速度干涉系统,并将所研制的系统用于低速冲击下样品自由面速度的测试,得到了实验曲线。
2 系统结构设计与原理
在以往全光纤速度干涉仪研究基础上,采用光纤延迟的方法,提出一种全新的用于两点速度测试的全光纤速度干涉仪系统,结构如图1所示。
系统由3只2×2光纤耦合器(coupler)、两只光电探测器和两只光纤准直器(collimator)(作为探测光的发射和接收装置)以及单模光纤构成。与以前的全光纤速度干涉仪相比[4],增加了为实现靶面(target )Ⅱ测量引入的准直器Ⅱ和光纤延迟线T,使得系统无空缺端口,充分利用了激光器的注入光功率。稳定的光源发出的激光经过[2×2]光纤耦合器Ⅰ分光后,注入光纤耦合器Ⅱ中,经过耦合器Ⅲ到达被测靶面,反射后重新注入系统,经过光纤耦合器Ⅲ后,相干光在耦合器Ⅱ形成干涉信号,并被探测器Ⅰ,Ⅱ所检测。
针对每一个靶面,系统都形成两束传播方向相反的相干光,它们的传播路径是
相干光束(1),(2)在耦合器Ⅱ形成干涉,探测器Ⅰ,Ⅱ所检测的相干电信号反映了靶面Ⅰ的运动情况,而且静态时是绝对等程干涉仪,所以能够利用宽光谱、短相干长度的光源来实现速度测量[3,4]。同理相干光束(3),(4)的相干结果反映靶面Ⅱ的运动情况,光纤延迟线T是使两组干涉结果在时域上实现时分复用引入的延时,而且光纤延迟线T一般远远大于光源的相干长度,所以两组干涉光束之间不会产生干涉型干扰。
与单探测端口的全光纤速度干涉仪[3,4]一样,能够实现多点测试的全光纤速度干涉仪也利用了由于延时τ的存在,相干光经过[2×2]耦合器后,将产生频率为相干光多普勒频移差ΔF的干涉条纹,干涉条纹频率f(t)可表示为[9]
V(t),V(t-τ)分别为自由面在t,t-τ时刻的运动速度;λ为激光波长。
由于在探测端引入光纤延迟线,且光纤延迟时Ti远远大于两耦合器间的延时τ,所以,各探测端口反射回来的光在全光纤速度干涉系统中完全不相干;选择适当的光纤延迟线,在检测端就能够完整地提取各个探测端口信号,最终在不增加检测系统复杂性的前提下,实现了对测试靶面的多点测试功能。延迟线的介入,使各探测端口的信号在到达检测端的时间不同,信号流程图如图2所示。由于不同测试点对应的测试靶面材料特性可能不完全相同,所以各探测端口的信号不完全相同;为了研究问题的方便,将各探测端口对应的信号视为一样。
式(1)所示的频移信号,经过光纤延迟线后,将在时域内形成有序分布的信号。两检测端D1,D2信号存在一定的相位差,可用于提高系统的测试精度[3],下面只考虑一个光电检测端D1的信号构成情况。
假设探测端口总数为N,在时刻ti测得第i个探测端口的探测信号Pi(t)在检测端口所占的时间段为ΔTi,检测信号按探测端口的顺序排列,所有信号在检测端D1可表示为
为了实现多点测试功能,选择适当的不同探测端口的光纤延迟线长度成为关键。延迟线的选择,应以光电检测端口对应的不同探测端口的信号不出现重叠,也就是说,以能够完成时分复用为准。第一个端口的光纤延迟线长度为0,则第i个端口对应的光纤延迟线的时间延迟为
式中neff为光纤的等效折射率,c为光在真空中的速度。
假设第一个探测端口的干涉信号开始检测的时间设置为t0=0,ti=Ti,在满足(3)式的前提下,就能保证所有探测端的信号在检测端口能够被完整地检测出来;否则出现信号在时间上的重叠,无法完整地提取。
在模拟实验中,N=4,探测端口1对应的干涉信号如图3(a)所示,假设其余探测端口的信号与1端口的信号一样。当光纤延迟线满足(3)式时,在检测端D1得到的信号如图3(b)所示,即完整地提取了4路探测信号。当光纤延迟线不满足(3)式时,在检测端D1得到的信号如图3(c)所示,出现了探测信号在时间上的重叠,检测端无法完整提取探测信号,同理在光电检测端口D2情况类似。
在系统的信号检测端能够实现两点测试的功能,与用于单点测试的全光纤速度干涉仪相比,虽然没有任何改变,通过时分复用,却能实现对多路探测信号的检测。图1所示的结构能够完成对靶面的两点测试功能;如果在两探测端口加上[2×2]耦合器或[3×3]耦合器及相应的光纤延迟线,还能实现四点测试或六点测试功能。
3 实验研究
将图1所示的实现两点测试全光纤速度干涉仪,实际应用在霍布金森杆上,对同一个低速碰撞下铝样品自由面的速度变化进行测试。实验中,两个靶
面为同一个自由面上的两点,在相同冲击下,研究同一个自由面的运动情况。实验所用光源功率为400μW,中心波长为1310 nm的半导体激光器,光源谱宽为4 nm,全光纤干涉系统中产生τ延时的光纤延迟线长度为20 m,时分复用所需要的延时T长度约为3100 m光纤延迟线场上,铝样品为LY12,规格10 mm×5 mm,撞击杆速度约为30 m/s。采用数字示波器记录信号,示波器触发信号由撞击杆上的应变片提供。在上面的测试条件下,得到信号的干涉条纹曲线如图4所示。
在测试靶面未运动之前,相干光表现为直流信号,当靶面运动后,图4所得时间曲线前半段和后半段干涉条纹完全相同,只是存在时间上的延时和直流信号的不同。这是因为测试点对应的干涉信号经历相同的干涉路径变化,所以表现为相同的干涉条纹曲线;同时由于光纤延迟线的存在,先到达检测器的干涉光信号叠加了后到达检测器的、未形成干涉信号的直流分量,所以表现为前面的干涉条纹直流分量较后面的干涉信号直流分量高,同时由于光纤延时T的存在,后到达探测器的干涉信号的强度也较先到达的干涉信号小,不过信号的幅度变化对干涉相位信息的提取没有影响。由于采用[2×2]光纤耦合器,所以干涉信号存在反相关系,从图中可以明显地看出。
下面将证明干涉曲线中时延差真是光纤延迟线T产生的。在图4中,不同测试点对应的干涉信号按照时分区域依次出现,实验观测到的信号间隔区域为15·68μs。根据(4)式,在取neff=1·50的条件下,可计算出光纤延迟线T所形成的延时为T=15·50μs。也就是说,干涉条纹出现的时间区域与理论设计完全一致;同时干涉条纹的形状完全相同,验证了多点测试全光纤速度干涉仪研究方案的可行性。由于系统完成了对两个测试点上速度剖面的同时检测,用一套系统完成了两套系统才能完成的测试功能,是对全光纤速度干涉仪的一种创新。
4 结 论
基于时分复用原理,提出了一种能够实现对测试样品多点测试的全光纤速度干涉仪结构,对系统的设计方案进行了分析,通过实验,验证了系统用于多点测试的可行性。用于多点测试的全光纤速度干涉仪在传统的单点速度干涉仪的基础上通过巧妙引入时分复用技术,用几乎与单点测试全光纤速度干涉仪一样的器件完成了两套或多套光纤速度干涉仪才能完成的测试功能,具有实际的应用价值和开发前景。
参考文献
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作者简介:洪广伟(1980—),男,河北唐山人,复旦大学材料科学系博士研究生,主要从事光纤传感技术及应用的研究。E2mail:hongguangwei@126.com
