合器1被分為兩束，分別在光纖尾端3和光纖尾端4輸出。輸出的兩光場相干 疊加后被匯聚在線性CCD探測陣列6上形成一列明暗相間的條紋。通過對接收到干設(shè)圖樣 進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理可W解調(diào)出外界測量干設(shè)儀所攜帶的待測信息。
[0025] 為了進(jìn)一步擴(kuò)展該楊氏光纖白光干設(shè)解調(diào)儀的功能，通過楊氏光纖干設(shè)儀兩臂中 的一個(gè)光纖臂串接一個(gè)空間光程調(diào)整裝置2,可實(shí)現(xiàn)光程可調(diào)的功能。該裝置是由=端口光 環(huán)行器21，光纖準(zhǔn)直器22,掃描反射鏡23組成。該裝置的功能在于匹配從光纖禪合器1中 分離出的兩光束的光程，從而使解調(diào)儀工作在最佳狀態(tài)。此外，該楊氏光纖白光干設(shè)解調(diào)儀 在兩個(gè)光纖端點(diǎn)光源和CCD探測陣列之間，插入一個(gè)柱面透鏡，該樣可W將干設(shè)光場的壓 縮成一條線聚焦于CCD探測面上，提高了信號(hào)效率，降低了光源的功率，從而降低了系統(tǒng)的 成本。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免外界干擾，提高本裝置的可靠性和穩(wěn)定性，可W加裝起到保 護(hù)與固定作用的機(jī)械殼體。
[0026] 該裝置的工作原理是該樣的：經(jīng)由外界測量干設(shè)儀產(chǎn)生的攜帶有待測信息的光束 通過光纖禪合器1后被分為兩束，進(jìn)入兩段不同的光纖即楊氏光纖干設(shè)儀的兩臂。其中 一束光經(jīng)過有著臂長可調(diào)整的裝置2的一臂后在光纖尾端3輸出，另一束光經(jīng)過楊氏干設(shè) 儀的另一臂在光纖尾端4輸出。輸出的兩光場經(jīng)柱面透鏡5匯聚于線性CCD陣列6上，兩 光場相干疊加后將在CCD陣列6上形成一列明暗相間的條紋。通過對接收到的干設(shè)圖樣進(jìn) 行后續(xù)信號(hào)處理，就可W解調(diào)出輸入該楊氏干設(shè)儀的光束所攜帶的待測量信息。采用線性 CCD陣列探測技術(shù)可W將空間掃描轉(zhuǎn)化為空間干設(shè)光場變化的光探測器逐個(gè)探測的數(shù)字化 電子掃描，該一方面省略了機(jī)械掃描系統(tǒng)，另一方面也極大的提高了掃描速度。
[0027] 為了更好理解該裝置是如何實(shí)現(xiàn)測量的，我們結(jié)合圖1進(jìn)一步說明如下；當(dāng)滿足 條件f>>d時(shí)，作為點(diǎn)光源的兩出射光纖在CCD陣列X處的光程差可寫為
[002引
（1)
[0029] 該光程差由兩部分構(gòu)成，第一部分來自光纖外部的空間干設(shè)不分。而第二部分則 來自光纖測量干設(shè)儀和光纖解調(diào)干設(shè)儀之間的光程差。式中n。為光纖外空氣中的折射率；d為兩光纖端的間距；f為光纖端到CCD陣列的空間距離；n。。,。為光纖巧的平均折射率；Lm和 L。分別為來自測量光纖干設(shè)儀和解調(diào)光纖干設(shè)儀的光程差。兩光束的相位差可表示為
[0030]
(2)
[003U該里A。為中空中寬帶光源的中屯、波長。
[0032] 于是，在CCD陣列所探測到的兩光纖出射的光波電場疊加的光場強(qiáng)度分布為 [003引 I(X) =IqG(X) {1+丫（X)COS[4 (X)-^o]}做
[0034] 式中I。代表兩光纖在CCD陣列中點(diǎn)處的光場強(qiáng)度，G(X)為纖端光場強(qiáng)度的空間分 布函數(shù)，丫（X)為寬帶光源功率譜的傅里葉變換函數(shù)，4。為初始相位。在寬帶光源功率譜 近似為高斯分布的情況下，G(X)與丫（X)可近似為高斯函數(shù)
[0037] 于是，對于中屯、波長為A。二790皿的L邸寬譜光源，利用式3式模擬在CCD陣列 探測面的光強(qiáng)分布如圖4中（a)和化）所示。計(jì)算過程中，所用的參數(shù)為Lm-L。= 500皿；f=180mm;d= 3mm;Oa= 3mm;O丫 = 16jt; (a) 4 〇= 0 ;化）4 〇= 20jt.
[003引對式I進(jìn)行變分，我們有
[0039]
(6)
[0040] 式中ALm可W是光纖長度的變化，也可W是F-P干設(shè)儀腔長的變化。由此可知， 通過探測白光干設(shè)條紋在CCD陣列上的變化移動(dòng)，就能夠獲得待測物理量引起的光程變化 量的大小，進(jìn)而測得相關(guān)物理量的變化。
[0041] 圖5給出了將該光纖白光楊氏干設(shè)解調(diào)儀與透射式非平衡Mach-Zehnder干設(shè) 測量儀組合構(gòu)建的有關(guān)光學(xué)測量系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由白光光源8發(fā)出的光通過非平衡 Mach-Zehnder測量干設(shè)儀，該測量干設(shè)儀的光程差中攜帶有待測物理量，該光程差經(jīng)過本 實(shí)用新型給出的光纖白光楊氏干設(shè)解調(diào)儀后，通過光程調(diào)整裝置2對由測量干設(shè)儀產(chǎn)生的 光程差進(jìn)行補(bǔ)償，從而使由楊氏干設(shè)儀兩光纖端3和4的出射光發(fā)生干設(shè)。白光干設(shè)條紋 通過線性CCD探測陣列進(jìn)行探測，該白光干設(shè)條紋的峰值的位移量就對應(yīng)所要探測的物理 量。
[0042] 由于楊氏干設(shè)儀的兩臂長差可W是不等長非平衡的，因此測量干設(shè)儀的光程差的 設(shè)計(jì)具有較大的自由度。圖6是Michelson干設(shè)儀用做測量干設(shè)儀，與光程可調(diào)楊氏光纖 白光干設(shè)解調(diào)儀進(jìn)行反射式級聯(lián)所構(gòu)成的測量系統(tǒng)。如果待測物理量不能轉(zhuǎn)化為光纖的光 程變化，則可采用圖6所示的Michelson型光纖干設(shè)儀的結(jié)構(gòu)，通過開放端，將待測量W某 種方式轉(zhuǎn)換為空間光程的變化，例如：所測量的物理量是透明液體或固體的折射率，將其置 于圖中待測樣品處，就可W通過比較其光程化和其空間尺度L的方法獲得折射率的測量結(jié) 果。在該系統(tǒng)中，由白光光源8發(fā)出的光經(jīng)過S端口光纖環(huán)形器9后注入非平衡Michelson 測量干設(shè)儀，該測量干設(shè)儀的光程差中攜帶有待測透明物體的折射率參量，載有待測物理 量信息的兩光束被反射回來，再次經(jīng)過光纖環(huán)形器9后，達(dá)到本實(shí)用新型給出的光纖白光 楊氏干設(shè)解調(diào)儀，通過光程調(diào)整裝置2對由測量干設(shè)儀產(chǎn)生的光程差進(jìn)行補(bǔ)償，從而使由 楊氏干設(shè)儀兩光纖端3和4的出射光發(fā)生干設(shè)。白光干設(shè)條紋通過線性CCD探測陣列進(jìn)行 探測，通過比較在Michelson測量干設(shè)儀的一臂上插入和去除透明物體所導(dǎo)致白光干設(shè)條 紋的峰值在線性CCD陣列上的位移量，就能計(jì)算出所要探測的透明物體的折射率的大小。 通過該種將解調(diào)儀與測量干設(shè)進(jìn)行的反射式組合，能夠構(gòu)造出各種物理量干設(shè)測量系統(tǒng)， 測量儀可W是能夠產(chǎn)生光程差的任何一種，如圖7所示的光纖F-P干設(shè)儀，圖8所示的環(huán) 形腔F-P干設(shè)儀等。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有光程可調(diào)功能的楊氏光纖白光干涉解調(diào)儀，由光纖耦合器（I)，光程調(diào)節(jié) 裝置（2)，第一光纖出射端（3)，第二光纖出射端（4)，柱面透鏡（5)，線性CCD探測陣列（6) 以及光纖連接組成，其特征在于：經(jīng)由外界測量干涉儀產(chǎn)生的攜帶待測信息的光束通過光 纖親合器（1)被分為兩束，分別在第一光纖尾端（3)和第二光纖尾端（4)輸出，輸出的兩光 場相干疊加后被匯聚在線性CCD探測陣列（6)上形成一列明暗相間的條紋，通過對接收到 干涉圖樣進(jìn)行信號(hào)處理可以解調(diào)出外界測量干涉儀所攜帶的待測信息；通過楊氏光纖干涉 儀兩臂中的一個(gè)光纖臂串接一個(gè)空間光程調(diào)整裝置（2)來實(shí)現(xiàn)光程調(diào)節(jié)，空間光程調(diào)整裝 置由三端口光環(huán)行器（21)，光纖準(zhǔn)直器（22)，掃描反射鏡（23)組成。
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種可用于多路復(fù)用光纖白光干涉?zhèn)鞲衅麝嚵械慕庹{(diào)系統(tǒng)中的具有光程可調(diào)功能的楊氏光纖白光干涉解調(diào)儀。本實(shí)用新型由光纖耦合器，光程調(diào)節(jié)裝置，第一光纖出射端，第二光纖出射端,柱面透鏡，線性CCD探測陣列以及光纖連接組成，經(jīng)由外界測量干涉儀產(chǎn)生的攜帶待測信息的光束通過光纖耦合器被分為兩束，分別在第一光纖尾端和第二光纖尾端輸出，輸出的兩光場相干疊加后被匯聚在線性CCD探測陣列上形成一列明暗相間的條紋。本實(shí)用新型通過楊氏光纖干涉儀兩臂中的一個(gè)光纖臂串接一個(gè)空間光程調(diào)整裝置來實(shí)現(xiàn)的。因而不僅可以極大地?cái)U(kuò)展了系統(tǒng)測量的動(dòng)態(tài)范圍，而且可使解調(diào)儀工作在最佳狀態(tài)。
【IPC分類】G01D5/26
【公開號(hào)】CN204679089
【申請?zhí)枴緾N201420795915
【發(fā)明人】苑立波, 羅昊
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2014年12月15日