本發(fā)明屬于光纖陀螺，具體涉及一種基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲sagnac干涉儀。

背景技術(shù)：

1、sagnac干涉儀用于激光超聲探測(cè)。

2、光聲效應(yīng)由bell在1880年首次發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一束光照射到光吸收介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生熱彈效應(yīng)或燒蝕效應(yīng)，并產(chǎn)生超聲。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)速度和數(shù)據(jù)處理能力的不斷提升，激光超聲成像技術(shù)和光聲成像技術(shù)得到了快速的發(fā)展。這兩類技術(shù)都需要超聲的光激發(fā)和探測(cè)，常見的超聲的探測(cè)手段包括接觸式的壓電換能器、電容式微型傳感器、電磁超聲換能器以及基于光學(xué)方法的非接觸式超聲探測(cè)技術(shù)。相比之下非接觸式的超聲探測(cè)方法具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：無(wú)需耦合劑而不會(huì)待測(cè)樣品傳導(dǎo)中的超聲產(chǎn)生影響；具有更高的空間分辨率潛力；在一些高溫、復(fù)雜表面、強(qiáng)電磁干擾等傳統(tǒng)手段無(wú)法工作的應(yīng)用場(chǎng)景仍可勝任檢測(cè)需求。

3、許多研究已經(jīng)表明sagnac干涉儀在非接觸式超聲探測(cè)領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿?。盡管如此，長(zhǎng)期以來(lái)sagnac干涉儀在超聲探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展并不成熟，成功應(yīng)用的案例較為罕見。全光纖化是實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)緊湊靈活、便攜、兼容性好的重要手段，然而光纖型sagnac干涉儀仍面臨著偏振誘導(dǎo)的信號(hào)衰落和相位偏移的困難，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。

4、典型的非保偏型sagnac干涉儀的非接觸式超聲探測(cè)原理可參見圖1、圖2。

5、圖1所示為最普遍的光纖型sagnac干涉儀。sagnac干涉儀的超聲探測(cè)最基本原理是探測(cè)兩束不同時(shí)刻到達(dá)樣品表面的光之間由于樣品超聲振動(dòng)產(chǎn)生的光程差。圖1中，光源可使用激光光源或?qū)拵Ч庠?，由光源出射的光首先?jīng)過一個(gè)2×2的3db耦合器(稱之為第一耦合器)，然后從第一耦合器右側(cè)的兩個(gè)端口輸出。由于實(shí)際使用時(shí)其中一臂的長(zhǎng)度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于另外一臂，因此其中一臂稱為長(zhǎng)臂，另外一臂稱為短臂。從長(zhǎng)、短兩臂出射的光進(jìn)入第二個(gè)2×2的3db耦合器，然后通過第二耦合器右側(cè)的任意一端輸出，再經(jīng)過樣品探頭將光束匯聚到樣品上，由樣品表面反射或散射的光被樣品探頭收集并再次進(jìn)入原光路，然后再依次經(jīng)過第二耦合器和第一耦合器，最后從第一耦合器的左下方端口輸出，輸出光強(qiáng)由光電探測(cè)器探測(cè)。輸出光強(qiáng)的變化可以用于測(cè)量樣品表面的振動(dòng)情況。

6、在圖1的整個(gè)光路中，根據(jù)光經(jīng)過的路徑將光束分成四路，如附圖2所示:第一路對(duì)應(yīng)兩次都走長(zhǎng)臂的路徑，第二路對(duì)應(yīng)兩次都走短臂的路徑，第三路對(duì)應(yīng)先走長(zhǎng)臂、后走短臂的路徑，第四路對(duì)應(yīng)先走短臂、后走長(zhǎng)臂的路徑。由于長(zhǎng)臂和短臂的光程差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光源的相干長(zhǎng)度，因此第一、第二這兩路光不會(huì)與剩下的任何光束發(fā)生干涉。干涉只可能發(fā)生在第三路和第四路之間，如果樣品是靜止的，即沒有超聲波帶來(lái)表面起伏的振動(dòng)信號(hào)時(shí)，那么第三路和第四路光的光程是完全相同的；如果樣品表面存在振動(dòng)，由于這兩路光首次到達(dá)樣品表面的時(shí)刻不同，這一時(shí)間差會(huì)給干涉儀帶來(lái)額外的光程差從而導(dǎo)致干涉條紋移動(dòng)并引起光強(qiáng)改變，具體情況取決于長(zhǎng)短臂對(duì)應(yīng)的延時(shí)以及振動(dòng)信號(hào)的幅值和頻率。

7、首先考慮超聲帶來(lái)樣品表面的起伏位移z(t)，如公式(1)所示。

8、

9、其中，a是超聲振幅，ωa是超聲頻率，是超聲相位。

10、sagnac干涉儀長(zhǎng)臂和短臂對(duì)應(yīng)的延時(shí)δτ，如公式(2)所示。

11、

12、其中，n是光纖介質(zhì)的折射率，δl是長(zhǎng)短臂的長(zhǎng)度差，c是真空中的光速。

13、由公式(1)可得這一延時(shí)所對(duì)應(yīng)的光程差，如公式(3)所示。

14、

15、總之，在sagnac干涉儀中，超聲引起光程差的變化，進(jìn)而引起光強(qiáng)的變化。探測(cè)光強(qiáng)的變化便可探測(cè)超聲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲sagnac干涉儀，可應(yīng)用于非接觸式超聲探測(cè)領(lǐng)域。

2、技術(shù)方案：

3、一種基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲sagnac干涉儀，應(yīng)用于非接觸式超聲探測(cè)領(lǐng)域，其特征在于，其全光纖非接觸式超聲探測(cè)光路包括通信波段寬帶光源、第一偏振控制器、非保偏環(huán)形器、第一波分復(fù)用器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第二偏振控制器、非保偏長(zhǎng)光纖環(huán)、第四偏振分束器、第五偏振分束器、第六偏振分束器、第二波分復(fù)用器、保偏光纖聚焦鏡、1/4玻片、第三偏振控制器、第七偏振分束器、平衡探測(cè)器，它們的連接關(guān)系為：

4、寬帶光源、第一偏振控制器、非保偏環(huán)形器的端口i依次連接；

5、非保偏環(huán)形器的端口ii與第一波分復(fù)用器連接；

6、第一波分復(fù)用器連接分兩路，分別與第一偏振分束器、第二偏振分束器連接；

7、第一偏振分束器分兩路，其中一路與第五偏振分束器直接連接，另一路依次經(jīng)過第三偏振分束器、第二偏振控制器、非保偏長(zhǎng)光纖環(huán)、第四偏振分束器后與第五偏振分束器連接：

8、第二偏振分束器分兩路，其中一路與第六偏振分束器直接連接，另一路依次經(jīng)過第三偏振分束器、第二偏振控制器、非保偏長(zhǎng)光纖環(huán)、第四偏振分束器后與第六偏振分束器連接：

9、第五偏振分束器和第六偏振分束器分別與第二波分復(fù)用器連接；第二波分復(fù)用器與保偏光纖聚焦鏡連接，1/4玻片內(nèi)置于保偏光纖聚焦鏡；

10、非保偏環(huán)形器的端口iii與第三偏振控制器連接，第三偏振控制器、第七偏振分束器、平衡探測(cè)器依次連接。

11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

12、本發(fā)明基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲sagnac干涉儀在非接觸式超聲探測(cè)的應(yīng)用背景，通過結(jié)合波分復(fù)用、控制多路不同干涉光保持正交的高對(duì)稱設(shè)計(jì)和使用平衡探測(cè)器進(jìn)行差分探測(cè)的方法，可在實(shí)現(xiàn)π/2相位偏置和最大條紋對(duì)比度的同時(shí)保持一個(gè)極低的噪聲水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的非接觸式超聲探測(cè)。拓寬非保偏型(即光路中的長(zhǎng)光纖環(huán)為非保偏光纖)sagnac干涉儀的適用范圍和應(yīng)用場(chǎng)景。具體的：

13、第一，光路設(shè)計(jì)具有高度對(duì)稱的特點(diǎn)，從理論上可證明本發(fā)明的sagnac干涉儀的輸出信號(hào)具有穩(wěn)定的π/2相位偏置。通過調(diào)節(jié)光路中的幾個(gè)偏振控制器，還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大的干涉條紋對(duì)比度，從而獲得理論上最理想的干涉信號(hào)；

14、第二，光路結(jié)合了波分復(fù)用的方法，并在光路中使用了多個(gè)偏振分束器的對(duì)稱設(shè)計(jì)，使得干涉光強(qiáng)的利用率理論上可達(dá)到100％；

15、第三，使用平衡探測(cè)器探測(cè)干涉儀兩個(gè)正交偏振方向的差分光強(qiáng)信號(hào)，除了可以將信號(hào)放大兩倍以外，還可以抑制包括光強(qiáng)噪聲等噪聲在內(nèi)的共模噪聲，實(shí)現(xiàn)高信號(hào)和低噪聲輸出，從而獲得高的信噪比和靈敏度；

16、第四，sagnac干涉儀主要部分(非保偏長(zhǎng)光纖環(huán))使用單模光纖，極大降低應(yīng)用成本。

技術(shù)特征：

1.一種基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲sagnac干涉儀，應(yīng)用于非接觸式超聲探測(cè)領(lǐng)域，其特征在于，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲sagnac干涉儀，其特征在于，

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲sagnac干涉儀，其特征在于，所述光源為起偏的通信波段寬帶光源，包括但不限于led、sld、sled寬帶光源。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲sagnac干涉儀，其特征在于，偏振光束從寬帶光源出發(fā)，經(jīng)過第一偏振控制器和環(huán)形器到達(dá)第一波分復(fù)用器被分成波長(zhǎng)不同的兩束光λ1和λ2，然后λ1和λ2分別到達(dá)第一偏振分束器和第二偏振分束器，通過調(diào)節(jié)第一偏振控制器，使得λ1和λ2分別在經(jīng)過第一偏振分束器和第二偏振分束器后再次被分成偏振態(tài)正交、光強(qiáng)相等的兩束光。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲sagnac干涉儀，其特征在于，光路中共存在四束光，分別為λ1的p光和s光，以及λ2的p光和s光；這四束光經(jīng)過各自所在的對(duì)應(yīng)光路后經(jīng)過第五偏振分束器或第六偏振分束器合為兩束，然后再經(jīng)過第二波分復(fù)用器合為一束，合束后的光經(jīng)過內(nèi)置1/4玻片的保偏光纖聚焦鏡即樣品探頭出射然后聚焦到達(dá)被測(cè)樣品的表面，樣品探頭收集被測(cè)樣品表面的反射光使其再次回到原光纖光路中。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲sagnac干涉儀，其特征在于，在保偏光纖聚焦鏡內(nèi)置的1/4玻片，使得反射光的偏振態(tài)與入射光的偏振態(tài)互換并保持正交。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲sagnac干涉儀，其特征在于，偏振態(tài)與入射光保持正交的反射光返回到光纖光路后依次經(jīng)過第二波分復(fù)用器、第五偏振分束器、第六偏振分束器再次被分成四束，這四束光經(jīng)過對(duì)應(yīng)光路后經(jīng)過第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一波分復(fù)用器合成一束；然后從非保偏環(huán)形器的ⅲ端口出射，經(jīng)過第三偏振控制器后由第七偏振分束器分成偏振態(tài)正交的兩束光，由平衡探測(cè)器探測(cè)其差分光強(qiáng)。

技術(shù)總結(jié)
一種基于波分復(fù)用的對(duì)稱型低噪聲Sagnac干涉儀，應(yīng)用于非接觸式超聲探測(cè)領(lǐng)域，其全光纖非接觸式超聲探測(cè)光路包括：通信波段寬帶光源、第一偏振控制器、非保偏環(huán)形器、第一波分復(fù)用器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第二偏振控制器、非保偏長(zhǎng)光纖環(huán)、第四偏振分束器、第五偏振分束器、第六偏振分束器、第二波分復(fù)用器、保偏光纖聚焦鏡、1/4玻片、第三偏振控制器、第七偏振分束器、平衡探測(cè)器。本發(fā)明通過結(jié)合波分復(fù)用、控制多路不同干涉光保持正交的高對(duì)稱設(shè)計(jì)和使用平衡探測(cè)器進(jìn)行差分探測(cè)的方法，可在實(shí)現(xiàn)π/2相位偏置和最大條紋對(duì)比度的同時(shí)保持一個(gè)極低的探測(cè)噪聲水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的非接觸式超聲探測(cè)。

技術(shù)研發(fā)人員：孔慶釗,袁程,陳琳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：同濟(jì)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2