CN111486939B - 一种基于sagnac原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，包括光源，样品探头，环形器，第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第五偏振控制器、第一非偏振1*2耦合器，第二非偏振1*2耦合器，光电探测装置，波长选择器，光路选择器；光源出来的光首先经过波长选择器、第一偏振控制器和环形器，经过第一非偏振耦合器分成长度不同的两路，其中一路为沿顺时针方向的CW光，另外一路为沿逆时针方向的CCW光；与现有技术相比，本发明利用SAGNAC效应实现非接触式超声检测方法具有结构简单、成本低、体积小、灵敏度高的特点，应用范围广泛。

Description

一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置。

技术背景

声波与物质相互作用时，声速及声波的能量会发生变化，通过对声速和声波衰减的测量，可以确定物质的一些基本物理参数。这就是超声检测技术，它是研究物质结构及其特性的基本方法之一，在许多领域已获得成功应用。传统的超声产生和接收方法是使用超声环能器，如压电换能器、CMUT换能器，这些方法都是接触式的测量方法。当前，传统的接触式换能器越来越多的被非接触的光学方法代替，包括了干涉法和光束偏转法等。由于光学技术的不断提高，这方面的研究也在飞速发展，并不断产生新的探测技术，包括光纤传感技术。光纤传感器是一种新兴的超声传感器件，因为具有体积小、重量轻、环境适应性强、可靠性强、检测信号传输容易、保密性好等许多优点而得到广泛应用。但是将光纤传感器用于超声检测，尤其是非接触式检测的研究还相对较少，尤其是国内研究很少。将光纤传感技术与非接触式超声检测技术相结合，在材料的超声检测、探伤应用方面将具有广阔的前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其采用了SAGNAC干涉仪的基本原理，样品表面的振动会带来光程差的变化，利用CW光和CCW光先后到达样品表面的时间不同引起光程差变化形成的干涉信号进行样品表面超声波的检测。本发明的核心在于与波长选择技术和光路选择技术结合，通过选波长、选光纤长度的方式实现工作中心频率的切换。

具体内容如下：

一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其特征在于，包括光源，样品探头，环形器，第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第五偏振控制器、第一非偏振1*2耦合器，第二非偏振1*2耦合器，光电探测装置，波长选择器和光路选择器，所述波长选择器用于不同光源波长的选择；所述光路选择器用于不同光纤长度的选择；通过选波长、选光纤长度的方式实现工作中心频率的切换；

所述光源、波长选择器、第一偏振控制器相连、环形器依次相连，所述环形器的其中一个输出端与第五偏振控制器、光电探测装置依次相连，另外一个输出端与第一非偏振1*2耦合器相连，所述第一非偏振1*2耦合器的其中一个输出端与第二偏振控制器、第二非偏振1*2耦合器依次相连，另外一个输出端与第三偏振控制器、光路选择器、第二非偏振1*2耦合器依次相连，所述第二非偏振1*2耦合器与第四偏振控制器、样品探头依次相连。

进一步的改进在于，所述光电探测装置包括偏振分束器和平衡探测器。

进一步的改进在于，所述CW光和CCW光经过所述第二非偏振1*2耦合器、第四偏振控制器和所述样品探头到达超声样品，反回光再次进入样品探头返回光纤光路。

进一步的改进在于，所述CW光和CCW光的返回光再次经过所述第一非偏振1*2耦合器后进入所述环形器，实现入射光和返回光的隔离。

进一步的改进在于，所述光源采用1310nm或者1550nm SLED宽谱光纤光源。

进一步的改进在于，所述样品探头采用准直器加透镜的结构聚焦样品，实现携带样品表面超声信息的光信号返回光纤光路。

进一步的改进在于，所述偏振分束器采用的是三个带保偏接口的光纤。

进一步的改进在于，除所述偏振分束器以外其它所有的光纤和光纤器件都是采用非偏振式的。

本发明的有益效果为：本发明所采用的所有光纤器件除了偏振分束器以外全部采用非偏振式的，降低了成本；相比于传统的通过相位调制器进行pi/2相位偏置的方法，本发明的方案更加方便，且控制效果好；相比于传统的利用保偏光纤保持干涉光的正交或平行，本发明的方案采用调节五个偏振控制器中的任意两个就能实现同样的效果，且容易调节；相比于单端信号检测，本发明所述的用平衡探测器探测差分干涉信号的方法，具有更好的探测灵敏度。与波长选择技术和光路选择技术结合，通过选波长、选光纤长度的方式实现工作中心频率的切换，达到更好的灵敏度效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为所述装置的整个光纤光路系统图；

图2为所述装置的环路部分示意图；

图3为当CW光和CCW光的光程差在半个波长范围以内的分析图；

图4为干涉系统的频率选择效应分析图；

图5为干涉信号经过偏振分束器之后被分成两路的分析图；

图6为保偏光纤的应力主轴和PBS晶体的o光、e光所形成的xy坐标轴是重合的，旋转保偏光纤端口的慢轴夹角，使得快、慢轴和两个正交的偏振方向成45°或135°的夹角图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其特征在于，包括光源，样品探头，环形器，第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第五偏振控制器、第一非偏振1*2耦合器，第二非偏振1*2耦合器，光电探测装置，波长选择器和光路选择器；所述波长选择器用于不同光源波长的选择；所述光路选择器用于不同光纤长度的选择；通过选波长、选光纤长度的方式实现工作中心频率的切换；

所述光源、波长选择器、第一偏振控制器相连、环形器依次相连，所述环形器的其中一个输出端与第五偏振控制器、光电探测装置依次相连，另外一个输出端与第一非偏振1*2耦合器相连，所述第一非偏振1*2耦合器的其中一个输出端与第二偏振控制器、第二非偏振1*2耦合器依次相连，另外一个输出端与第三偏振控制器、光路选择器、第二非偏振1*2耦合器依次相连，所述第二非偏振1*2耦合器与第四偏振控制器、样品探头依次相连。

在本发明所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置中，所述光电探测装置包括平衡探测器和偏振分束器。

在本发明所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置中，所述CW光和CCW光经过所述第二非偏振1*2耦合器、第四偏振控制器和所述样品探头到达超声样品，反回光再次进入样品探头返回光纤光路。

在本发明所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置中，所述CW光和CCW光的返回光再次经过所述第一非偏振1*2耦合器后进入所述环形器，实现入射光和返回光的隔离。

在本发明所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置中，所述光源采用1310nm或者1550nm SLED宽谱光纤光源。

在本发明所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置中，所述光电探测装置为一个光电探测器。

在本发明所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置中，所述样品探头采用准直器加透镜的结构聚焦样品，实现携带样品表面超声信息的光信号返回光纤光路。

在本发明所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置中，所述偏振分束器采用的是三个带保偏接口的光纤。

在本发明所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置中，除所述偏振分束器以外其它所有的光纤和光纤器件都是采用非偏振式的。

如图1所示，系统的光源采用1310/1550nm SLED宽带低相干光源，以避免相干噪声的干扰。光源出来的光首先经过波长选择器、第一偏振控制器PC1，然后经过第一非偏振1*2耦合器BS1，设CW光先走的是图1中的上面一路，那么CW光会依次经过第二偏振控制器PC2，第二非偏振1*2耦合器BS2，第四偏振控制器PC4，样品探头，然后再返回第四偏振控制器PC4，第二非偏振1*2耦合器BS2，之后走下面一路，经过第一非偏振1*2耦合器BS1，光路选择器，第三偏振控制器PC2，然后进入环形器，CCW光也是类似的情况：先走下面的光路，返回的时候走上面的光路，如图2所示。

由于CW光和CCW光走的大部分光路都是完全一样的，只有在经过偏振控制器的时候CW光和CCW光会由于双折射效应导致这两束光的偏振面改变不一样，而且附加的光程也不一样。利用光程改变和偏振改变的这种效应，找到需要的光程和偏振的组合，例如图1的光路中需要调节光程(相位)差为pi/2,偏振面正交。

其中一种具体的调节过程是：首先调节第二偏振控制器PC2，使得CW光和CCW光附加的光程差为pi/2，此时不仅光程差改变了，CW光和CCW光的偏振面也会相应地发生偏转，导致干涉效率降低。然后再次调节第一偏振控制器PC1使得CW光和CCW光的偏振方向正交，两路正交的光干涉效率几乎为0，但是经过偏振分束器PBS会由原来的不干涉变成干涉效率最大的两路差分干涉信号(如图6所示)，再进入平衡探测器。

本发明的原理如下：其中，λ为波长，c为光的波速，

为相位差，ΔL为光纤的长短臂长度差，Δτ为长短臂的延时；

考虑样品的振荡：

SAGNAC干涉仪长短臂的延时：

延时对应的光程差：

最大灵敏度条件：

一个合适的工作点，应该在系统零信号时，也就是样品无振动时具有最大的灵敏度。在样品无信号时，由于两路光光程差相同，

此时系统工作在干涉极大的位置，根据余弦函数的性质，该点的导数为0，也就是工作在最不灵敏的地方。为了提高静态工作点的灵敏度，在样品无信号发生的时候应该给予一个初始的相位差

相位连续条件：如图3所示：

若考虑非线性的情况，则只需要让ω_AΔτ工作在半个波长以内的范围，从而避免相位折叠的现象。但是由于非线性会造成信号失真，因此需要对测量的信号经过一个逆运算才能复原出样品的振荡信号。

保证相位连续的条件是：

SAGNAC干涉仪的频率选择效应：

从前面的推导可看出，SAGNAC干涉仪的本质是一个速度干涉仪，也就是对振荡求微分。微分器具有低通滤波的效应，但是实际上的SAGNAC干涉系统不是一个严格的微分器，由于系统的灵敏度有限，两束光到达样品表面的时间差不可能做的无限小。这种非理想的微分效应，导致SAGNAC干涉仪会出现一个频率选择效应，在某些频率最敏感，而在另一些频率最不敏感。如图4所描述的情况中，当Δτ＝π/ω_A时,干涉仪最敏感；当Δτ＝2π/ω_A时，干涉仪最不敏感。当第一束光(CCW光)在t1时刻到达，第二束光(CW光)经过Δτ＝π/ω_A后到达时，干涉信号也是个正弦信号，此时信号的强度最大；当第一束光(CCW)在t2时刻到达，第二束光(CW)在Δτ＝2π/ω_A后到达时，此时无信号，相当于ω_A/2的信号被滤掉了。

可见，在该技术中不同光源波长的选择以及光纤长度的选择是至关重要的，因为它直接影响到测量的中心频率。为了解决这个问题，在此装置基础上与波长选择技术和光路选择技术结合，通过选波长、选光纤长度的方式实现工作中心频率的切换。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其特征在于，包括光源，样品探头，环形器，第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、第五偏振控制器、第一非偏振1*2耦合器，第二非偏振1*2耦合器，光电探测装置，波长选择器和光路选择器；所述波长选择器用于不同光源波长的选择；所述光路选择器用于不同光纤长度的选择；通过选波长、选光纤长度的方式实现工作中心频率的切换；

所述光源、波长选择器、第一偏振控制器、环形器依次相连，所述环形器的其中一个输出端与第五偏振控制器、光电探测装置依次相连，另外一个输出端与第一非偏振1*2耦合器相连，所述第一非偏振1*2耦合器的其中一个输出端与第二偏振控制器、第二非偏振1*2耦合器依次相连，另外一个输出端与第三偏振控制器、光路选择器、第二非偏振1*2耦合器依次相连，所述第二非偏振1*2耦合器与第四偏振控制器、样品探头依次相连；

所述光源出来的光首先经过所述波长选择器，然后经过所述第一偏振控制器和所述环形器，然后经过所述第一非偏振1*2耦合器分成长度不同的两路，其中一路为沿顺时针方向的CW光，另外一路为沿逆时针方向的CCW光。

2.根据权利要求1所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其特征在于，所述光电探测装置包括偏振分束器和平衡探测器。

3.根据权利要求1所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其特征在于，所述CW光和CCW光经过所述第二非偏振1*2耦合器、第四偏振控制器和所述样品探头到达超声样品，反回光再次进入样品探头返回光纤光路。

4.根据权利要求3所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其特征在于所述CW光和CCW光的返回光再次经过所述第一非偏振1*2耦合器后进入所述环形器，实现入射光和返回光的隔离。

5.根据权利要求1所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其特征在于，所述光源采用1310nm或者1550nm SLED宽谱光纤光源。

6.根据权利要求1所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其特征在于，所述样品探头采用准直器加透镜的结构聚焦样品，实现携带样品表面超声信息的光信号返回光纤光路。

7.根据权利要求2所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其特征在于，所述偏振分束器采用的是三个带保偏接口的光纤。

8.根据权利要求2所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其特征在于除所述偏振分束器以外其它所有的光纤和光纤器件都是采用非偏振式的。

9.根据权利要求1所述的一种基于SAGNAC原理实现光程和偏振态调控的超声测量装置，其特征在于五个偏振控制器中任意两个的组合可以实现初始光程差和偏振态的非独立调控。

Images