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申请/专利权人：北京交通大学

摘要：本发明公开了一种双波光纤激光自混合干涉在线测量系统，属于光学测量技术领域。所述系统由泵浦光源，六个光纤耦合器，二个波分复用器，二段掺铒光纤，四个光纤环行器，五个光纤光栅，五个光纤准直镜，四个平行平板，四个压电陶瓷，一个光纤隔离器，二个声光调制器，二个驱动电源，一个混频器，二个光电探测器，信号发生器，信号处理电路1，信号处理电路2，信号处理电路3，信号处理电路4，信号处理电路5，AD转换卡，计算机和输出结果组成。光纤及光学器件构成二个激光谐振腔，二段掺铒光纤分别为二个激光谐振腔增益介质，每个激光谐振腔内的光纤光栅反射透过法布里‑珀罗标准具的一个条纹的光作为激光谐振腔增益谱，构成双波长激光器。反馈控制系统调节激光谐振腔的腔长，使激光频率稳定在增益谱的峰值处。双波长激光经移频后,分别被参考物和被测物体反射回各自的激光谐振腔产生外差自混合干涉信号。对此信号进行处理，实现对被测物体位移等在线测量。

主权项：1.一种双波光纤激光自混合干涉在线测量系统，其特征在于是由980nm泵浦光源S，六个光纤耦合器N1、N2、N3、N4、N5、N6，二个波分复用器WDM1、WDM2，二段掺铒光纤EDF1、EDF2，四个光纤环行器C1、C2、C3、C4，五个光纤光栅FBG11、FBG21、FBG22、FGB23、FBG24，五个光纤准直镜G11、G12、G21、G22、G，四个平行平板P1、P2、P3、P4，四个压电陶瓷PZT11、PZT12、PZT21、PZT22，一个光纤隔离器I，二个声光调制器AOM1、AOM2，二个驱动电源RF1、RF2，一个混频器，二个光电探测器PD1、PD2，信号发生器B0，信号处理电路1B1，信号处理电路2B2，信号处理电路3B3，信号处理电路4B4，信号处理电路5B5，AD转换卡B6，计算机B7和输出结果B8组成；系统中的光纤光栅FBG的布拉格波长均在1550nm波段，其中光纤光栅FBG21、FBG22、FBG23、FBG24的布拉格波长相同；光纤耦合器N2的二个尾纤端面A1和B1，以及光纤耦合器N3的二个尾纤端面A2和B2均镀有1550nm波段的高反膜；四个平行平板P1、P2、P3、P4的一面均镀有1550nm波段的部分反射膜，另一面均镀有1550nm波段的增透膜；980nm泵浦光源S发出的光被光纤耦合器N1分为两路，其中一路光经过波分复用器WDM1耦合进一个光纤激光谐振腔，经过掺铒光纤EDF1，激发出1550nm波段的荧光；此荧光经过光纤准直镜G11准直以后，垂直入射到由平行平板P1和P2构成的法布里-珀罗标准具上，透过法布里-珀罗标准具的光为一列等间距条纹；此列等间距条纹的光耦合进光纤准直镜G12，经过光纤环行器C1，到达光纤光栅FBG11；光纤光栅FBG11反射回一个条纹的光，其余条纹的光透过光纤光栅FBG11传输出系统；被光纤光栅FBG11反射回来的那个条纹的光作为激光谐振腔的增益谱；此光再次经过光纤环行器C1，到达光纤耦合器N2，被光纤耦合器N2分成二路；一路光经过光纤L11，到达光纤端面A1，被光纤端面A1反射回来，再次经过光纤耦合器N2，经过光纤耦合器N4及光纤耦合器N5，光被光纤耦合器N5分成二路；一路光作为输出到达光纤耦合器N6，另一路光经过光纤隔离器I，经过光纤环行器C3，经过光纤光栅FBG22，经过波分复用器WDM1，经过掺铒光纤EDF1，光强被掺铒光纤EDF1放大，经过光纤准直镜G11准直，垂直入射到法布里-珀罗标准具上；光透过法布里-珀罗标准具，耦合进光纤准直镜G12，经过光纤环行器C1，到达光纤光栅FBG11，再由光纤光栅FBG11反射回来；此路光如此循环往复传输，构成一个环行子谐振腔；经过光纤耦合器N2的另一路光经过光纤L12，到达光纤端面B1，被光纤端面B1反射回来，再次经过光纤耦合器N2，经过光纤耦合器N4及光纤耦合器N5，被光纤耦合器N5分成二路；一路光作为输出到达光纤耦合器N6，另一路光经过光纤隔离器I，经过光纤环行器C3，经过光纤光栅FBG22，经过波分复用器WDM1，经过掺铒光纤EDF1，光强被掺铒光纤EDF1放大，经过光纤准直镜G11准直，垂直入射到法布里-珀罗标准具上；光透过法布里-珀罗标准具，耦合进光纤准直镜G12，经过光纤环行器C1，到达光纤光栅FBG11，再由光纤光栅FBG11反射回来；此路光如此循环往复传输，构成另一个环行子谐振腔；由这二个环行子谐振腔构成一个光纤复合环行激光谐振腔；当频率同时满足这二个环行子谐振腔的谐振条件，且在激光谐振腔的增益谱内的光产生谐振，当激光谐振腔的增益大于损耗的时候，从光纤耦合器N5的一个端口输出频率为f1对应波长为λ1的单纵模激光；同时，信号发生器B0发出一个频率为f0正弦信号加在压电陶瓷PZT12上，驱动压电陶瓷PZT12以频率f0正弦调谐此光纤复合环行激光谐振腔的腔长；频率为f1的单纵模激光从光纤耦合器N5的一个端口输出以后，被光纤耦合器N6分成两路，其中一路光到达声光调制器AOM1，经过声光调制器AOM1和AOM2移频fY后，激光频率由f1变为f1+fY；此光经过光纤光栅FBG23，经过光纤准直镜G准直，垂直入射到被测物体上，再被被测物体反射或散射回来；由于被测物体的运动，被它反射或散射回来的光将产生多普勒频移fD，因此，光从被被测物体反射或者散射以后，光的频率变为f1+fY±fD；此光再次经过光纤准直镜G，再次经过光纤光栅FBG23，再次经过移频器AOM1和AOM2，再次被移频fY，激光频率变为f1+2fY±fD；此光沿原路返回对应的光纤复合环行激光谐振腔中，与腔内的光汇合，产生频率为2fY±fD的外差自混合干涉信号；此外差自混合干涉信号经过光纤耦合器6，到达并经过光纤环行器C4，经过光纤光栅FBG24，被光电探测器PD1探测；光电探测器PD1探测到的信号分别经过信号处理电路1B1和信号处理电路2B2处理；信号处理电路1B1的输出信号加在压电陶瓷PZT11上，驱动压电陶瓷PZT11调节光纤复合环行激光谐振腔的腔长；当光电探测器PD1探测到的信号经过电路处理以后的信号频率为2f0时，即频率为信号发生器B0发出的正弦信号的频率的二倍，此时激光频率在增益谱的峰值处，信号处理电路1B1的输出电压为零，光纤复合环行激光谐振腔的腔长保持不变；当光电探测器PD1探测到的信号经过电路处理以后的信号与信号发生器B0发出的正弦信号同频同相时，此时激光频率在增益谱的左侧，信号处理电路1B1的输出电压为正值，驱动压电陶瓷PZT11调节光纤复合环行激光谐振腔的腔长使之变短，从而使激光频率回到增益谱的峰值处；当光电探测器PD1探测到的信号经过电路处理以后的信号与信号发生器B0发出的正弦信号同频反相时，此时激光频率在增益谱的右侧，信号处理电路1B1的输出电压为负值，驱动压电陶瓷PZT11调节光纤复合环行激光谐振腔的腔长使之变长，从而使激光频率回到增益谱的峰值处；通过这样的反馈控制，就把激光频率稳定在了增益谱的峰值处，实现了对此路激光频率的稳定；来自光纤耦合器N1的另一路光经过波分复用器WDM2，耦合进另一个光纤激光谐振腔；经过掺铒光纤EDF2，激发出1550nm波段的荧光；此荧光经过光纤准直镜G21准直以后，垂直入射到由平行平板P3和P4构成的法布里-珀罗标准具上，透过法布里-珀罗标准具的光为一列等间距条纹；此列等间距条纹的光耦合进光纤准直镜G22，经过光纤环行器C2，到达光纤光栅FBG21；光纤光栅FBG21反射回一个条纹的光，其余条纹的光透过光纤光栅FBG21传输出系统；被光纤光栅FBG21反射回来的那个条纹的光作为激光谐振腔的增益谱；此光再次经过光纤环行器C2，到达光纤耦合器N3，被光纤耦合器N3分成二路；一路光经过光纤L21，到达光纤端面A2，被光纤端面A2反射回来，再次经过光纤耦合器N3，经过光纤耦合器N4及光纤耦合器N5，光被光纤耦合器N5分成二路；一路光作为输出到达光纤耦合器N6，另一路光经过光纤隔离器I，经过光纤环行器C3，到达光纤光栅FBG22，被光纤光栅FBG22反射回来，再次经过光纤环行器C3，经过波分复用器WDM2，经过掺铒光纤EDF2，光强被掺铒光纤EDF2放大，经过光纤准直镜G21准直，垂直入射到法布里-珀罗标准具上；光透过法布里-珀罗标准具，耦合进光纤准直镜G22，经过光纤环行器C2，到达光纤光栅FBG21，再被光纤光栅FBG21反射回来；此路光如此循环往复传输，构成一个环行子谐振腔；经过光纤耦合器N3的另一路光经过光纤L22，到达光纤端面B2，被光纤端面B2反射回来，再次经过光纤耦合器N3，经过光纤耦合器N4及光纤耦合器N5，被光纤耦合器N5分成二路；一路光作为输出到达光纤耦合器N6，另一路光经过光纤隔离器I，经过光纤环行器C3，到达光纤光栅FBG22并被光纤光栅FBG22反射回来，再次经过光纤环行器C3，经过波分复用器WDM2，经过掺铒光纤EDF2，光强被掺铒光纤EDF2放大，经过光纤准直镜G21准直，垂直入射到法布里-珀罗标准具上；光透过法布里-珀罗标准具，耦合进光纤准直镜G22，经过光纤环行器C2，到达光纤光栅FBG21，再被光纤光栅FBG21反射回来；此路光如此循环往复传输，构成另一个环行子谐振腔；由这二个环行子谐振腔构成一个光纤复合环行激光谐振腔；当频率同时满足这二个环行子谐振腔的谐振条件，且在激光谐振腔的增益谱内的光产生谐振，当激光谐振腔的增益大于损耗的时候，从光纤耦合器N5的一个端口输出频率为f2对应波长为λ2的单纵模激光；同时，信号发生器B0发出的频率为f0正弦信号加在压电陶瓷PZT22上，驱动压电陶瓷PZT22以频率f0正弦调谐此光纤复合环行激光谐振腔的腔长；频率为f2的单纵模激光从光纤耦合器N5的一个端口输出以后，被光纤耦合器N6分成两路，其中一路光到达声光调制器AOM1，经过声光调制器AOM1和AOM2移频fY后，激光频率由f2变为f2+fY；此光到达光纤光栅FBG23并被光纤光栅FBG23反射回来，再次经过移频器AOM1和AOM2，再次被移频fY，激光频率变为f2+2fY；此光沿原路返回对应的光纤复合环行激光谐振腔中，与腔内的光汇合，产生频率为2fY的外差自混合干涉信号；此外差自混合干涉信号经过光纤耦合器6，到达并经过光纤环行器C4，到达光纤光栅FBG24并被光纤光栅FBG24反射回来，再次经过光纤环行器C4以后，到达光电探测器PD2并被光电探测器PD2探测；光电探测器PD2探测到的信号分别经过信号处理电路3B3和信号处理电路4B4处理；信号处理电路3B3的输出信号加在压电陶瓷PZT21上，驱动压电陶瓷PZT21调节光纤复合环行激光谐振腔的腔长；当光电探测器PD2探测到的信号经过电路处理以后的信号频率为2f0时，即频率为信号发生器B0发出的正弦信号的频率的二倍，此时激光频率在增益谱的峰值处，信号处理电路3B3的输出电压为零，光纤复合环行激光谐振腔的腔长保持不变；当光电探测器PD2探测到的信号经过电路处理以后的信号与信号发生器B0发出的正弦信号同频同相时，此时激光频率在增益谱的左侧，信号处理电路3B3的输出电压为正值，驱动压电陶瓷PZT21调节光纤复合环行激光谐振腔的腔长使之变短，从而使激光频率回到增益谱的峰值处；当光电探测器PD2探测到的信号经过电路处理以后的信号与信号发生器B0发出的正弦信号同频反相时，此时激光频率在增益谱的右侧，信号处理电路3B3的输出电压为负值，驱动压电陶瓷PZT21调节光纤复合环行激光谐振腔的腔长使之变长，从而使激光频率回到增益谱的峰值处；通过这样的反馈控制，就把激光频率稳定在了增益谱的峰值处，实现了对此路激光频率的稳定；二个驱动电源RF1和RF2发出的信号一方面分别加在声光调制器AOM1和AOM2上，使声光调制器AOM1和AOM2工作；另一方面输入混频器混频，混频器的输出信号经过信号处理电路5B5处理以后，与信号处理电路2B2的输出信号和信号处理电路4B4的输出信号同时输入至AD转换卡；AD转换卡的输出信号输入计算机B7，被计算机B7软件程序作数据处理后，得到消除了从光纤耦合器N5到光纤光栅FBG23之间的光程受环境干扰的测量结果，由输出结果B8输出。

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