一种基于双折射电光调制晶体的非扫描相关解调系统的制作方法

1.本发明涉及传感器领域，具体是一种基于双折射电光调制晶体的非扫描相关解调系统。


背景技术：

2.光纤法布里-珀罗传感器(optical fiber fabry-perot sensor，简称光纤f-p传感器)，由于本身具有结构简单、稳定性好、抗电磁干扰能力强、成本低等优点，在全世界的研究及实际工程应用领域中得到广泛关注和认可。目前已在很多大型特种设备中担任重要角色，主要实现对结构的实时健康检测。
3.光纤f-p传感器主要由两段端面平整的光纤，相对平行的固定在毛细管中，构成的具有一定长度的f-p腔所组成，它独特的结构使其能将待测信息转变为腔长变化量，如图1所示。
4.当光入射到f-p腔时，光在腔内发生多光束干涉，干涉输出信号与f-p腔腔长有关。当外界参量(压力、温度和应变等)以一定方式作用于f-p腔时，引起腔长发生变化时，其干涉的输出信号也将会随之发生相应变化，再通过后端相应的解调系统，获取腔长的变化信息，进而知道外界参量的信息，实现传感。
5.根据多光束干涉的原理，光纤法-珀传感器的反射输出光强为：
[0006][0007]
式中r为法-珀腔两端面的反射率；l为腔长；λ为光波长；io为入射光强；
[0008]
由前所述，光纤珐-珀传感器的腔长l是反应被测对象的关键参数，而光纤珐珀传感器的信号解调，就是由其输出光强ir求解出其腔长值l。
[0009]
光纤法珀传感器的解调方法很多，非扫描式相关解调法因没有运动部件，可控性强，成本较低，不需要昂贵的光谱仪，应用前景十分广阔。国内外进行了大量的研究，国外的菲索公司利用平凹柱面镜将携带腔长信息的圆形光斑汇聚为线性光，通过获取最大光强处光电探测器(5)像敏元所对应的空气光楔厚度，即可解调出腔长信息，如图2所示。
[0010]
天津大学基于双折射晶体光楔，提出了一种利用偏振的干涉仪，当f-p传感器引入的光程差与解调干涉仪引入的光程差相等时，二者叠加后的光程差相互抵消，此时得到的干涉强度达到最大值，即可解调出腔长信息，如图3所示。
[0011]
根据上面的分析不难发现，在非扫描式相关解调系统中，光楔是核心器件，解调系统通过光楔引入呈空间分布的光程差。光楔主要有两种类型：一种是fiso公司提出的空气光楔，如图4(a)所示，空气光楔由两块间隙不大的玻璃平面构成，在这种光楔中，为了得到合适的光程差扫描范围，一般要求光楔的楔角非常小，楔角精度要求很高以及高质量的光学表面面型，这对光楔制作工艺的要求很高。
[0012]
另一种是由天津大学提出的双折射晶体光楔，如图4(b)所示，偏振光楔利用晶体
内部产生的o光和e光的光程差代替几何长度，但是要保证解调的精度，同样对光的入射角、光楔光轴角度以及光楔面的垂直度有很高的要求，制作工艺十分复杂。


技术实现要素：

[0013]
本发明的目的是提供一种基于双折射电光调制晶体的非扫描相关解调系统，包括准直透镜、起偏器、双折射电光调制晶体、检偏器、光电探测器、数据处理单元。
[0014]
所述准直透镜接收携带有f-p传感器腔长信息的反射光，并对所述反射光进行准直。
[0015]
携带有f-p传感器腔长信息的反射光的光强i如下所示：
[0016][0017]
式中，参数
[0018]
准直透镜接收穿过待测f-p传感器的反射光。
[0019]
准直后的反射光穿过起偏器，变成线偏振光。
[0020]
所述起偏器偏振方向与双折射电光调制晶体的光轴方向夹角记为α。
[0021]
夹角α＝45
°
。
[0022]
线偏振光穿过双折射电光调制晶体，变成两束折射光，分别记为o光和e光。
[0023]
所述双折射电光调制晶体折射率通过改变外加至双折射电光调制晶体的电压进行调节。
[0024]
所述双折射电光调制晶体为具有一级电光效应的电光调制晶体。
[0025]
o光和e光的复振幅分别如下所示：
[0026]eo
＝acosα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0027]ee
＝asinα
·eiδ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0028]
式中，a为线偏振光的振幅。eo、ee分别为o光和e光的复振幅。
[0029]
其中，o光和e光在通过双折射电光调制晶体后产生的相位差δ如下所示：
[0030]
δ＝kδnd＝kn
o3
red＝kn
o3
ru
ꢀꢀꢀ
(4)
[0031]
式中，参数o光和e光产生的折射率差δn＝n
o3
re。no为晶体折射率。d为晶体的厚度。λ为线偏振光的波长。u＝ed，u为所施加的电压。e为所施加的电场强度。r为电光系数。
[0032]
所述检偏器偏振方向与起偏器垂直。
[0033]
所述检偏器将o光和e光的振动方向投影到同一方向，使得o光和e光发生干涉。
[0034]
o光和e光经过检偏器后，在检偏方向的投影分别如下所示：
[0035]e′o＝eocosβ＝acosαcosβ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0036]ee
′
＝eesinβ＝asinαsinβ
·eiδ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0037]
式中，e
′o、ee′
分别表示o光和e光经过检偏器后，在检偏方向的投影。β为检偏器偏振方向与双折射电光调制晶体的光轴方向夹角。
[0038]
检偏器输出光的光强i
out
如下所示：
[0039][0040]
式中，λ
min
、λ
max
为反射光波长的上下限。r为f-p传感器的法珀腔两端面的反射率。l为法珀腔的腔长。
[0041]
所述光电探测器探测检偏器输出光信号。所述光电探测器对光信号进行光电转换，并传输至数据处理单元。
[0042]
所述数据处理单元根据检偏器输出光信号解调出f-p传感器腔长信息。
[0043]
数据处理单元显示光电探测器探测到的检偏器输出光信号，当f-p传感器产生的光程差与o光、e光产生的光程差匹配时，即干涉相关性达到最大时，检偏器输出光信号为极大值。所述极大值对应的法珀腔的腔长即为f-p传感器法珀腔的腔长。
[0044]
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提供一种基于双折射电光调制晶体干涉仪的非扫描相关解调系统，该系统利用能够通过外加电压控制晶体折射率的变化，进而控制双折射晶体内部的o光和e光的光程差，构造能与传感器输出光相关的函数，能够有效的解决光楔制造工艺难的问题。本发明利用双折射电光调制晶体取代之前难制作的光楔，解决了光楔制作工艺难度大的问题。
附图说明
[0045]
图1为非本征型光纤f-p传感器原理图；
[0046]
图2为非扫描相关解调系统；
[0047]
图3为非扫描相关解调系统；
[0048]
图4(a)为空气光楔；图4(b)为偏振光楔；
[0049]
图5为基于双折射电光调制晶体的非扫描相关解调系统；
[0050]
图6(a)为偏振光干涉的理论模型i；图6(b)为偏振光干涉的理论模型ii；
[0051]
图7为双折射电光调制晶体的解调原理图；
[0052]
图8为ccd相关解调信号；
[0053]
图中，准直透镜1、起偏器2、双折射电光调制晶体3、检偏器4、光电探测器5、数据处理单元6。
具体实施方式
[0054]
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0055]
实施例1：
[0056]
参见图5至图8，一种基于双折射电光调制晶体的非扫描相关解调系统，包括准直透镜1、起偏器2、双折射电光调制晶体3、检偏器4、光电探测器5、数据处理单元6。
[0057]
所述准直透镜1接收携带有f-p传感器腔长信息的反射光，并对所述反射光进行准直。
[0058]
携带有f-p传感器腔长信息的反射光的光强i如下所示：
[0059][0060]
式中，参数
[0061]
准直透镜1接收穿过待测f-p传感器的反射光。
[0062]
准直后的反射光穿过起偏器2，变成线偏振光。
[0063]
所述起偏器2偏振方向与双折射电光调制晶体3的光轴方向夹角记为α。
[0064]
夹角α＝45
°
。
[0065]
线偏振光穿过双折射电光调制晶体3，变成两束折射光，分别记为o光和e光。
[0066]
所述双折射电光调制晶体3折射率通过改变外加至双折射电光调制晶体3的电压进行调节。
[0067]
所述双折射电光调制晶体3为具有一级电光效应的电光调制晶体。
[0068]
o光和e光的复振幅分别如下所示：
[0069]eo
＝acosα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0070]ee
＝asinα
·eiδ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0071]
式中，a为线偏振光的振幅。eo、ee分别为o光和e光的复振幅。
[0072]
其中，o光和e光在通过双折射电光调制晶体3后产生的相位差δ如下所示：
[0073]
δ(u)＝kδnd＝kn
o3
red＝kn
o3
ru
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0074]
式中，参数o光和e光产生的折射率差δn＝n
o3
re。no为晶体折射率。d为晶体的厚度。λ为线偏振光的波长。u＝ed，u为所施加的电压。e为所施加的电场强度。r为电光系数。
[0075]
所述检偏器4偏振方向与起偏器2垂直。
[0076]
所述检偏器4将o光和e光的振动方向投影到同一方向，使得o光和e光发生干涉。
[0077]
o光和e光经过检偏器4后，在检偏方向的投影分别如下所示：
[0078]e′o＝eocosβ＝acosαcosβ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0079]ee
′
＝eesinβ＝asinαsinβ
·eiδ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0080]
式中，e
′o、ee′
分别表示o光和e光经过检偏器4后，在检偏方向的投影。β为检偏器4偏振方向与双折射电光调制晶体3的光轴方向夹角。
[0081]
检偏器4输出光的光强i
out
如下所示：
[0082][0083]
式中，λ
min
、λ
max
为反射光波长的上下限。r为f-p传感器的法珀腔两端面的反射率。l为法珀腔的腔长。io为入射光强。
[0084]
所述光电探测器5探测检偏器4输出光信号。所述光电探测器5对光信号进行光电转换，并传输至数据处理单元6。
[0085]
所述数据处理单元6根据检偏器4输出光信号解调出f-p传感器腔长信息。
[0086]
数据处理单元6显示光电探测器5探测到的检偏器4输出光信号，当f-p传感器产生
的光程差与o光、e光产生的光程差匹配时，即干涉相关性达到最大时，检偏器4输出光信号为极大值。所述极大值对应的法珀腔的腔长即为f-p传感器法珀腔的腔长。
[0087]
实施例2：
[0088]
一种基于双折射电光调制晶体的非扫描相关解调系统的工作原理，内容如下：
[0089]
设解调系统中的信号光为单色光，在通过起偏器后，信号光变为线偏振光。当光经过电光调制晶体之后，信号光再通过检偏器，其振动方向将被投影到与起偏器偏振轴相同的方向，设光波振幅为a，且与双折射电光调制晶体光轴方向的角度为α，信号光入射到双折射电光调制晶体后，根据双折射理论，将被分为o光和e光，且o光和e光的偏振方向互相垂直，其中o光偏振方向与光轴方向相同，如下图所示为偏振光干涉的理论模型：
[0090]
如图6(a)所示，o光和e光的复振幅可分别表示为：
[0091]eo
＝acosα(1)
[0092]ee
＝asinα
·eiδ
(2)
[0093]
其中，δ为o光和e光在通过双折射电光调制晶体后产生的相位差，其大小为：
[0094]
δ＝kδnd(3)
[0095]
其中δn＝n
o-ne，no、ne分别为o光和e光的折射率，d为晶体的厚度。
[0096]
从双折射电光调制晶体出射后的光束会经过检偏器，此时o光和e光在检偏方向的投影分别为:
[0097]e′o＝eocosβ＝acosαcosβ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0098]ee
′
＝eesinβ＝asinαsinβ
·eiδ
(5)
[0099]
出射的这两束光满足干涉条件，即频率和振动方向相同，相位差恒定，利用叠加原理可得两束光的干涉强度为：
[0100][0101]
当起偏器与检偏器的透光轴互相垂直(a
⊥
p)，且与电光调制晶体光轴方向各成45
°
角时，即α＝45
°
，β＝-45
°
时，令a＝1，上式干涉强度可变为：
[0102][0103]
可以看出，此时干涉强度对角度的敏感度最低并且条纹的可见度最好。
[0104]
由于d为一个恒定的值，所以改变δn即可改变两束光的相位差；
[0105]
本发明采用具有一级电光效应(pockels)的电光调制晶体，即介质折射率变化正比于电场强度。则o光和e光产生的折射率差δn可表示为：
[0106]
δn＝n
o3
re(8)
[0107]
式中：r为与晶体结构及温度有关参量，称为电光系数；e为所施加的电场强度；no为晶体对寻常光的折射率；
[0108]
所以此时两偏振光产生的相位差可表示为：
[0109]
δ(u)＝kδnd＝kn
o3
red＝kn
o3
ru(9)
[0110]
其中，u＝ed，u为所施加的电压。
[0111]
所以解调系统出射光强可表示为：
[0112][0113]
此时解调系统的输出光强为：
[0114][0115]
利用线阵ccd将产生的干涉条纹信号接收采集，当传感器产生的光程差与解调系统o光和e光产生的光程差匹配时，即两种干涉相关性达到最大时，ccd所检测到的图像将会出现极大值。io为入射光强。