全光纤速度干涉仪设计及应用

　　0　引言

　　激光干涉测速技术由于其非接触、抗电磁干扰、测试准确度高等优点,目前已经广泛应用于对高速运动事件进行非接触的连续速度历史进行测试,研究冲击与爆轰状态下材料的特性[1-5]等领域.激光干涉测速技术可以分为位移干涉仪和速度干涉仪.位移干涉仪的测量速度正比于信号频率.由于一般采用数字记录系统记录信号,因而信号频率的最大值取决于记录系统的带宽,也即记录系统的带宽决定了信号的最大频率,相应的决定了测量速度的最大值[6].速度干涉仪如任意反射面激光干涉测速系统(Velocity Interferometer System for AnyReflector,VISAR)[7-8],虽然没有最大测量速度的限制,但在仪器结构方面较复杂、造价较高.而全光纤VISAR[9-10]虽然结构简单、造价低,由于结构上的缺陷,只有一半的光参加干涉,最大对比度只能达到1/3,这有可能是该技术目前还没有较好的高速过程测量结果的原因.

　　本文介绍的全光纤激光干涉测速仪,结构简单,条纹常量方便可调,能满足高速和低速等不同速度过程的需要,并且能用于漫反射面的测量,参与干涉的光信号对比度可达到1,能得到较好质量的干涉信号.

　　1　光纤速度干涉仪原理与设计

　　如图1,由光纤激光器输出的激光(频率为f0)经过单模光纤传输至光纤环行器;通过该光纤环行器后由单模光纤传输至光纤探头;光纤探头将激光引向运动靶面.由靶面反射回的漫反射光经光纤探头收集后进入单模光纤,经过光纤环行器,由光纤环行器另一端口输出,并经过一个1×2光纤耦合器分为两路光,这两路光经过不同长度的单模光纤传输后在3×3光纤耦合器中合束进行干涉.

　　设计上使两路光之间有一定的时间延迟(两光路中光纤的长度不同),则在两路光合束时,将产生激光速度干涉仪信号,该干涉信号满足式(1)

　　式中τ为两路光之间的相对延迟时间,u(t-λ/2)为t时刻到t-τ时刻内靶面运动的平均速度,λ为激光波长,F=λ/2τ=c0λ/2nL称之为速度干涉仪的条纹常量,c0是真空中的光速,n是单模光纤的折射率,L是两路光之间的光纤长度差.实验中未采用加窗测试,故式(1)中没有考虑窗口的折射率修正因子.该干涉仪中通过改变两光路中光纤之间的长度差来调节条纹常量,以适应不同速度过程的测量准确度和信号频率要求.显然,由于光纤的采用,其在调节干涉仪条纹常量方面很方便.同时,由于单模光纤的采用,使得每路光纤中只有一个空间模式的光参与干涉.因而,即使是从漫反射面返回的光,经过该单模光纤系统选模后,一样能形成较好的干涉,从而可对漫反射靶进行测量.