用于多点测试的全光纤速度干涉仪研究

　　1　引　言

　　从20世纪70年代开始,激光速度干涉仪已广泛应用于瞬态速度测量[1,2]。传统速度干涉仪主要由数十个精密加工镀膜透镜、棱镜及其支架等离散器件构成,虽然具有调试困难,光损耗高等缺点,但由于其在非接触、连续测量中的独特用途而沿用至今。随着光纤技术的成熟、光电技术的发展和固体激光器的完善,用全光纤速度干涉仪(AFVI)取代离散器件构成的速度干涉仪,已经成为一种趋势。20世纪90年代中期,全光纤速度干涉仪的研究取得了重大发展,以色列和我国先后成功地研制了全光纤速度干涉仪[3~5],特别是我国所研制的全光纤速度干涉仪,已经有了应用于低速冲击下样品表面速度测量的成功实践[4,5],而且利用全光纤速度干涉仪能够实现光纤长度的测量[6]、语音信号的提取[7]。在研究材料的特性与高温高压下的物态变化是十分有意义的,而对样品表面的多点测试,一直为冲击波和爆轰物理领域的研究者所关注。

　　本文基于时分复用(TDM)原理[8],提出了一种新型结构的用于多点测试的全光纤速度干涉系统,并将所研制的系统用于低速冲击下样品自由面速度的测试,得到了实验曲线。

　　2　系统结构设计与原理

　　在以往全光纤速度干涉仪研究基础上,采用光纤延迟的方法,提出一种全新的用于两点速度测试的全光纤速度干涉仪系统,结构如图1所示。

　　系统由3只2×2光纤耦合器(coupler)、两只光电探测器和两只光纤准直器(collimator)(作为探测光的发射和接收装置)以及单模光纤构成。与以前的全光纤速度干涉仪相比[4],增加了为实现靶面(target )Ⅱ测量引入的准直器Ⅱ和光纤延迟线T,使得系统无空缺端口,充分利用了激光器的注入光功率。稳定的光源发出的激光经过[2×2]光纤耦合器Ⅰ分光后,注入光纤耦合器Ⅱ中,经过耦合器Ⅲ到达被测靶面,反射后重新注入系统,经过光纤耦合器Ⅲ后,相干光在耦合器Ⅱ形成干涉信号,并被探测器Ⅰ,Ⅱ所检测。

　　针对每一个靶面,系统都形成两束传播方向相反的相干光,它们的传播路径是

　　相干光束(1),(2)在耦合器Ⅱ形成干涉,探测器Ⅰ,Ⅱ所检测的相干电信号反映了靶面Ⅰ的运动情况,而且静态时是绝对等程干涉仪,所以能够利用宽光谱、短相干长度的光源来实现速度测量[3,4]。同理相干光束(3),(4)的相干结果反映靶面Ⅱ的运动情况,光纤延迟线T是使两组干涉结果在时域上实现时分复用引入的延时,而且光纤延迟线T一般远远大于光源的相干长度,所以两组干涉光束之间不会产生干涉型干扰。

　　与单探测端口的全光纤速度干涉仪[3,4]一样,能够实现多点测试的全光纤速度干涉仪也利用了由于延时τ的存在,相干光经过[2×2]耦合器后,将产生频率为相干光多普勒频移差ΔF的干涉条纹,干涉条纹频率f(t)可表示为[9]