光电工程  2018, Vol. 45 Issue (2): 170621      DOI: 10.12086/oee.2018.170621     
用于光纤多普勒测振的远距离光纤准直系统
刘杰 , 王伟 , 陈海滨 , 张雄星 , 郭子龙     
西安工业大学光电工程学院,陕西 西安 710021
摘要:为了解决光纤多普勒测振仪远距离非接触测量物体振动时,信号偏弱、过零点波形凌乱、难于解调的问题,本文提出了一种新型光纤准直系统。本系统主要采用在小型C-lens光纤准直器后端增加整形系统并借助ZEMAX软件对高斯光束进行准直并优化,通过对光纤准直系统成品进行耦合测试实验,使用C-lens准直器与光纤准直系统进行信号耦合效率的测试对比。实验结果表明:改进后的准直系统能够满足2 m的工作距离,空间返回光耦合效率最大能达到6.3%,极大地提升了多普勒信号的对比度,提高了远距离光纤多普勒测振仪对振动的测量精度。
关键词光纤准直器    光纤多普勒测量系统    耦合效率    EDFA    
Long-distance optical fiber collimation system for Doppler vibrometer
Liu Jie, Wang Wei, Chen Haibin, Zhang Xiongxing, Guo Zilong     
School of Optoelectronics Engineering, Xi'an Technological University, Xi'an, Shaanxi 710021, China
Abstract: In order to solve the problem of weak signal, messy waveform at zero-point and difficult demodulation, when the optical Doppler vibrometer in the long-distance non-contact measurement, in this paper, a new type of optical fiber collimation system is proposed. The system mainly uses an augmented beam shaping system at the end of a small C-lens optical fiber collimator and the Gaussian beam is collimated and optimized by ZEMAX software. Through the coupling test of finished product of optical fiber collimation system, and compared with the signal coupling efficiency of C-lens collimator. The experimental results show that the improved collimation system can meet the working distance of 2 meters, and the coupling efficiency of space return optical up to 6.3%, which greatly enhances the Doppler signal contrast and improves the long-distance optical fiber Doppler vibration measurement accuracy.
Keywords: fiber collimator    optical fiber Doppler measurement system    coupling efficiency    EDFA    

1 引言

1966年,Barker等人首次将光学系统使用分立元件搭载的激光干涉仪用于爆轰波物理研究,测量铝在低压爆轰过程中的位移和粒子速度。但是,条纹对比度差,对反射表面要求高,带宽要求高,难以记录[1-2]。2005年,桑迪亚哥国家实验室(Sandia National Lab)基于迈克尔逊干涉仪原理,用光环行器代替分束镜,用1550 nm波长的激光发射到目标物体,再反射回输出端,输出端用1×2耦合器引出两路信号,一路直接输出,另一路加参考臂引出。两路信号到达输出端的时间会有间隔,产生差频信号,利用短时傅里叶求解频率,用多普勒效应原理求解速度[3-4]。但是,该技术的低速测量误差较大,使用的光学准直透镜为最常用的光纤准直器,是由光纤头和0.23节距的自聚焦透镜(G-lens)或者折射率为常数的厚透镜(C-lens)组成,而普通光纤准直器的准直距离仅有约30 mm[5-6]。2008年研制的三相PDV (path delay value),吸取了VISAR (visual inspection system for the analysis of reports)技术,引进全光纤光路,通过先求解位移(实验发现一个干涉条纹对应一个波长的一半)后求解速度的方法,在低速测量的试验中提高了测量精度,但未提及工作距离[7-10]。综上所述,引用全光纤光路的准直系统能够简化系统装置,在测量方面,由于准直系统的工作距离短,对于高速运动的物体,易造成空气震动以及弹丸碎片对光学系统的抖动,对测量结果有一定的影响[11]。本文提出了一种新型的光纤准直系统,主要采用在小型C-lens光纤准直器后端增加整形系统,通过整形系统对光纤准直器出射的1550 nm不可见光的光斑进行准直、圆化,准直出射到2 m远的运动物体表面,通过运动物体反射,再经过光学整形系统整形耦合到C-lens准直器中,实现高耦合效率的返回光信号。为提高长距离非接触测量振动物体得到的多普勒干涉信号对比度提供了参考。

2 设计原理

长距离光纤准直器是在原有的C-lens光纤准直器的基础上,在C-lens后端经过一个整形光学系统,对C-lens光纤准直器出射的1550 nm波长的光斑进行改进,以期达到所需的工作距离。故此长距离光纤准直系统由两部分组成:光束整形系统和光纤耦合系统。光束整形系统对激光光信号进行处理,使其匹配耦合光学系统的参数;耦合系统主要用来将返回的光信号高效耦合进入光纤。

2.1 光纤耦合系统

G-lens光纤准直器的后端面为平面,透镜折射率沿梯度变化,焦距可以通过改变透镜的长度来实现,一般采用0.23节距长度来实现准直效果[12]。而C-lens准直器由我国自主研发,具有长距离工作性能良好、成本低等特点,其采用折射率为常数的厚透镜,后端面为球面,前端面为斜面[13-14]。采用C-lens的光纤准直器的结构及其参数如图 1所示。当斜面倾角θ为8°时,C-lens光线准直器的回波损耗值可大于60 dB,完全满足光纤通信的要求[15]。因光纤头端面的8°斜角,造成输出光束与准直器轴线存在夹角β,称为点精度。准直器的工作距离为WD,准直器输出的高斯光束的束腰距离其端面为WD/2,束腰半径为ω,高斯光束的发散角与束腰半径成反比关系。

图 1 光纤准直器结构图 Fig. 1 Fiber collimator structure
2.2 光束整形系统设计

高斯光束的准直距离即实际的工作距离,对于准直器最大工作距离的定义,往往可理解为该准直器输出光斑的共焦参数Z,计算公式如式(1):

$ {W_{\rm{D}}} = Z = \frac{{\pi {\omega ^2}}}{\lambda }。$ (1)

长工作距离意味着在更长的传输距离里高斯光束仍近似成平行光,必然要把光斑做大。为达到激光的准直扩束目的,采用图 2所示系统模型分析高斯光束的准直原理。式(2)、式(3)中Z01Z02为共焦参数,w01w02分别为物方和像方的束腰半径。

图 2 高斯光束准直模型 Fig. 2 Gaussian beam collimation model

透镜的共焦参数可以表示为

$ {Z_{01}} = \frac{{\pi \omega _{01}^2}}{\lambda }, $ (2)
$ {Z_{02}} = \frac{{\pi \omega _{02}^2}}{\lambda }。$ (3)

设透镜均为薄透镜,根据薄透镜的高斯光束变换公式有:

$ \frac{1}{{{{l'}_1}}} = \frac{1}{f}- \frac{1}{{{l_1}}}\frac{1}{{1 + Z_{01}^2/[{l_1}({l_1}-f)]}}, $ (4)
$ {\omega '_{01}} = \frac{{f \cdot {\omega _{01}}}}{{{{[{{({l_1}-f)}^2} + Z_{01}^2]}^{1/2}}}}。$ (5)

根据上面的计算,经望远镜系统变换后,光束的最大扩束比为

$ {\left( {\frac{{{\omega _{02}}}}{{{\omega _{01}}}}} \right)_{\max }} = \left| {{M_{\rm{T}}}} \right| \cdot \sqrt {1 + \frac{{{{({l_1}-{f_1})}^2}}}{{Z_{01}^2}}}, $ (6)

其中:${M_{\rm{T}}} =-\frac{{{f_2}}}{{{f_1}}} $,还可求得:

$ \left\{ \begin{array}{l} {l_2} = {f_2}\\ l = {f_1} + {f_2} + \frac{{f_1^2 \cdot ({l_1}-{f_1})}}{{{{({l_1}-{f_1})}^2} + Z_{01}^2}} \end{array} \right.。$ (7)

在设计中必须有效地利用设计软件对透镜中高斯光束的变换进行优化和校正。本设计所使用的光线准直器工作距离为30 mm,由式(1)可得其输出光束的束腰半径为0.12 mm,实际所需的光束束腰半径为0.99 mm,以此为理论计算值,实际的设计应用中会存在偏差。在计算中忽略了透镜的厚度,计算结果具有近似性,根据上述公式可得此光学系统所需的设计指标如表 1

表 1 光学设计指标 Table 1 Optical design index
Parameter Value
Work wavelength/nm 1550±30
Zoom ratio
Length range/m 2
Total length/mm < 90
3 设计仿真

本文从实用的角度出发,阐述ZEMAX在光无源器件-单模光纤准直器设计中的应用,通过建模来验证ZEMAX在单模光纤准直器设计中的可行性。

运用高斯光束经过望远镜系统的初始结构,平行光进入平行光出射的无焦系统,通过原理公式计算所得光斑尺寸大小进行仿真优化。在序列模式下,中心波长选择1550 nm,优化函数选择RMS+Wavefront,对透镜准直工作距离进行优化,优化后的参数如图 3所示。

图 3 透镜组参数 Fig. 3 Lens group parameters

图 4是通过优化函数选择RMS+Wavefront,进行优化后所得的光束传输分布2D图,在整形系统出射的像面上的准直光斑能量分布图如图 5所示。

图 4 光束传输2D图 Fig. 4 Beam transmission 2D figure

图 5 像面能量分布图 Fig. 5 Image surface energy distribution

图 6图 7为优化后的点列图和艾里斑点列图,可以看出模拟的光线弥散光斑都在规定的艾里斑内。

图 6 准直透镜的点列图 Fig. 6 Collimator lens point diagram

图 7 准直透镜优化后点列图 Fig. 7 Collimator lens optimization point diagram

整形系统的波前差函数如图 8所示。

图 8 波前差函数图 Fig. 8 Wavefront difference function chart

通过Zemax光学设计软件仿真结果表明,设计的整形系统能够实现平行光束2 m的工作距离内平行准直。同时满足所需要的光斑半径,在像面处仿真得到的能量分析图,能量均匀性良好。优化后波前差远小于0.25λ的要求,得到了良好的准直度。

4 实验与结果分析

光纤准直系统的耦合效率的测试结构如图 9所示,此测试方案是直接基于光纤多普勒测振系统完成,其主要由分布式反馈(distributed feedback laser,DFB)激光器、掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier, EDFA)、光纤环行器、C-lens准直器、光束整形透镜组以及光功率计组成。

图 9 耦合效率测试方案图 Fig. 9 Coupling efficiency test scheme

图中DFB激光器的输出中心波长为1550 nm(线宽 < 1 MHz),功率为0 mW~20 mW之间可调。光环行器的使用可以有效地使得返回光从3端口输出,一方面可以保证DFB激光器波传输的单向性,避免后续光路反射光以及杂散光对光源工作稳定性的干扰;另一方面,除了该器件引入的少量插入损耗外,相比于常规的2×2光纤耦合器或者1×2光纤耦合器,可以显著提高对光源发射光功率的利用率。为了实现长距离探测(2 m),需要将激光器的输出功率放大,可使用掺铒光纤放大器(EDFA,即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3+的光信号放大器)工作的中心波长为1550 nm,其具体参数见表 2。EDFA的主要优点是增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低[16]

表 2 EDFA主要参数 Table 2 EDFA main parameters
Parameter Value
Work wavelength/nm 1530~1568
Input power/mW 0.25 ~2
Adjustable gain/mW 200
Noise index/mW 3.55
Power supply DC+5 V
(Working current: 350 mA)
Pigtail FC/APC

DFB激光器输出光进入EDFA的输入端,EDFA的输出端接入环行器的1端口,经过环行器2端口出射,经过C-lens准直器和透镜组后,垂直入射到物体表面,物体表面贴有反光贴纸以提高反射效率,反射光返回系统经环行器2端口,并从3端口出射接入光功率计,可测得返回光功率。P3表示为环行器3端口出射所得的光功率,为了提高系统的精确度,减少环行器所产生的损耗量,将环行器2端口的输出光功率定义为P2。系统耦合效率测试时,由于1550 nm的激光属于非可见光波段,测试手段较困难。所以在耦合调校时,测试过程中采用的是632.8 nm的红光进行对准。耦合效率η的定义为:η=P3/P2P1为半导体激光器设置的光功率(0 mW~20 mW),测试过程中共分为11组,P1P2P3的测试数据记录如表 3表 4表 3为原始系统的C-lens准直器耦合效率测试结果,表 4为改进后的准直系统耦合效率测试数据。图 10为C-lens光纤准直器与新型光纤准直仪的耦合测试曲线图。

表 3 C-lens准直系统耦合效率测试数据 Table 3 C-lens collimation system coupling efficiency test data
Wave-
length/nm
P1/mW P2/mW P3/μW Coupling
efficiency
(P3/P2)/%
0 0 0 0
2.1 1.670 0.2 0.01
4.1 3.205 1 0.03
6.1 4.767 3 0.06
8.1 6.313 13 0.02
1550 10.1 7.816 16 0.02
12.0 9.397 28 0.03
14.0 10.86 33 0.03
16.1 12.49 37 0.03
18.1 13.96 52 0.037
20.1 16.74 104 0.06

表 4 改进后准直系统耦合效率测试数据 Table 4 Improved collimation system coupling efficiency test data
Wave-
length/nm
P1/mW P2/mW P3/mW Coupling
efficiency
(Р3/Р2)/%
0 0 0 0
2.1 1.670 0.042 2.51
4.1 3.205 0.096 3
6.1 4.767 0.192 4.1
8.1 6.313 0.308 4.88
1550 10.1 7.816 0.406 5.2
12.0 9.397 0.523 5.55
14.0 10.86 0.614 5.65
16.1 12.49 0.727 5.8
18.1 13.96 0.838 6
20.1 16.74 1.05 6.3

图 10 C-lens准直器与新型光纤准直仪的耦合测试曲线图 Fig. 10 C-lens collimator and new fiber collimator coupling test curve

根据图 10可见,通过实验测试得到的光纤耦合的耦合效率随着光功率的增加而增加,最大耦合效率达到6.3%,比之前单独使用C-lens准直器时对返回光信号的耦合效率最大0.06%得到了明显的改善,对后期信号的解调工作起到了良好的辅助。

5 结论

为提高光纤多普勒测振系统测得的信号质量,设计了一款在C-lens准直器后端加入整形系统,通过ZEMAX软件对高斯光束经过整形系统的准直度与工作距离进行分析并仿真,得到所需要的透镜参数,后期经过加工处理得到新型光纤准直仪。并与C-lens单独整形系统进行耦合测试实验进行对比,返回光耦合效率得到了极大的改善,同时降低了对准直器角度要求,调节方便,基本满足测振系统以下几点要求:

1) ZEMAX设计的准直系统准直度良好;

2) 改进后的准直系统能够满足2 m的工作距离;

3) 空间返回光传输耦合效率最大能达到6.3%。

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