利用CCD光电探测器阵列对光导纤维间色散进行干涉时间测量

文章内容：对,.《=)/过去几年里,族习纤乡,利用光电探测器阵列秆维模问色散进行干涉时问测量们对光导纤维折射率分布特性和特殊光导纤维元件如模间耦合器的兴趣.光学色散测量技术中最引人注意的是干涉技术,干涉技术中,可以测得作为延迟一定波长范围的函数的干涉仪输出信号,干涉仪的延迟变化使输出信号产生一个振荡分量,该分量给出了所期待的时问信息..光源可以是超短脉冲激光或白光.一般说来,使用分光计时,白光具有幅值稳定和调谐范围宽等优点.对于测量模问色散,优先选用短激光脉冲因其更易激发高阶模.模间色散使输入脉冲能量分到几个脉冲,导致干涉对比度较低,这是因为在干涉仪的一个给定延迟中,只有一种模发生干涉而其它模作为背景.更为常见的是由干涉产生的振荡分量与背景光相比较弱,这给获得准确的时间信息带来了困难.使用有噪声的激光光源时这种现象更为严重.我们介绍了一种实现干涉时间测量的新方法,即利用光电探测器阵列分析干涉仪产生的图象.过去,阵列已用于数量级的时间漂移的干涉测量.与干涉技术结合还用于测量空间图象.本文中我们介绍阵列结合可变延迟线用于时间间隔超过1的测量,精度为级,我们发现,即使干涉信号较弱且存在严重的噪声,利用阵列和滤波电路,仍可重新获得准确的时间信息.在典型的干涉测量中,强度为.的激光脉冲与以某种方式从第一个脉冲中派生的强度为.的脉冲发生干涉,我们在光导纤维模间色散实验中采用马赫一曾德耳干涉仪.该干涉仪一6一为单模光纤(参考光纤).测量光纤为通讯光纤,有一单模在1.3,在可见光区域有几个模.实验装置如图所示.来自锁模染料激光器的每一个可见光脉冲由分束器分为两部分(称作,2),脉冲经可变延迟线进入参考光纤,而脉冲2进入可激励几个高阶模的多模测最光纤.在光导纤维出口处,由于光纤的强烈模问色散,脉冲2分成几个在时间上完全分离的次脉冲,四次通过延迟线用于增大时间范围.光导纤维长40,以使得我们可以从时问上分辨不同模.测量光纤和参考光纤在终端并为一体,与放置在20处的屏幕相联.当可变延迟在计算机控制下变化时,脒?与脉冲2的一个次咏冲相遇,出现干涉图样;当两者脱离时,干涉图样随即消失.当脉冲不重合时,屏上的衍射光强为均匀的,观察不到干涉现象.因此,本实验中所需要的是精确测量作为昧?11,2问相对延迟函数(:涉条纹的对比.蝴出蝮图霍围图测量横问色散的干涉条纹检测系统(包括交流均方转换器)实验装旦'_■●■--■■-●●一嘧期,3,第青年该测量的凼准可以从图2小看出,11出了屏上一点的光强测量值,光强为延迟的函数,这一测量对应于多模测量光纤与.,单模参考光纤的干涉.通过观察屏上条纹的空间分布确定该模为.模.直条纹出现在对应于模的最大电场强度的四个区域.在该测量中,测量光纤的大部分能量耦合成模.口径小于条纹宽度的光电二极管置于屏上,当计算机改变延迟时,光电二极管信号送入示波器.这时,干涉条纹扫过探测器并产生预期的振荡图样,遗憾的是,在图2中可以观察到噪声信号.这样就不可能检测其它较弱的激励模式.对图2的测量,通过优化激光器参数,可在很大程度上减小激光器的幅值噪声.通常,幅值噪声大于或等于8%.造成信噪比低的原因有:第一,两相干脉冲幅值不等和由于其它模而引起的低对比度条纹而造成的非相干背景;第二,由于激光器幅值和波长波动以及机械振动导致的干涉测量装置的波动引起的火量噪声.图:无干涉条纹检测系统时对2.5冲测得的干涉信号当计算机改变图2中的延迟时,可以用肉眼清晰地观察到干涉条纹.这使我们想到处理干涉条纹图象可能会取得好的效果,事实确实如此.我们所用的装置如图1所示.128位阵列置于屏中心附近,大约覆盖8对明,暗干涉条纹.因为象素每2.56读出一次,所以干涉条纹产生的信号频率为3.5.图3给出了在有干涉条纹(图3)和无干涉条纹时获得的读出画-1:1的例子.3.5调制信号迭』1住2.56的斜波上,反映了…于激光光求衍射而引起的照度的不均匀性.信号一般在低频处(0～10)受噪声影响,而3.5的调制信号不受影响.时橱()(1图3输出信号)有干涉条纹时;)无干涉条纹时.如图1所示,读出信号经中心频率为3.5的带通滤波器以增强干涉条纹信号.所选择滤波器的带宽是干涉条纹调制信号谱宽度的函数.当干涉条纹存在时,滤波器输出信号出现,在其它情况下只有残余的3.5信号存在.残余调制信号是由于滤波频率中不均匀背景信号的频谱分量所致.最后一步是引入一个交流均方转换器.该转换器完成二个任务.一是对时问取平均.当干涉条纹不稳定且移动量超过一个条纹宽度时,不是总能直接对或滤波器输出均等时间的,通过将滤波器输出转换为直流量,则可能通过延缓转换器积分时间对信号取平均;二是提高信噪比.滤波器输出的残余调制信号幅值对噪声不敏感.当滤波器在低频扫描输出时,残余调制信号以背景噪声的形式出现.但事实上并非如此,当转换为直流量时,残余调(下转第44页)一6一和天花板不会破碎,我们将把整个系统安装在一个为该设备专门设计的反作用质量块上,这个质量块是山一百多万磅的混凝土和钢筋建成.4.多轴试验的前景目前,对多轴试验系统的需求主要来源干国防工业和建筑工业.这二个工业沉重依赖于政府基金.国防工程需要用强力,高频设备试验航空航天应用的构件,需要用低频设备来模拟船上的振动.建筑工业在桥梁,高速公路和建筑物的地震试验中使用庞大的大能量水力系统.日本和法国已设计安装了地震试验用的先进的三轴设备.法国宇航机构()也建立了一个特殊的系统,它使用一个10×10的矩阵和一个用于六个自由度地震试验的振动控制器.三轴试验的另一个应用是控制核工业使用的与安全相关的电及电子设备.这个设备包括电动机控制中枢,控制杆驱动机构和其它电脑化的控制设备.使用一个水电,三轴试验仪,它能在0.5至100频率范围内产生具有8英寸(时)位移的36,000(磅力).这个设备能进行14,000(磅每秒)的试验.短期内,我们有希望看到三轴试验系统的应用成为商品化.卫星和发射系统的私营开发商将可能是继国防工业之后首先采用这种试验手段的先行者之一.汽车业和制

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