光学调频连续波干涉技术

目录

 

第1章光学调频连续波干涉介绍1

1-1发展历史2

1-2光学FMCW干涉及其特性4
第2章光学调频连续波干涉原理7

2-1物理光学概述7

2-2光学FMCW干涉15

2-2-1锯齿波光学FMCW干涉19

2-2-2三角波光学FMCW干涉25

2-2-3正弦波光学FMCW干涉29

2-3多光束光学FMCW干涉33

2-4多波长光学FMCW干涉35
第3章光学调频连续波干涉的光源39

3-1光源介绍39

3-2激光原理40

3-2-1发光物质中的能级40

3-2-2光吸收和光发射41

3-2-3激活介质和粒子数反转43

3-2-4光学谐振器和激光模式46

3-2-5频率调制50

3-3半导体激光器（激光二极管）55

3-3-1半导体中的能带55

3-3-2半导体中光的吸收和辐射58

3-3-3半导体激光器的激活介质和粒子数反转59

3-3-4半导体激光器的光谐振和模式66

3-3-5半导体激光器的频率调制68

3-3-6半导体激光器的驱动电路71

3-3-7激光器噪声、频率漂移和反馈光效应72
第4章光学调频连续波干涉探测器75

4-1光学探测器简介75

4-2半导体光电二极管77

4-2-1PN型光电二极管78

4-2-2PIN型光电二极管81

4-2-3雪崩光电二极管（APD）82

4-3光电二极管偏置和信号放大84

4-4探测过程中的噪声87
第5章光学调频连续波干涉相干理论89

5-1光源频率带宽的影响89

5-2光学FMCW波的相干性94

5-3光源相位噪声的影响96
第6章光学调频连续波干涉仪99

6-1光学FMCW干涉仪的结构99

6-2迈克尔逊FMCW干涉仪103

6-3马赫泽德FMCW干涉仪106

6-4法布里珀罗FMCW干涉仪107
第7章光纤调频连续波干涉仪108

7-1光纤简介108

7-1-1单模光纤112

7-1-2双折射光纤113

7-2光纤器件简介116

7-2-1光纤定向耦合器117

7-2-2光纤偏振器120

7-2-3光纤偏振控制器122

7-2-4光纤连接器123

7-2-5光纤对接126

7-3光纤迈克尔逊FMCW干涉仪128

7-4光纤马赫泽德FMCW干涉仪130

7-5光纤法布里珀罗FMCW干涉仪132
第8章多路复用光纤FMCW干涉仪134

8-1频分复用光纤FMCW干涉仪134

8-2时分复用光纤FMCW干涉仪137

8-3时频复用光纤FMCW干涉仪139

8-4相干复用光纤FMCW干涉仪140
第9章光纤调频连续波干涉传感器143

9-1光纤传感器简介143

9-2光纤FMCW干涉位移传感器145

9-2-1反射式单模光纤FMCW位移传感器145

9-2-2多路反射式单模光纤FMCW位移传感器148

9-3光纤FMCW干涉应变传感器165

9-3-1双折射光纤在拉伸力下的属性165

9-3-2双折射光纤FMCW应变传感器168

9-3-3反射式双折射光纤FMCW应变传感器172

9-4光纤FMCW干涉应力传感器176

9-4-1双折射光纤在垂直力作用下的表现176

9-4-2透射分布式双折射光纤FMCW应力传感器178

9-4-3反射分布式双折射光纤FMCW应力传感器180

9-5光纤FMCW干涉温度传感器183

9-5-1反射式单模光纤FMCW温度传感器183

9-5-2多路反射式单模光纤FMCW温度传感器185

9-6光纤FMCW干涉旋转传感器（陀螺仪）185

9-6-1光纤陀螺仪的原理186

9-6-2单模光纤FMCW陀螺仪194

9-6-3差分单模光纤FMCW陀螺仪196

9-6-4双折射光纤FMCW陀螺仪197

9-6-5差分双折射光纤FMCW陀螺仪199
第10章光学调频连续波干涉信号处理203

10-1频率测量204

10-1-1时间固定周期计数法204

10-1-2数值固定周期计数法206

10-1-3脉冲填充法208

10-2相位测量209

10-2-1脉冲填充法210

10-2-2锁相环法211

10-2-3数字信号处理法212

参考文献213

前言

 

光学干涉在科学研究和现代科技发展过程中有着重要影响。历史上，光学干涉对于建立光的波动特性理论发挥了重要作用。当下，光学干涉仍然在诸如光谱学和计量学等诸多领域扮演着重要角色。迄今为止，物理光学方面的著作已经讨论了单一同频光波之间的干涉（即零差干涉），以及两个不同频率的光波之间的干涉（即外差干涉）。但是至今几乎没有讨论频率连续可调的光波之间的干涉问题（即调频连续波干涉）。

调频连续波（Frequencymodulated continuouswave，FMCW）干涉首先于20世纪50年代应用在雷达领域，最近又被引入到光学领域。对于光学FMCW干涉的研究不仅让我们对光的特性有了新的认识，更创造了一种用于精密测量的高新技术。

本书介绍了光学FMCW干涉的原理、应用以及信号处理过程。本书的框架结构很明确。第1章对光学FMCW干涉做了一个简要介绍，主要涉及它的发展历史、基本概念和主要优势。第2章的重点放在了光学FMCW干涉的原理上，对三种不同的光学FMCW干涉——锯齿波光学FMCW干涉、三角波光学FMCW干涉和正弦波光学FMCW干涉进行了详细的讨论，不仅如此，本章还讨论了多光束光学FMCW干涉和多波长光学FMCW干涉。

第3章介绍了光学FMCW干涉的光源。由于在实践中，只有激光能够作为调频光源，而且通常使用的都是半导体激光器，因此本章首先介绍激光的基本原理，包括受激发射、粒子数反转、光学谐振器、激光模式和频率调制，然后讨论半导体激光器的典型特性。第4章介绍了用于光学FMCW干涉的光探测器。对通常使用的半导体光电二极管（包括PN型光电二极管、PIN型光电二极管和雪崩光电二极管）的工作原理以及相关问题（如二极管偏压、光电流放大和噪声源等）进行了详细的讨论。

第5章讨论了光学FMCW干涉的相干理论，包括光源频率带宽的影响、光学FMCW波的相干性和光源相位噪声的影响。第6章首先介绍了建立光学FMCW干涉仪的基本要求和相关技术，然后给出了几款由经典零差干涉仪（如迈克尔逊FMCW干涉仪、马赫泽德FMCW干涉仪和法布里珀罗FMCW干涉仪）改造而来的光学FMCW干涉仪作为示例。

第7、8、9章讨论了光纤FMCW干涉仪和光纤FMCW干涉传感器。光纤是圆柱形的光学波导，已经被广泛地应用在图片传输和光通信领域，它提供了一种低噪声、低衰减、低损耗、长距离和高灵活性的光传播方式。光纤和光纤器件在光学干涉仪中的应用能够使干涉仪简洁、可靠、灵活并且更精密。而且，利用光纤技术，可以开发更先进的检测技术，更复杂的干涉仪，甚至“固体”干涉仪（即全光纤干涉仪）。

第7章首先简要介绍了光纤和光纤器件，然后介绍了几款典型的光纤FMCW干涉仪，包括光纤迈克尔逊FMCW干涉仪、光纤马赫泽德FMCW干涉仪和光纤法布里珀罗FMCW干涉仪。第8章讨论了光纤FMCW干涉仪的多路复用技术。详细讨论了四种重要的多路复用方法（频分复用、时分复用、时频复用和相干复用）以及相关的多路复用光纤FMCW干涉仪。第9章介绍了几种基于光学FMCW干涉的高级光纤传感器，包括光纤FMCW干涉位移传感器、光纤FMCW干涉应变传感器、光纤FMCW干涉压力传感器、光纤FMCW干涉温度传感器和光纤FMCW干涉旋转传感器（即光纤FMCW陀螺仪）。

第10章讨论了光学FMCW干涉的信号处理过程。详细讨论了频率测量和相位测量的三种不同方法。

本书是基于作者对这个领域20多年的研究经验编写的。作者已经尽了最大的努力，力图让本书内容变得清晰、简洁。书中对所涉及的所有光学FMCW干涉的贡献者都给予了赞许；不过，对于在其他相关领域的发明者并未全部致谢。

本书的目标读者是相关领域的科学家、工程师和同时工作在学术界和工业界的研究者。本书尤其适用于在测量仪器领域工作的专业人士。也可作为高等院校高年级本科生或研究生的一本介绍现代光学干涉的教材。

我特别感谢SpringerVerlag New York的汉斯·凯尔奇（Hans Koelsch）博士，感谢他在本书立项中的大力帮助。也感谢我的儿子郑岩（Jack），他在本书稿件的准备过程中，给予了极为珍贵的帮助。最后，将此书献给我的妻子赵颖（Nancy），感谢她一如既往的鼓励和支持。

 

郑刚（Jesse Zheng）
2004年于温哥华