基于線性腔光纖激光器的三芯光纖光柵探針微尺度測量裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于精密儀器制造及測量技術領域，特別涉及一種基于線性腔光纖激光器 的三芯光纖光柵探針微尺度測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著航空航天工業、汽車工業、電子工業以及尖端工業等的不斷發展，對于精密微 小構件的需求急劇增長。由于受到空間尺度和待測微小構件遮蔽效應的限制以及測量接觸 力的影響，微小構件尺度的精密測量變得難以實現，尤其是測量微小內腔構件的深度難以 提高，這些已然成為制約行業發展的"瓶頸"。為了實現更小尺寸測量、增加測量深度，最廣 泛使用的辦法就是使用細長的探針深入微小構件的內腔進行探測，通過瞄準發訊的方式測 量不同深度上的微小內尺寸。因此，目前微小構件尺寸的精密測量以坐標測量機結合具有 纖細探針的瞄準發訊式探測系統為主，由于坐標測量機技術的發展已經比較成熟，可以提 供精密的三維空間運動，因此瞄準觸發式探針的探測方式成為微小構件尺寸探測系統設計 的關鍵。
[0003] 目前，微小構件尺寸測量的主要手段包括以下幾種方法：
[0004] 1.中國哈爾濱工業大學譚久彬教授和崔繼文教授等人提出一種基于雙光纖耦 合的探針結構，把兩根光纖通過末端熔接球連通，熔接球作為測頭，一根較長光纖引入光 線，另外一根較短導出光線，克服了微光珠散射法測量深度的局限，可以實現對直徑不小于 0. 01mm、深徑比不大于15 : 1的微深孔測量時的精確瞄準。這種方法雖然在一定程度上克 服了遮蔽效應，但耦合球實現的反向傳輸的光能量十分有限，測量深度難以進一步提升。
[0005] 2.美國國家標準技術研宄院使用了單光纖測桿結合微光珠的探針，通過光學設計 在二維方向上將光纖測桿成像放大35倍左右，用2個面陣CCD分辨接收二維方向上光纖 測桿所成的像，然后對接收到的圖像進行輪廓檢測，從而監測光纖測桿的在測量過程中的 微小移動，進而實現觸發式測量，該探測系統的理論分辨力可以達到4nm，探測系統的探針 直徑為Φ75μπι，實驗中測量了 Φ129μπι的孔徑，其擴展不確定度概率值達到了 70nm(k = 2)，測量力為UN量級。這種方法探測分辨力高，測量精度高，使用的測頭易于小型化，可 以測量較大深徑比的微孔。但在方法中探測光纖測桿的二維觸測位移必須使用兩套成像 系統，導致系統結構比較復雜，測量數據計算量比較大，這些因素導致探測系統的實時性較 差，系統構成比較復雜。
[0006] 3.瑞士聯合計量辦公室研發了一個新型的坐標測量機致力于小結構件納米精度 的可追跡的測量。該測量機采用了基于并聯運動學原理的彎曲鉸鏈結構的新型接觸式探 針，該設計可以減小移動質量并且確保全方向的低硬度，是一個具有三維空間結構探測能 力的探針。這一傳感結構的測量力低于0. 5mN，同時支持可更換的探針，探針直徑最小到 Φ 100 μπι。探測系統結合了一個由Philips CFT開發的高位置精度的平臺，平臺的位置精 度為20nm。該測量系統測量重復性的標準偏差達到5nm，測量結果的不確定度為50nm。該 種方法結構設計復雜，同時要求測桿具有較高的剛度和硬度，否則難以實現有效的觸測位 移傳感，這使得測桿結構難以進一步小型化，測量的深徑比同時受到制約，探測系統的分辨 力難以進一步提尚。
[0007] 4.中國哈爾濱工業大學崔繼文教授和楊福玲等人提出了一種基于FBG Bending 的微孔尺寸測量裝置及方法，該方法利用光纖光柵加工的探針和相應的光源、檢測裝置作 為瞄準觸發系統，配合雙頻激光干涉儀測長裝置，可以獲得不同截面的微孔尺度。該方法的 微尺度傳感器在觸測變形時，探針的主要應力不作用于光纖光柵上，系統的分辨率很低，難 以進一步提尚。
[0008] 綜上所述，目前微小尺寸和坐標探測方法中，由于光纖制作的探針具有探針尺寸 小、測量接觸力小、測量的深徑比大、測量精度高的特點而獲得了廣泛關注，利用其特有的 光學特性和機械特性通過多種方式實現了一定深度上的微小尺寸的精密測量。現用測量手 段主要存在的問題是：
[0009] 1.探測系統的觸測位移分辨力難以進一步提高。現存的探測系統的初級放大 率較低，導致了其整體放大率較低，難以實現其觸測位移分辨力的進一步提高。基于FBG Bending的微孔尺寸測量方法的光纖光柵探針不能將主要的微觸測位移作用結果施加在光 纖光柵上，進而轉化為光譜信息的傳感信號微弱，系統的分辨力很低。
[0010] 2.探測系統實時性差，難以實現精密的在線測量。美國國家標準技術研宄院采用 的探測方法必須使用兩路面陣CCD接收信號圖像，必須使用較復雜的圖像算法才能實現對 光纖測桿觸測位移的高分辨力監測，這導致測量系統需要處理的數據量大大增加，降低了 探測系統的實時性能，難以實現微小內腔尺寸和二維坐標測量過程中瞄準發訊與啟、止測 量的同步性。
[0011] 3.存在二維徑向觸測位移的耦合。基于FBG Bending的微孔尺寸測量方法的探針 具有各向性能一致，在徑向二維觸測位移傳感時存在耦合，而且無法分離，導致二維測量存 在很大誤差，無法實現徑向二維觸測位移的準確測量。
[0012] 4.不具備徑向和軸向探測的解耦能力。以上提到的探測方法或不具備軸向探測 能力或不具備徑向和軸向探測的解耦能力，在進行微尺度測量時，測量步驟復雜、測量效率 低。
【發明內容】
[0013] 本發明的目的是克服上述現有技術中微小構件尺寸測量方法分辨力低、被測維度 單一的弊端，提供一種適用于微小構件二維微尺度測量的裝置及方法，三芯光纖光柵探針 既作為觸測傳感元件，也作為線性腔光纖激光器的波長選擇器件，當三芯光纖光柵探針端 部受觸測位移作用后，應力導致光纖光柵的參數發生改變，使作為線性腔光纖激光器波長 選擇器件的光纖光柵的反射中心波長發生變化，并進一步改變線性腔光纖激光器輸出激光 中心波長，由于三芯光纖光柵和外部參考光柵分別與單芯光纖光柵及作為增益介質的摻鉺 光纖一起構成長度很短的線性諧振腔，外界輸入泵浦光時滿足形成激光的條件，從而向外 輸出激光，在線性腔光纖激光器的波長選擇器件受到觸測影響時，輸出激光的中心波長對 觸測具有很高的靈敏度。采用多路光開關來切換測量光纖光柵的通道，分別獲得三芯光纖 光柵和外部參考光柵分別作為線性腔光纖激光器的波長選擇器件下的激光器輸出激光中 心波長信息，之后對其作差分數據處理，降低了溫度波動對測量結果的影響，大大提高了該 裝置對環境的適應能力，從而實現一種全新的溫度無耦合二維微尺度測量。
【主權項】
1. 一種基于線性腔光纖激光器的三芯光纖光柵探針微尺度測量裝置，包括泵浦源 (I) 、波分復用器（2)、單芯光纖光柵（3)、摻鉺光纖（4)、多路光開關（5)、外部參考光柵 (6)、單模光纖（7)、三芯光纖扇出器（8)、三芯光纖（9)、探針夾持器（10)、三芯光纖光柵 探針（11)、隔離器（12)、光譜分析儀（13)、計算機（14);所述計算機（14)控制多路光開 關（5)切換光路，泵浦源（1)通過波分復用器（2)的一個端口和由單芯光纖光柵（3)、摻鉺 光纖（4)和外部參考光柵（6)或由單芯光纖光柵（3)、摻鉺光纖（4)和三芯光纖光柵探針 (II) 構成的線性諧振腔相連，波分復用器⑵的另一個端口經過隔離器（12)與光譜分析 儀（13)、計算機（14)連接形成通路；其特征在于：三根單模光纖（7)通過三芯光纖扇出器 (8)和三芯光纖（9)分別將多路光開關（5)與三芯光纖光柵探針（11)連通，三芯光纖光柵 探針（11)通過探針夾持器（10)固裝，所述的三芯光纖光柵探針（11)中的光纖光柵和所 述的外部參考光柵（6)通過多路光開關（5)切換分別作為線性腔光纖激光器的波長選擇 器件；所述外部參考光柵（6)的初始中心波長A 1、三芯光纖光柵探針（11)中光纖光柵的 初始中心波長λ 2與單芯光纖光柵（3)的初始中心波長λ 3需滿足三芯光纖光柵探針（11) 微尺度測量裝置及方法的線性輸出響應工作條件
2. -種基于線性腔光纖激光器的三芯光纖光柵探針微尺度測量方法，其特征在于：所 述方法是：計算機控制多路光開關切換光路，泵浦源提供泵浦光，通過波分復用器的一個端 口進入由單芯光纖光柵、摻鉺光纖和外部參考光柵或由單芯光纖光柵、摻鉺光纖和三芯光 纖光柵探針構成的線性諧振腔中激發鉺離子產生受激輻射光，并在諧振腔內多次反射得到 增強；當輻射光在諧振腔中的一個振蕩周期內所獲得的增益大于損耗時，產生窄線寬的激 光，產生的激光從波分復用器的另一個端口輸出，并被光譜分析儀檢測到輸出激光的波長， 傳輸至計算機中；當三芯光纖光柵探針與待測構件發生觸測時，三芯光纖光柵探針內的光 纖光柵的反射光譜中心波長將會發生偏移，從而改變輸出激光波長，在計算機控制下通過 切換多路光開關，利用光譜分析儀檢測三芯光纖光柵探針中三根光纖光柵和外部參考光柵 分別作為波長選擇器件時輸出激光中心波長；數據處理中，當三芯光纖光柵探針中心外的 兩根光纖光柵分別作為線性腔光纖激光器波長選擇器件時，線性腔光纖激光器輸出激光波 長做差分數據處理，解耦一維徑向觸測位移和溫漂；當三芯光纖光柵探針中心的光纖光柵 和外部參考光柵作為線性腔光纖激光器波長選擇器件時，線性腔光纖激光器輸出激光波長 做差分數據處理，獲得無徑向觸測位移和溫漂耦合的軸向觸測位移，實現無溫度耦合的二 維微尺度測量。
【專利摘要】基于線性腔光纖激光器的三芯光纖光柵探針微尺度測量裝置及方法屬于精密儀器制造及測量技術領域；三根單模光纖通過三芯光纖扇出器和三芯光纖分別將多路光開關與三芯光纖光柵探針連通，三芯光纖光柵探針中的光纖光柵和外部參考光柵通過多路光開關切換分別作為線性腔光纖激光器的波長選擇器件，外部參考光柵的初始中心波長、三芯光纖光柵探針中光纖光柵的初始中心波長與光纖光柵的初始中心波長應滿足三芯光纖光柵探針線性工作條件；通過計算機控制多路光開關切換光路，使用光譜分析儀分別測量線性腔光纖激光器輸出激光波長，利用差分數據處理算法實現無溫度耦合的二維微尺度測量；本發明具有傳感供能為一體、系統緊湊、靈敏度高的特點。
【IPC分類】G01B11-00, G01B11-02
【公開號】CN104677284
【申請號】CN201510109826
【發明人】崔繼文, 馮昆鵬, 胡洋, 譚久彬
【申請人】哈爾濱工業大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月5日