光纤迈克尔逊干涉仪的理论与应用分析

　　0　引言

　　光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的一项技术,在全世界形成了研究热门,已与光纤通信并驾齐驱;光纤传感器由于其优越的性能而备受青睐,其具有以下优点:体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,可以构成传感网络。光纤干涉仪采用光干涉技术,其测量精度比普通光纤传感器的测量精度更高,其不仅可以代替传统的干涉仪功能,还能用于教学,还可以测量压力、应力(应变)、磁场、折射率、微震动、微位移等,用途非常广泛。

　　1　光纤Michelson干涉仪结构

　　图1为Michelson干涉仪系统结构图。图1中,光纤耦合器采用2×2的3 dB的耦合器。

　　光纤偏振控制器用来控制参考臂中传播的参考光的偏振态,使参考光和信号光的偏振态相互匹配,因为传输光偏振态对于相干光通信和光纤干涉仪以及干涉型光纤传感器的影响非常明显。

　　步进电机用来改变传感臂中传输的信号光的光程,以此来改变信号光与参考光的相位差,进而改变从耦合器出来的干涉光的光强。

　　从光电探测器出来的干涉光如果送入示波器则可以用电信号演示由于步进电机的移动导致干涉光的强弱呈现有规律的变化,这点可以代替传统的Michelson干涉仪,可以形象地演示两束光的干涉过程;如果从光电探测器出来的光送入PC机,可以直接观察两束光的干涉动态过程;另外,配合相关软件可以测量微位移、折射率、压力、磁场强弱、应力应变等。

　　2　参考光与信号光的干涉原理分析

　　设2×2的3 dB耦合器的耦合率(耦合系数)为ζ,传感臂和参考臂有相同的光衰减系数α.从激光器发出的光注入到光纤中,入射光的光场可表示为

　　式中:E^₀为光波的振幅;ω为光波的频率;k^₀为光波在真空中传播时的波数;n为光纤纤芯的折射率;l为光波传播过程中通过的光程。

　　设注入到光纤的光强为I_⁰,则有

　　光源注入进光纤耦合器后,因为交叉耦合使得图1中信号臂中的传输光产生π/2的相位延迟,如图2所示。

　　则得到进入参考臂与信号臂的传输光的传播函数为^[1]

　　式中l^_s为信号臂光纤的长度。

　　经过光纤端面反射后,两束光再次进入光纤耦合器时,参考光也出现π/2的相位延迟,如图3所示。

　　设光纤反射端面的反射率为R_^f,则光电探测器检测到的两束光的传播函数为^[2]