光纤Michelson干涉仪.ppt

n n第 二 小 组n n汪繁 余智威光纤迈克尔逊干涉仪光纤迈克尔逊干涉仪n n一 ：原理n n二 ：应用一一.原理原理下图为普通光学迈克尔逊干涉仪原理图下图为普通光学迈克尔逊干涉仪原理图. .由激光器发出的光经分束器分成光强相等的两束由激光器发出的光经分束器分成光强相等的两束光光. .其中一束射向固定反射器镜其中一束射向固定反射器镜, ,然后反射回分然后反射回分束器束器, ,被透射的那另一束光入射到可移动反射被透射的那另一束光入射到可移动反射镜上镜上, ,然后反射回分束器上然后反射回分束器上, ,经分束器反射的一经分束器反射的一部分光传至光探测器上部分光传至光探测器上, ,而另一部分经由分束而另一部分经由分束器透射器透射, ,返回到激光器返回到激光器. .当两反射镜到分束器间当两反射镜到分束器间的光程差小于激光器的相干长度时的光程差小于激光器的相干长度时, ,射到光探射到光探测器上的两相干光束便产生干涉测器上的两相干光束便产生干涉, ,干涉光强由干涉光强由公式公式A A2 2=A=A1 12 2+A+A2 22 2+2A+2A1 1A A2 2cos(cos(∆ ∆φ)φ)确定确定. .两相干光两相干光的相位差为的相位差为∆ ∆φ=2kφ=2k0 0∆ ∆L L式中，式中，k k0 0是光在空气中的传播常数；是光在空气中的传播常数；2 2∆L是两相是两相干光的光程差。

由两公式可知，可动反射镜每干光的光程差由两公式可知，可动反射镜每移动移动∆L= =λ/2λ/2长度，光探测器的输出就从最小长度，光探测器的输出就从最小值变到最大值，再变到最大值，即变化一个周值变到最大值，再变到最大值，即变化一个周期期. .n n为了克服空气受环境条件影响所导致的空气为了克服空气受环境条件影响所导致的空气光程的变化，可考虑用全光纤干涉仪结构光程的变化，可考虑用全光纤干涉仪结构如图所示，图中以一个如图所示，图中以一个3dB3dB耦合器取代分束器，耦合器取代分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件这种全光纤结构不公避作为相位调制元件这种全光纤结构不公避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适合于现场测量，更接近实用化合于现场测量，更接近实用化原理原理（版本二）（版本二）n nHe-NeHe-Ne激光通过耦合透镜进入单模光纤后被光纤耦合器分激光通过耦合透镜进入单模光纤后被光纤耦合器分成强度相等的两束，分别进入参考臂和传感臂中传播。

两成强度相等的两束，分别进入参考臂和传感臂中传播两干涉臂中传播的光线经各自光纤端面的反射镜干涉臂中传播的光线经各自光纤端面的反射镜MlMl、、M2M2反射反射重新返回光纤中，当干涉仪两个臂问的光程差小于光源的重新返回光纤中，当干涉仪两个臂问的光程差小于光源的相干长度时，两束光在光纤耦合器的另一输出端将发生干相干长度时，两束光在光纤耦合器的另一输出端将发生干涉输出的干涉信号进入光电探测器涉输出的干涉信号进入光电探测器D D这样光电探测器这样光电探测器D D就给出了干涉强度和两束光光程差之间的函数关系就给出了干涉强度和两束光光程差之间的函数关系，即，即干干涉图光纤迈克尔逊干涉相位差与光纤迈克尔逊干涉相位差与光强的关系图如下光强的关系图如下n n若若I I1r1r、、I I2r2r为试件界面反射进入光纤的光强则为试件界面反射进入光纤的光强则4 4束反射光到达光探测器产生干涉，其输出光强束反射光到达光探测器产生干涉，其输出光强IoutIout可表示为：可表示为：于是又可得到于是又可得到n n改进型的改进型的MichelsonMichelson干涉仪，以下为其中两种干涉仪，以下为其中两种带有振控制器的迈克带有振控制器的迈克尔逊干涉仪尔逊干涉仪 带有偏振控制器的带有偏振控制器的MichelsonMichelson干涉仪．光纤偏振控制器干涉仪．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。

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，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涉光的强弱呈现有规律的变化，这点可以代替传统的MichelsonMichelson干涉仪，可以形象地演示两束光的干涉过程；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如果从光电探测器出来的光送入PCPC机，可以直接观察两束机，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、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、应力应变等折射率、压力、磁场强弱、应力应变等二二.应用应用1、代替传统的Michelson干涉仪应用于教学 传统的传统的MichelsonMichelson干涉仪在演示双光束的干涉时，干涉仪在演示双光束的干涉时，能够较清晰地看出于涉条纹，但动态演示干涉过能够较清晰地看出于涉条纹，但动态演示干涉过程效果不理想。

而光纤程效果不理想而光纤MichelsonMichelson干涉仪系统能从干涉仪系统能从电信号和光信号两方面演示双光束的干涉，特别电信号和光信号两方面演示双光束的干涉，特别是与是与PCPC机相连后，能够动态地演示双光束干涉的机相连后，能够动态地演示双光束干涉的整个过程，因为在图整个过程，因为在图3 3中步进电机的移动改变了信中步进电机的移动改变了信号臂光纤的长度号臂光纤的长度lsls，进而改变干涉光的光强，这，进而改变干涉光的光强，这能够从理论、实验同时进行解释双光束干涉的实能够从理论、实验同时进行解释双光束干涉的实质2 2、测量微位移、测量微位移在图在图3 3中，把信号臂一侧的反射端中，把信号臂一侧的反射端面贴在待测量对象面贴在待测量对象( (比如置于空比如置于空气中气中) )上，信号臂光纤端面与反上，信号臂光纤端面与反射端面距离为射端面距离为l l0 0，有，有 当反射端面随着待测物体发生微位当反射端面随着待测物体发生微位移时，使移时，使l l0 0发生变化，即式中的发生变化，即式中的ΔφΔφ变化，进而使得干涉光的变化，进而使得干涉光的光强变化，以此来达到测量微光强变化，以此来达到测量微位移的目的。

采用光的干涉法位移的目的采用光的干涉法测量微位移是目前精度最高且测量微位移是目前精度最高且实用的方法实用的方法3 3、测量折射率、测量折射率在图在图3 3中，把信号臂一侧的反射端面固定，信号臂光纤端面与反射端中，把信号臂一侧的反射端面固定，信号臂光纤端面与反射端面距离为面距离为l l0 0，待测物体长，待测物体长lx lx，折射率为，折射率为nxnx，待测物体置于信号臂光，待测物体置于信号臂光纤端面与反射端面之间后，式变形为纤端面与反射端面之间后，式变形为 待测物体长待测物体长lx lx；可以测量出来，在式中待测物体折射率；可以测量出来，在式中待测物体折射率nxnx改变了干涉改变了干涉光的光强，由光强的变化测量物体的折射率光的光强，由光强的变化测量物体的折射率n nx x．．4、测量微应变、应力把信号臂紧贴在被测量对象表面，当应变波作用在把信号臂紧贴在被测量对象表面，当应变波作用在信号臂上时，使光纤发生微小形变进而改变信号信号臂上时，使光纤发生微小形变进而改变信号臂光纤的折射率，这样光纤折射率臂光纤的折射率，这样光纤折射率n n的变化使得相的变化使得相位差位差ΔφΔφ发生变化，进而使得干涉光的光强发生变化，进而使得干涉光的光强I I变化，变化，以此来达到测量微应变、应力的目的。

以此来达到测量微应变、应力的目的5、测量磁场的强弱把信号臂涂上一层磁敏材料置于待测量磁场中，当把信号臂涂上一层磁敏材料置于待测量磁场中，当磁场作用在磁敏材料上时，使光纤发生收缩进而磁场作用在磁敏材料上时，使光纤发生收缩进而改变信号臂光纤的折射率改变信号臂光纤的折射率n n和长度和长度l0l0，这样使相位，这样使相位差差ΔφΔφ发生变化，进而使得干涉光的光强变化，发生变化，进而使得干涉光的光强变化，以此来测量磁场的强弱以此来测量磁场的强弱6 6、测量压力、测量压力图图3 3中，把压力膜片表面镀上一层反射膜作为信号臂中，把压力膜片表面镀上一层反射膜作为信号臂光纤的反射端面，压力膜片距离信号臂光纤端面光纤的反射端面，压力膜片距离信号臂光纤端面l l0 0，当待测压力，当待测压力P P作用在膜片上时，作用在膜片上时，P P改变式改变式(21)(21)中中l l0 0的来改变的来改变ΔφΔφ，同时也改变式，同时也改变式(11)(11)中的反射率中的反射率RfRf，进而改变干涉光的光强，来达到测量目的，这，进而改变干涉光的光强，来达到测量目的，这种测量方法精度高，测量压力的范围大且能实现种测量方法精度高，测量压力的范围大且能实现非接触式测量。

非接触式测量7 7、检测超声波、检测超声波一种基于一种基于MichelsonMichelson干涉仪原理构成的非接触式光纤干涉仪原理构成的非接触式光纤超声传感系统，用来检测超声波．该传感系统可超声传感系统，用来检测超声波．该传感系统可以通过固体的表面来探测固体结构中伴随着微裂以通过固体的表面来探测固体结构中伴随着微裂纹发生及各种原因造成的振动而产生的声发射．纹发生及各种原因造成的振动而产生的声发射．8 8、声波探测、声波探测声波探测技术具有：声波衰声波探测技术具有：声波衰减小，能够绕山传播，侦减小，能够绕山传播，侦察隔山目标与丛林中的日察隔山目标与丛林中的日标，非其他探测技术所及；标，非其他探测技术所及；完全采用被动式工作原理，完全采用被动式工作原理，不易被敌方电子侦察设备不易被敌方电子侦察设备发现、摧毁，也不易受到发现、摧毁，也不易受到电子干扰信号的影响，隐电子干扰信号的影响，隐蔽性强；对于一些低宅目蔽性强；对于一些低宅目标或者地面目标，属于雷标或者地面目标，属于雷达等电子探测的盲区，更达等电子探测的盲区，更有独特作用．有独特作用．利用迈克尔逊干涉仪测量隐失场将光纤探针稳定地控制在样品表面的近场区将光纤探针稳定地控制在样品表面的近场区域是实现隐失场探测的关键域是实现隐失场探测的关键测量晶体的弹光系数测量晶体的弹光系数通过光程比较的方法来间接地测量晶体折射率随外通过光程比较的方法来间接地测量晶体折射率随外 力的变化特性。

光力的变化特性光纤干涉仪的测量臂和参考臂光纤尾端与棒状自聚焦准直透镜纤干涉仪的测量臂和参考臂光纤尾端与棒状自聚焦准直透镜(GR(GR烈烈1ens)1ens)相连，干涉仪所相连，干涉仪所 光源的相干长度时，就会产生如图光源的相干长度时，就会产生如图2 2所示的白光干涉图，所示的白光干涉图，其具有振幅极大的中心干涉条纹对应于两臂光程绝其具有振幅极大的中心干涉条纹对应于两臂光程绝 对相等处利用这对相等处利用这一干涉特性，通过光程比较的方法来间接地测量样品折射率随相关状态一干涉特性，通过光程比较的方法来间接地测量样品折射率随相关状态的变化关系的变化关系基于光纤迈克尔逊传感器的水轮机基于光纤迈克尔逊传感器的水轮机 光纤传感器具有绝缘、抗电磁干扰、安全、耐高光纤传感器具有绝缘、抗电磁干扰、安全、耐高 电压、耐化学腐电压、耐化学腐蚀、耐高温以及低损耗、高性价比等蚀、耐高温以及低损耗、高性价比等 优点，因此可应用于高直流优点，因此可应用于高直流电场、磁场或强的高频场、微波场坏境中的测量，测量精度高而且电场、磁场或强的高频场、微波场坏境中的测量，测量精度高而且可以组成测量网络，自动地进行实时监测。

但是目前国内外成熟的可以组成测量网络，自动地进行实时监测但是目前国内外成熟的光纤传感器产品仍不多，而且价格昂贵光纤光纤传感器产品仍不多，而且价格昂贵光纤MichelsonMichelson传感器由传感器由于制作简光纤于制作简光纤MichelsonMichelson传感器由于制作简传感器由于制作简单，成本低而受到广泛单，成本低而受到广泛应用应用光纤迈克尔逊干涉仪的结构示意图如图光纤迈克尔逊干涉仪的结构示意图如图1 1中虚线方框所示当激光器发出的光中虚线方框所示当激光器发出的光经经3dB3dB耦合器后分成光强相等的两束光，耦合器后分成光强相等的两束光，分别进入干涉仪的信号臂分别进入干涉仪的信号臂 和参考臂和参考臂由于构成两个光路的光纤都是单模光纤，由于构成两个光路的光纤都是单模光纤，但是长度不同，信号臂与参考臂的长度但是长度不同，信号臂与参考臂的长度差即为传感头长度为了增强干涉效果，差即为传感头长度为了增强干涉效果，在信号臂和参考臂光纤末端端面镀有高在信号臂和参考臂光纤末端端面镀有高反射膜当光在两臂中传输到末端时会反射膜当光在两臂中传输到末端时会发生发射，两反射光反向传输，再经发生发射，两反射光反向传输，再经3dB 3dB 耦合器后被光电探测器接收，转化耦合器后被光电探测器接收，转化为电信号。

由于两反射光具有相同的频为电信号由于两反射光具有相同的频率、偏振方向，相位差恒定，故满足干率、偏振方向，相位差恒定，故满足干涉条件。