光纤马赫-曾德干涉试验

马赫-曾德光纤干涉实验

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器,它是光纤和光通讯技术迅速发展的产物。光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)是一种功能型光纤传感器,它在光纤技术中常用作相位、频率等的调制解调器。 一、实验目的

1．学习光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder ） 干涉原理

2．掌握利用马赫-泽德光纤干涉仪对压力和温度的测量。 二、实验器材

OFKM-Ⅳ型多功能全光纤干涉仪，He-Ne 激光器 三、实验原理

1．光纤传感器基本工作原理

光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder ） 干涉仪结构与原理如图 1所示。光源发出的光经过耦合器（DC1），将光束一分为二，光纤一臂为信号臂，另一臂为参考臂。经过耦合器 DC2 进行干涉，干涉光照到探测器上，光强表达式分别为

)(cos 1t B A I Φ+= （1） )(cos 2t B A I Φ-= （2）

在通过对干涉信号相位的获得来推知作用在信号臂上的外界物理量的变化。

2．马赫-曾德光纤温度传感器工作原理

激光束从激光器发出后经分束器分别送入长度基本相同的两条光纤, 而后将两根光纤输出端汇合在一起,产生干涉光, 从而出现了干涉条纹。当一条光纤臂温度相对另一条光纤臂的温度发生变化时, 两条光纤中传输光的相位差发生变化, 从而引起干涉条纹的移动。干涉条纹的数量能反映出被测温度的变化。光探测器接收到干涉条纹的变化信息, 并输入到适当的数据处理系统, 最后得到测量结果。

长度为 L 的光纤中传播光波的相位Φ

nL k 00+Φ=Φ （3）

其中0Φ 为光进入光纤前的初始相位， 0k （00/2λπ=k ，0λ为真空中波长）为传播常数, n 为光纤的折射率;L 为光纤的长度。

图1 光纤Mach-Zenhder 干涉仪原理图

λ

π=λπδ=

?ΦSP

22λ

π+=SP K I I I 2cos 00设光纤1L 温度不变，光纤2L 温度该变T ?,则折射率n 的改变量为n ? ，光纤2L 长度改变量为2L ?。根据公式（3），光纤2L 的相位2Φ为

)(22220

022L n nL nL ?+?+λπ

+

Φ=Φ (4) 所以，在光纤2L 的温度改变后,两光纤在交会处的相位差?Φ为:

)(2)(2)(220

120100212L n nL L L n ?+?λπ

+-λπ+

Φ-Φ=Φ-Φ=?Φ (5) 如果L L L ==21,而且初始相位2010Φ=Φ，就可以得到， )(20

L n nL ?+?λπ

=

?Φ (6) 两边同除以L 、T ?，可以得到

)(210T

L

L n T n T L ??+??λπ=??Φ (7)

上式具有普遍性,等号的左边表示单位长度的光纤受温度的影响,温度每改变1℃时光纤中光的相位的改变量;等号右边的Δn 、ΔL 分别表示光纤折射率和长度随温度变化的的变化率。

3．马赫-曾德光纤压力传感工作原理

氦氖激光器发出的激光聚于光耦合器,而后分成两路光束分别由光纤1L 和光纤2L 传输,经过终端光耦合器输出端面形成干涉条纹。光纤1L 的光程保持不变,而光纤2L 的光程随压力的变化而改变。在压力增加时光程增加,压力减小时光程减小。设两路光纤的光程差为δ,由光程差δ导致两路光波的相位差?Φ为

(8)

式中λ为激光的波长，P 为压力， S(S=δ/P)为压力传感光纤的转换系数,与传感光纤的长度、折射率和横截面积变化有关。

干涉条纹的强度I 与相位差?Φ的关系是

（9）

S

N P λ

?

=?其中， I 0为平均光强，K 为干涉条纹对比度

光程差δ每改变一个波长λ,即压力P 每改变ΔP=λ/S 时,干涉条纹将明暗相间变化一次，其光强度变化近似于正弦波。若干涉条纹明暗变化次数为N,则压力变化为

（10） 四、OFKM-Ⅳ型多功能全光纤干涉仪的结构

图2所示的是OFKM-Ⅳ型干涉仪俯视示意图，激光器发出的650nm 激光先经过0#

光纤插座（适配器）进入1#

光纤，在机箱内部，图上看不见，（注意：禁止学生自行转动、插拔该插头，因为其精度极高，稍微用力不当，会导致进入光纤的光功率迅速下降，甚至可能导致损坏而不出激光），然后再经过“分路器”将激光按一定功率比例（在OFKM-Ⅳ型中，为1:1）分到两根3#

、4#

输出光纤中，输出中一路光纤穿过加热器，与3#

适配器连接，6#

准直器一头与3#

适配器相接，另一头固定在准直器架上。另一路穿过“压力箱”与2#

适配器相接，5

#

准直器固定在5#

准直器架上。6#

准直器支架具有四维可调功能，通过微调（出厂前已经大致调好），使从两个准直器出来的激光束准确地会聚于透镜L 表面上的同一点。

图2所示为前面板示意图，上有三个开关：电源开关、激光开关、加热开关。另外，还有“计数”复零开关，每按一次，计数表上复零；温度表头分别显示MK （迈克尔逊干涉仪）的探测温度和MZ （马赫-曾德干涉仪）的探测温度，两个开关控制加热。

图2 OFKM-Ⅳ型干涉仪俯视示意图

图3 OFKM-Ⅳ型干涉仪前面板示意图

五、实验内容及步骤

1．温度传感：

（1）打开MZ加热开关，让温度上升，一直升到所需温度（最高40℃～60℃左右），然后关闭加热开关，让散热器自然冷却，计数器复位后并隔一段时间（建议时间间隔为3～5分钟），同时记录干涉条纹移动数和温度计上显示的温度。使用软件时，只将温度按时键入到计算机即可。注意：开始计数时，应让干涉条纹“计数器”复位。

2．压力传感：

（1）通过加压球1#，慢慢给光纤施加压力，当“计数器”的读数刚一发生变化，记录压力表C上的读数，然后，慢慢增加压力，读一次压力表读数，记一次干涉条纹数，直到干涉条纹数接近100条左右，就应停止读数。最好先加好压，再慢慢放气（通过调节放气螺丝）。每隔一段时间，记录压力和干涉条纹移动数。

（2）打开放气阀，让光纤复位。

六、原始数据及分析

1．不同温度下的条纹数变化

表1 不同温度下的条纹计数

2．不同压力下的条纹数变化（同表格1）

对表1表2 所列数据用最小二乘法进行一元线性回归分析,可得温度与条纹的线性方程及方程的相关系以及压力同条纹数的关系。

七、注意事项

1．防尘罩只在作实验时才取掉，作完实验应罩好。

2．确认电源应为交流220V±20V。

3．光纤纤蕊只有4μm左右，外保护层虽较粗，但也经受不起用力太大的拉扯。本装置中光纤已基本固定，若需微小移动，可轻拿轻放。

4．激光器与光纤之间的0#光纤插座是绝对禁止随意拔插，只有专业人员才准许插拔操作（该插座在箱内）。

5. 光纤出头端面、透镜表面均是光学面，绝对禁止用手或不干净的布去擦，可以用“洗耳球”除去表面灰尘，也可用酒精棉球轻轻擦拭。

6．“位移架”上的调节螺钉，均是精密丝杆（螺距为0.5mm），应轻轻转动，若到极限位置，手感就重，这时不应再加力，否则丝杆、阴螺纹将受损，精度就会大大下降。

附：OFKM-Ⅳ型激光全光纤干涉综合实验仪参数：

1．使用电源：交流220V±10%，50HZ

2. 温度传感：

（1）温度范围：室温到高于室温30℃左右

（2）灵敏度：MC干涉仪为10～20条/℃；MK干涉仪为10～20/℃

3. 压力传感：

（1）测量范围：1大气压～2大气压

（2）灵敏度：MZ干涉仪为200条左右/KPA；MK干涉仪为100条左右/KPA

4．光源和光纤：

（1）650.0nm激光器，出纤功率大于2mW。

（2）分路器：650nm单模2×2分路器（美国普林公司产品），分束比1:1。

（3）650nm单模光纤尺寸：蕊直径小于4μm；包层直径：125μm；保护层直径：3mm