马赫泽德干涉仪

马赫泽德干涉仪

马赫泽德干涉仪是一种大型的光学仪器，适用于研究气体密度迅速变化的状态，如在风洞中实验飞机模型时产生的空气涡流和爆炸过程中的冲击波。由于气体折射率的变化与其密度的变化成正比，而折射率的变化将使通过气体的光线有不同的光程，因此，如果让一个平面波和一个通过气体的波发生干涉来获得等候干涉，这些条纹能反映出气体折射率和密度的分布状况。

马赫泽德干涉仪如下图所示，G1 G2是两块有半反射面A1 A2的平行平面玻璃板，M1 M2是两块反射镜四个反射面通常平行放置，并且各自中心位于一个平行四边形的四个角上，典型尺寸是1~2m。光源S置于透镜L1的焦点上，S发出的光束经L1准直后在A1上分为两束，他们分别由M1、A2反射和M2反射、A2透射，进入透镜L2。两束光的干涉图样可用于置于L2焦平面位置的照相机拍摄下来，如果采用短时间曝光技术，即可得到条纹的瞬间照相。

未了解仪器所产生的干涉条纹性质，假设光源S是一个单色点光源，因而入射到半反射面A1的是单色平面波。设透过A1并经M1反射的平面波的波前为W1.，而经A1和M2反射的平面波的相应波前为W2；引入虚波前W1’，它是W1在半反射A2中的虚像。一般情况下，W1’和W2是互相倾斜的，形成一个空气楔，因此，在W2上将形成平行等距的直线条纹，条纹的走向与W2和W1’所形成的空气楔的楔楞平行。如果使W2通过被研究的气流，W2将发生形变，因而干涉图样的变化就可以测量出所研究区域的折射率或密度的变化。

因为通常气体密度是迅变的，用照相机记录气体密度的变化情况，必须采用短时间的曝光，这样就要求干涉条纹有很大的亮度，所以，通常在实用上都利用扩展光源。这时条

纹是定域的，定域面可根据干涉孔径β=0的作图法求出。易见，当4个反射面严格平行时，条纹定域在无穷远处，即在L2的焦平面上；而当M2和G2同时绕自身垂直轴转动时，条纹定域于M2和G2之间，如下图。

干涉仪定域位置可任意调节的这一特点，使得这种干涉仪能够用来研究尺寸较大的风洞中任一平面附近的空气涡流。工作时将风洞置于M2和G2之间，并在M1和G1之间的另一支光路上放置补偿室，把定域面调节到风洞风洞中任一选定平面，通过透镜L2和照相机可以把该平面上的干涉图样拍摄下来。只要比较有气流时和无气流时的条纹图样，就可以决定气流所引起的空气密度的变化情况。

马赫曾德干涉仪实验讲义

马赫曾德干涉仪 马赫——曾德干涉仪。马赫——曾德干涉仪（Mach-Zehnder; inter-ferometer）是一种重要的光学和光子学器件，广泛应用于干涉计量、光通信等领域；它用分振幅法产生双光束以实现干涉，被广泛用作传感器和光调制器。 一、实验目的 1．掌握马赫曾德干涉仪的原理和结构； 2. 组装并调节马赫曾德干涉仪，观察干涉条纹。 3. 学会调节两束相干光的干涉； 二、实验原理与仪器 He-Ne 激光器、平面反射镜1和平面反射镜2 、分束器、合束器、扩束滤波准直系统、可变光阑、光强衰减片、白屏。 图1 实验装置及光路图 图1为马赫曾德的实验装置图，：由He-Ne激光器发出的激光由扩束镜（显微物镜）、针孔滤波和透镜准直后形成宽口径平面波，经可变光阑后，光斑直径变为1厘米后，再经分束器形成两路：透射光和反射光。透射光被反射镜2反射后垂直入射到原始物平面Po上的物体上，经衍射后的物光经过合束器到达距离z=20厘米处的CCD记录面P H上。经过分束器后的反射光作为参考光被反射镜1和合束器反射到P H面上与物光干涉产生干涉条纹，被CCD记录下来传输到计算机中。 三、实验内容和步骤 1 光学器件的共轴调节 调节激光器水平，调整各器件的高度的俯仰，使其共轴。在调节透镜时要注意反射光点

重合。 2 平行光调节 利用调平的激光器，通过调节扩束准直系统，得到平行光。加入可变光阑，使平行光中心通过光阑的中心。通过针孔滤波和透镜准直获得宽口径平面波后搭建MZ干涉仪，保证两束光在合束器后完全重合并产生平行直条纹的干涉图样。 3.首先在激光束的传播方法放置分束器，将He-Ne激光器的主光束平分得到两个分光束。调整分束器角度，得到两条严格垂直的分光束。在光路1中放置反射镜1，将分光束1的传播方向改变，该反射镜与分光器位于同一列螺纹孔。反复调节反射镜的位置和反射角度，得到严格平行并且等高的两束光线。在光路2中放置反射镜2，如果调节的方法正确，主分光束的反射光和另外一条分光束可以刚好在空间相交，该交点基本可以刚好满足严格的等过程。 4.大致调整好分束镜和反射镜的光路，使两路光在合束器上汇合，并出射在白屏上（确定光斑是否落在各镜面中心，可用擦镜纸轻轻挡在镜面前观察光斑的位置）。 5.固定一路激光，测量记录光路的长度。调整另一路光路，使这路光的长度与刚刚记下的光路一致，固定光路。 6.将白屏移远（至少2m），观察白屏上的两个激光斑，若不重合，调节分束镜的控制钮，使两个光斑完美重合。 7.把白屏移回适合观察的位置，细调分束镜的控制钮并观察白屏上的激光干涉现象，直到现象最明显为止，得到清晰的竖直干涉条纹。 五、思考题 1.如果分束器后两路光光强不同，应该使用什么元件改善？ 2.马赫曾德干涉仪和迈克尔逊干涉仪的区别是什么？各有什么特点？

光纤马赫-曾德干涉

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

实验三：集成波导马赫-曾德尔干涉仪

实验三：集成波导马赫-曾德尔干涉仪 一、实验目的： 1．掌握MZI 的干涉原理 2．掌握MZI 干涉仪的基本结构和仿真方法 二、实验原理： MZI 干涉原理基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。MZI 主要由前后两个3dB 定向耦合器和一个可变移相器组成。最终使不同的两个波长分别沿两个不同的端口输出。其结构示意图如下所示： 图1 MZI 干涉原理简图 马赫－曾德干涉结构可用做光调制器，也可用做光滤波器。 1、马赫－曾德干涉仪的分光原理： 设两耦合器的相位因子分别为12,??,当干涉仪一输入端注入强度为0I (以电场强度表示为0E )光波时，可以推出两个输出端的光场强度12,I I (以电场强度分别表示为12,E E )分别为： 2 2 22 11012122222 2201212cos ()sin(2)sin(2)sin (/2)sin ()sin(2)sin(2)cos (/2)I E E L I E E L ????β????β??==++????==-+?? 式中，β为传输常数；12?=-L L L 为干涉仪两臂的长度差，它在干涉仪两臂之间引入的相位差：2/2/?=?=L n L C F βπυπυ。（υ为光的频率；n 为光纤纤心的折射率：C 为真空中的光速；/=?F C n L 为马赫一曾德干涉仪的自由程。 当构成干涉仪的两耦合器均为标准的3 dB 耦合器(即分光比为1：1)时，两耦合器的相位因子为045，可以得到干涉仪输出端的强度传输系数分别如下：

[][]2 1112002 2222001 1cos(2/)21 1cos(2/)2 ===-===+E I T F I E E I T F I E πυπυ 图2给出了强度传输系数随输入光频率的变化曲线： 图2 马赫－曾德干涉仪强度传输系数随频率变化曲线 从图2可以看出，两个输出端的强度传输系数正好是反相的，也就是说，当在干涉 仪的一个输入端注入单一频率的光波时，调节干涉仪使一个输出端输出光强度达到最大时，则另一输出端输出光强度将达到最小。另外，根据图2，还可以得到一个重要的结论：当在干涉仪一个输入端同时注入两个频率分别为12,υυ的光波时，如果二者的频差 21?=-υυυ与干涉仪自由程 F 满足关系式(1/2)?=+K F υ (0,1,2,=???K )，则可以实现两 个频率不同的光波分别在不同的输出端输出，即实现不同频率光波的分离。 2、马赫－曾德干涉仪的滤波原理 马赫－曾德滤波器结构如图3所示： 图3 马赫－曾德干涉仪滤波器原理图 输入光功率i P 经第一个3dB 耦合器等分为1i P 和2i P 两部分，他们分别在长度为1L 和 2L 的光波导中传输后，经过第二个3dB 耦合器合在一起。 设输入光功率i i i P E E *∝?，则输入光的电场强度可以表示为： i t i l E Ae i ω= 其中l i 表示光的偏振方向上的单位矢量。经过第一个3dB 耦合器将输入光分成两束，每

基于马赫曾德干涉仪的传感器应用

基于马赫曾德干涉仪的传感器应用

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 基于马赫曾德干涉仪的传 感器应用 课程名称：近代光学创新实验 院系：航天学院 专业：电子科学与技术 姓名： 学号：

哈尔滨工业大学 1 马赫曾德干涉仪的原理 马赫曾德干涉仪原理图如图1所示。结构上，马赫曾德干涉仪主要由2个3dB耦合器和2段光纤L1和L2组成，其中L1称为信号臂，L2称为参考臂。光源发出的光经耦合器1时被分成2束，一束经过信号臂L1，一束经过参考臂L2，然后在耦合器2处发生干涉，在输出端观察干涉图样。经过传输矩阵法分 析可得输出端的光强为 )) ( cos 1( 2 1 t a I I? + = ， )) ( cos 1( 2 2 t a I I? - = [1]。 图1 马赫曾德干涉仪的结构 2 非平衡马赫曾德光纤干涉仪传感器的原理 来自激光器的光束经透镜准直后在耦合器1上分成光强相同的两束光，两光分别经信号臂和参考臂在耦合器2相遇产生干涉光，并出现干涉条纹。当信号臂光纤因温度、应力等原因相对另一条参考臂光纤发生变化，引起传感臂光纤的长度、折射率变化，从而使传感臂传输光的相位发生变化，产生干涉条纹移动。由于干涉条纹的数量可以反映出被测量,通过光探测器接收到干涉条纹的变化信息，并输入到数据处理系统，即可得到测量被测量的目的。 3 马赫曾德干涉仪传感器的应用 光纤传感器是伴随着光导纤维及光通信技术的发展而逐步形成的，与传统

的传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点。光纤传感器就是利用光纤将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测。光纤传感器就调制方式来分有波长调制型、相位调制型、偏振态调制型等，其中马赫曾德干涉仪传感器属于相位调制型传感器[1]。各种光纤传感器中，马赫曾德干涉仪由于有抑制光源噪声和模式噪声的特点，在高精度测量中越来越受到重视[2]。马赫曾德干涉仪传感器主要是应用于温度和应力传感，由于温度变化可有电流、电压的变化引起，应力的变化可由磁场、电场引起，故马赫曾德干涉仪传感器也可以应用于磁场、电流、电压等领域的传感。 3.1 基于马赫曾德干涉仪的温度传感器 利用全光纤马赫-泽德干涉仪设计温度传感器的原理图参见图3。由激光器发出的相干光，经分束器分别送入两根长度相同的单模光纤。其中，参考臂光纤不受外场作用，信号臂放在需要探测的温度场中。同时，采用两个不同焦距的透镜以增强光的耦合程度。依据马赫曾德干涉仪的原理，由两个光纤出射的两个激光束在耦合出口处发生干涉，产生干涉条纹，经传感器接收后将温度变化时干涉条纹的变化规律传输到监视器，通过测量此干涉效应的变化，即可确定外界温度的变化[3]。 图3 全光纤马赫-曾德干涉仪温度传感器原理图

马赫—曾德(M—Z)光纤干涉实验

马赫—曾德（M—Z）光纤干涉实验 随着信息技术进入新时期，传感技术也进入了新阶段。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已被全世界所公认，因此，传感技术受到各国的重视，特别是倍受发达国家的重视，我国也将传感技术纳入国家重点发展项目。传感器定义：能感受规定的被测的量，并按照一定规律转换成可用的输出信号的器件或装置称为传感器。 光纤传感器有两种，一种是通过传感头(调制器)感应并转换信息，光纤只作为传输线路：另一种则是光纤本身既是传感元件，又是传输介质。光纤传感器的工作原理是，被测的量改变了光纤的传输参数或载波光波参数，这些参数随待测信号的变化而变化，光信号的变化反映了待测物理量的变化。 以光纤取代传统马赫—曾德 (M-Z)干涉仪的空气隙，就构成了光纤型M-Z干涉仪，如图1所示。这种干涉仪可用于制作光纤型光滤波器、光开关等多种光无源器件和传感器，在光通信、光传感领域有广泛的用途，其应用前景广阔。 图1 光纤型M-Z干涉仪 一、实验目的 1、了解马赫—曾德M—Z干涉的原理和用途；实验操作调试M—Z干涉仪并进行性能测试。 2、了解压力传感的原理，操作光纤压力传感原理实验。 3、了解温度传感的原理，操作光纤温度传感原理实验。 二、实验仪器用具 He-Ne激光器1套；光纤M-Z干涉仪1套；633nm单模光纤1根；光纤切割刀1套等。

三、M-Z干涉仪原理实验 1、原理 光纤型M-Z干涉仪实际上是由分束器构成。当相干光从光纤型分束器的输入端输入后，在分束器输出端的两根长度基本相同的单模光纤会合处产生干涉，形成干涉场。干涉场的光强分布(干涉条纹)与输出端两光纤的夹角及光程差相关．令夹角固定，那么外界因素改变的光程差直接和干涉场的光强分布(干涉条纹)相对应。 2、实验操作 (1)按图2所示仔细将光耦合进光纤分束器的输入端，此时可用光能量指示仪监测，固定好位置；精心调试分束器输出端两根光纤的相对位置，使其在会合处产生干涉条纹。 (2)固定调试好的相对位置，分析观察到的现象。 图2 聚光器件耦合原理示意图 四、光纤压力传感原理实验 1、原理 M—Z干涉仪型传感器属于双光束干涉原理，如图3所示。由双光束干涉的原理可知，干涉场的干涉光强为： ∝ I ) + 1(δ cos δ为干涉仪两臂的光程差对应的位相差，δ等于2π整数倍时为干涉场的极大值。压力改变了干涉仪其中一臂的光程，于是改变了干涉仪两臂的光程差，即位相差，位相差的变化由按上式规律变化的光强反映出来。 2、实验操作 本实验中传感量是压力，压力改变了光波的位相，通过对位相的测量来实现对压力的测量。具体的测量技术是运用干涉测量技术把光波的相位变化转换为强度(振幅)变化，实现对压力的检测。操作方案采用光纤干涉仪进行对压力传感的测量，利用干涉仪的一臂作参考臂，另—臂作测量臂（改变应力)，配以检测显示系统就可以实现对压力传感的观测。本操作只对压力引起光波参数改变作定性的干涉图案的变化观测。详细的量化可参考专门资料。

开放式光纤马赫—曾德尔干涉仪折射率传感器的研究

开放式光纤马赫—曾德尔干涉仪折射率传感器的研究 光纤折射率传感器具备体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐高温、灵敏度高和化学稳定性好等优点,在化工生产、环境监测和生物医学等领域中具有很好的应用前景。其中,开放式光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)折射率传感器因其超高折射率灵敏度和紧凑的结构受到业界高度关注。本文针对当前开放式光纤MZI存在的传输损耗大和折射率测量范围窄等问题,提出一种基于多模干涉耦合原理降低传输损耗的方法和一种折射率测量范围扩展方法。分别进行了传感器的设计制作、扩展折射率测量范围和该传感器在浓差极化原位监测等方面的研究。 研究工作包括以下三个方面:(1)研究了开放式光纤MZI折射率传感器的理论基础。分析了多模干涉耦合原理、马赫-曾德尔干涉原理和传感原理。通过数值模拟分析了该结构的特征参数对透射谱的影响,优化了制作工艺参数。(2)研究了开放式光纤MZI折射率传感器的传感特性。 搭建了折射率测量实验平台,实验结果表明:在1.333-1.3468的范围内,折射率灵敏度约为-1360nm/RIU,实现了高折射率灵敏度测量。利用干涉谱自由光谱范围与折射率的关系,研究了测量范围扩展方法,并对其正确性进行了实验研究。实验结果表明:折射率测量范围可以扩大到0.07RIU,折射率测量误差为±4.173 ×10-5 RIU。(3)设计了基于该传感器的浓差极化原位监测应用系统。 研究了基于折射率传感原理的浓差极化原位监测方法,搭建了浓差极化原位监测实验平台并进行了实验研究。实验结果表明:通过观察膜面的浓度变化可以实现浓差极化现象的检测,验证了开放式光纤MZI原位监测浓差极化的可行性。本文的研究成果表明优化的开放式光纤MZI达到了降低传输损耗的目的,同时提出的折射率测量范围扩展方法有效扩大了开放式光纤MZI的测量范围。另外,该传感器的应用也为研究膜表面浓差极化现象和膜污染机理提供新的技术手段。