光纤micarloson干涉仪系统的设计与控制

光纤micarloson干涉仪系统的设计与控制

0传感网络的性能光纤传感器技术是20世纪70年代末的一项新兴技术。它在世界上形成了一个研究热点，并与光纤通信一起动态驱动。由于其出色的性能，光纤传感器非常受欢迎。它有以下优点：体积小、质量轻、抗电磁干燥、腐蚀性强、灵敏度高、测量带宽大、检验电子设施和传感器距离远等优点。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。1两束光干涉动态传感检测图1为Michelson干涉仪系统结构图。图1中,光纤耦合器采用2×2的3dB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传播函数的确定设2×2的3dB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:E0为光波的振幅;ω为光波的频率;k0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I0,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Er=E0αζ2−−−√ei(ωt−k0nlr)(3)式中lr为参考臂光纤的长度。Es=E0α(1−ζ)2−−−−−−−−√ei(ωt−k0nls+π2)(4)式中ls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Rf,则光电探测器检测到的两束光的传播函数为Er=E0αRfζ2−−−−−√ei(ωt−k0nlr+π2)(5)Es=E0αRf(1−ζ)2−−−−−−−−−√ei(ωt−k0nls+π2)(6)这两束光进入PD时产生干涉,PD接收到的干涉光的光强I为由双光束干涉的结论得到I=Ir+Is+2IrIs−−−√cosΔφ(8)把式(2)、式(5)、式(6)带入式(8)得到I=I0αRf[ζ2+(1−ζ)2+2ζ(1−ζ)cosΔφ](9)相位差Δφ为若2×2的3dB的耦合器耦合系数ζ=0.5,则式(9)变形为I=I0αRf2[1+cosΔφ](11)若光纤反射端面的反射率Rf很高接近于1,光纤Michelson干涉仪系统中光电探测器探测到的干涉光的光强I为I=I0α2[1+cosΔφ](12)干涉条纹的可见度V定义为V=Imax−IminImax+Imin(13)由式(13)可知,从理论上看干涉条纹的可见度V=1,即亮暗条纹区别非常明显,这与实验现象也是吻合的。3单模光纤偏振控制器在相干通信以及光纤传感器的相干检测中,要求本征光与信号光的偏振方向一致,这样干涉光的光强最强,然而由于外界因素导致输出光的偏振态发生变化并且是随机的,从而使被检测信号不稳定。因此要采用保偏光纤或者单模光纤加上偏振控制器来获得本征光与信号光的偏振匹配。保偏光纤效果很好但是价格昂贵,而单模光纤偏振控制器价格便宜并且效果也很不错。单模光纤中存在两个偏振方向相互正交的线偏振模,即LPx01和LPy01,它们具有相同的传播常数,两模简并。单模光纤在电场和磁场或在弯曲、侧压、扭转等外力作用下,通过光弹效应引起双折射,从而破坏了两LP01模的简并。设单模光纤的包层半径为a,弯曲半径为R,当以R为半径弯曲形变时如图4所示。当光纤弯曲时,在两正交方向(x、y方向)有应力差Δσ(σy-σx),进而产生双折射。则在两正交方向产生的折射率之差δn为δn=n32E(1+ν)(C12−C11)Δσ(14)式中:Cij为光纤的光弹系数;E为光纤的杨氏模量;ν为泊松系数。光纤弯曲时在光纤截面上沿着x、y方向产生的应力σx和σy为⎧⎩⎨σy=−14a2ER2(141−2ν1−ν+1)+14a2ER2σx=−14a2ER2(141−2ν1−ν+1)−14a2ER2(15)由式(14)、式(15)得到在横截面的x轴和y轴向的折射率之差δn为对于石英光纤,n=1.46,ν=0.16,C11=0.121,C12=0.27,代入式(16)得到折射率差δn为偏振控制器就是将进入光纤的入射光任意偏振态经过控制后使出射光为所要求的偏振态,在光学上是由λ/4波片和λ/2波片来实现的。把光纤以一定的弯曲半径R和一定的圈数N弯曲后可以等效为λ/4波片和λ/2波片。选定弯曲半径R和圈数N后,上述双折射效应将显著,可以使两正交的LP01模之间的相位延迟为λ/2或π.因为相移常数差δβ为δβ=2πλδn(18)对于弯曲半径R和N圈的单模光纤而言,在里面传播的两线偏振模之间的总相位差Δφ为Δφ=2πm=δβ⋅(2πR⋅N)(19)式中m为分波系数。由式(17)、式(18)、式(19)得到R=0.266πλa2N⋅m(20)式(20)定量地给出光纤圈数和光纤结构参数的关系。对应等效的λ/4波片,m=4,N=2;等效对应λ/2波片,m=2,N=4,两者具有相同的弯曲半径。在光纤Michelson干涉仪中,因为设计双光束的干涉,而氦氖激光光源的相干长度很长,为最佳光源,故λ=0.6328μm,2a=125μm,算得R=41.27mm.图1中光纤Michelson干涉仪的单模光纤偏振控制器具体结构式意图如图5所示。在图5中,保持光纤圈1、3不动,缓慢转动部分光纤圈2直到检测到的波形峰值最大以及波形最稳,就说明信号光和参考光的偏振态匹配了。4michaon干燥加工应用分析4.1效果不理想的类型传统的Michelson干涉仪在演示双光束的干涉时,能够较清晰地看出干涉条纹,但动态演示干涉过程效果不理想。而光纤Michelson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,特别是与PC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1中步进电机的移动改变了式(10)中信号臂光纤的长度ls,进而改变式(11)中干涉光的光强,这能够从理论、实验同时进行解释双光束干涉的实质。4.2端面与反射端面距离的选择在图1中,把信号臂一侧的反射端面贴在待测量对象(比如置于空气中)上,信号臂光纤端面与反射端面距离为l0,式(10)变形为当反射端面随着待测物体发生微位移时,使l0发生变化,即式(21)中的Δφ变化,进而使得式(11)的干涉光的光强I变化,以此来达到测量微位移的目的。采用光的干涉法测量微位移是目前精度最高且实用的方法。4.3待测物的断裂和测改在图1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l0,待测物体长lx、折射率为nx,待测物体置于信号臂光纤端面与反射端面之间后,式(10)变形为待测物体长lx可以测量出来,在式(22)中待测物体折射率nx改变了干涉光的光强,由光强的变化测量物体的折射率nx.4.4光纤分辨率的影响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臂光纤的折射率,这样在式(10)中的光纤的折射率n的变化使相位差Δφ变化,进而使式(11)的干涉光的光强I变化,以此来达到测量微应变、应力的目的。4.5磁敏材料的选择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改变信号臂光纤的折射率n和长度ls,这样使式(10)中的相位差Δφ变化,进而使式(11)的干涉光的光强I变化,以此来测量磁场的强弱。4.6非接触式测量图1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l0,当待测压力p作用在膜片上时,p改变式(21)中l0的来改变Δφ