光纤双光束干涉实验

南昌大学实验报告

学生姓名：刘pp 学号：5502vvvv 专业班级：vvvvvvvv

实验日期：2014/9/17 实验成绩：

实验三光纤双光束干涉实验

一、实验目的

1、掌握双光束干涉测量的原理

2、了解利用光纤干涉测量的优点和应用场合

二、实验装置

He-Ne 激光器，透镜，五维微调节架、控件箱（分束器），CCD，监视器，视频线。

三、实验原理

以光纤取代传统干涉仪的空气光程，构成了光纤双光束干涉仪。由激光器发出的相干光，经分束器分别送入两根长度基本相同的单模光纤（其中一根作测量臂，一根作参考臂），两根光纤的末端会合在一起后，输出的激光束相遇迭加后产生干涉，形成干涉条纹。

干涉场的光强：I∝（1+cosθ）

当θ=2mπ时，干涉场光强取极大值。m 为干涉级次，且满足关系式：

m =△L / λ , 或： m=v△t

当外界因素使测量臂光纤相对参考臂贡献长度改变△L ，导致了相对光程时延△t ；或者使传播光的频率 v 或光波长λ发生变化时，都会使 m 的值变化。

探测臂

He-Ne 光纤

分束器

参考臂

干涉条纹

图 1 光纤双光束干涉仪

当波长为λ0 的光入射到长为 L 的光纤时，以光纤的入射端面为基准，则出射光的相位为：ψ=βL= k0nL

式中：β——光在光纤中的传播常数

k0——光在真空中的传播常数

n ——光纤芯的折射率

L ——被测场与测量臂光纤的作用长度

光纤在外界因素作用下，相位的变化可以写成如下形式：

△ψ=β△L+L△β=ΒL（△L/L）+L(dβ/dn)+L(dβ/dD)△D

式中第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟（即应变效应），第二项表示

φ

M 1 d L 2d S 1’ S 2’ G S M 1’ M 2 R E P

S’ 感应折射率变化引起的相位延迟（即光弹效应）；第三项则表示光纤的直径改变（△

D ）所产生的相位延迟（对应于泊松效应））；一般情况下，直径改变引起的相移量比前面两项要小的多，可忽略不计。从而上式可以简化如下：

△ψ= k 0nL （△L/L+△n/n)

四、实验步骤

1、按下图连接好各装置

He-Ne 分束器 显示器 CCD 图 2 实验装置图

2、 调节五维支架，使激光较好的耦合入光纤，观察得到较清晰的干涉条纹为止。

五、实验思考

1、干涉条纹的宽度与方向与光纤及背景的哪些参数有关？

答: 与光纤芯的折射率、被测场与测量臂光纤的作用长度以及光的波长等有关。

2、干涉条纹对光源有什么原理性要求？

答：要求光源具有较好的单色性以提高干涉条纹的对比度,且出射的应为平行光。

3、试提出另一种光纤双光束干涉仪的原理方案（例如迈克尔逊干涉仪）。

答：迈克尔逊干涉仪（实验五所采用的泰曼-格林系统是迈克尔逊白光干涉仪的简化）

（1）原理

迈克尔逊干涉仪是应用分振幅法产生双光束以实现干涉的仪器，仪器的光学系统由两个平面反射镜M1和M2及两块材质相同、厚度相等的平行平面玻璃板G1和G2所组成，如右图所示。从光源S 发出的光，射到分光板G1上，分光板G1后表面有半反射膜，将一束光分解成两束光；一束为反射光（1），另一束为透射光（2）,他们的强度近似相等。由于G1与M1、M2均成45度角，所以两束光都垂直的射到M1和M2，并经反射后回到G1上的半反射膜，再在观察处E 相遇。因为光束（1）、（2）是相干光，若仪器调整得当，便可在E 处观察到干涉图样。G2为补偿板，其物理性能和几何形状与G1相同，它的作用是为了补偿光束（2）的光程，使光束（1）和光束（2）在玻璃中的光程完全相等。

（2）干涉条纹的形成。

由于半反射膜实质上是一块反射镜，它M2 在M1附M2近形成一个虚像M'2。由于是从观察处E 看到的两束光好像是从M1和M'2射来的，故可将M'2看成一个虚平面。因M'2不是实物，它的表面和M1的表面所夹的空气薄膜可以 任意调节如使其平行则形成等厚的空气薄膜，产生等倾干涉；若不平行则形成空气劈尖，成等厚干涉。从而在实验过程中可以观察到不同的干涉图样。

等倾干涉 使M2垂直M1（即M1平行M'2），S 又为面光源时，这就相当于空气平面板所产生的等倾干涉。自M1和M2反射后两光束的光程差（如果光束（1）、（2）在半反射膜上反射时无附加光程差）为i dCos '=∆2，式中ｄ为M1和M'2间的距离，即为空气膜厚度。I 为入射光M1、M'2镜表面的入射角。由上式可知，当d 一定时，光程差只决定于入射角。面光源上具有相同倾角I 的所有光束的光程差∆也相同，它们在干涉区域里将形成同一条干涉条纹，这种干涉即为等倾干涉。对应不同入射角的光束光程差不相同，形成不同级次的干涉条纹，便得到一组明暗相间的同心圆环，条纹定域在无穷远处，在E 处直接用眼睛就可以观察到等倾干涉的同心圆环。 等厚干涉 当M1、M'2相距很近，并把M'2调成与M1相交呈很小的角度时，就形成一空气劈尖。在劈尖很薄的情况下，从E 处便可看到等厚干涉条纹。这时，两相干光程差仍可近似的表示为∆=2dcosi ，，在M1和M'2的交线处的直线纹称为中央条纹。在交线上，d=0，光程差∆为零，条纹为一条直线；在交线附近d 很小，i 的变化可以忽略，即cosi 视为常数，条纹为一组近似与中央条纹平行的等间距的直条纹，可视为等厚条纹；离交线较远处d 变大，光程差∆的改变，除了与膜厚度d 有关外，还受i 角的影响，cosi 的影响不能忽略。实际上i 很小，∆=2dcosi ≈2d(1-i2/2)，条纹发生弯曲。

六、实验小结

通过本次实验，我掌握了双光束干涉测量的原理，进一步熟悉了光纤双干涉仪的应用，并复习了有关迈克尔逊干涉仪的相关知识；同时，实际操作调节实验仪器以观察到较清晰的干涉条纹，也提高了动手能力。