光纤马赫-曾德干涉试验
实验十、MZ综合实验
【实验名称】 马赫－曾德光纤干涉仪综合实验马赫－曾德光纤干涉仪基于相干光学中马－曾干涉仪原理实现了相干光路光纤化的一种器件，通称MZ 。
它主要由光纤耦合器、偏振控制器、PZT 相位调制器和光纤组成。
利用MZ 干涉仪原理制成的MZ 光纤调制器是在MZ 干涉仪的基础上，加入第二个耦合器，并采用PZT 将输入的电调制信号转换为光调制信号输出，其在光通信中有重要的应用。
因此，学习MZ 干涉仪的基础知识对于理解和掌握光通信原理和技术是非常必要的。
【实验目的】1．了解光纤马赫－曾德干涉仪的基本原理及时调整方法2．掌握光耦合的基本技能,3．掌握光纤偏振控制器的原理及使用方法,4．掌握压电陶瓷(PZT)进行光纤相位调制的工作原理及使用方法.【实验原理】为深入地掌握MZ 干涉仪的工作原理，我们先从构成MZ 干涉仪的基础元件光纤耦合器出发，运用模耦合理论分析光纤耦合器光场的输入和输出关系，再利用光传输理论扩展到整个MZ 干涉仪。
1. 光纤熔锥耦合器光纤熔锥耦合器是将两段光纤除去涂覆层后缠绕在一起，用光纤拉锥机拉制而成的用于光功率耦合的光纤器件。
通常光纤耦合器为1×2和2×2，图1给出1，2端口端输入，3，4端口输出的2×2耦合器示意图，图中箭头表示光波传输方向。
图1. 2×2光纤熔锥耦合器结构对于光波导而言,绝大部分光都集中在纤芯,但总有很小部分能量散布于包层.当两个光波导相互靠近时,一个波导中传输的光能将耦合到另一个波导之中,从而改变各个光波导的场分布,而这种变化反过来对原光波导发生影响,这就形成了两光波导的横向耦合。
理论上参与耦合作用的光场满足如下光纤耦合器的模耦合方程[][]⎪⎩⎪⎨⎧+=+=)()(d d )()(d d 212211z E z kE i zE z kE z E i z E ββ （1） 其中和分别为存在于耦合器中两个相互作用光场, 为模耦合系数, )(1z E )(2z E k β是光在光纤中传播常数。
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。
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ΦnL 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λπ=λπδ=∆ΦSP22λπ+=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 ∆。
光纤马赫曾德尔干涉仪结构的优化与应用研究
光纤马赫曾德尔干涉仪结构的优化与应用研究光纤马赫曾德尔干涉仪是一种重要的光学仪器，其结构优化与应用研究对于提高其性能和应用范围具有重要意义。
本文将从理论和实践两个方面对光纤马赫曾德尔干涉仪的结构优化与应用研究进行探讨。
一、1.1 光纤马赫曾德尔干涉仪的基本原理光纤马赫曾德尔干涉仪是基于马赫-曾德尔干涉原理的一种光学仪器，它通过利用光的相干性和频率差异来实现空间分辨率的高精度测量。
该仪器主要由光源、分束器、反射镜和检测器等组成。
其中，光源是用来产生激光束的设备，分束器是用来将激光束分成两路的装置，反射镜是用来控制激光束方向的工具，检测器则是用来接收和处理激光束信号的部件。
二、2.1 光纤马赫曾德尔干涉仪的结构优化为了提高光纤马赫曾德尔干涉仪的性能和应用范围，需要对其结构进行优化。
具体来说，可以从以下几个方面入手：(1)优化分束器的设计：分束器是光纤马赫曾德尔干涉仪中非常重要的组成部分，其设计直接影响到激光束的质量和数量。
因此，可以采用一些新的设计方案，如采用数字信号处理技术来控制分束器的输出信号等。
(2)优化反射镜的设计：反射镜在光纤马赫曾德尔干涉仪中起到了控制激光束方向的作用。
为了提高反射镜的精度和稳定性，可以采用一些新的材料和技术，如采用超精密加工技术来制造反射镜表面等。
(3)优化检测器的设计：检测器是光纤马赫曾德尔干涉仪中最敏感的部分，其设计直接影响到测量结果的准确性和可靠性。
因此，可以采用一些新的传感器技术和算法，如采用多通道检测技术来提高检测器的灵敏度等。
三、3.1 光纤马赫曾德尔干涉仪的应用研究除了结构优化外，还需要对光纤马赫曾德尔干涉仪的应用进行深入研究。
具体来说，可以从以下几个方面入手：(1)研究新型光源：光源是光纤马赫曾德尔干涉仪中最重要的组成部分之一，其性能直接影响到测量结果的准确性和可靠性。
因此，需要研究一些新型光源，如掺铒玻璃灯、半导体激光器等。
(2)研究新型材料：为了提高光纤马赫曾德尔干涉仪的性能和应用范围，需要研究一些新型材料，如纳米材料、超薄材料等。
利用光纤马赫曾德干涉仪实现的光学双稳性研究的开题报告
利用光纤马赫曾德干涉仪实现的光学双稳性研究的开题报告一、研究背景在光学系统中，光路稳定性是一个十分重要的问题。
在利用激光等光源进行测量和制造等领域的应用中，其稳定性直接决定着实验精度和制造精度。
因此，研究光学系统中的稳定性问题具有重要的理论和应用价值。
光学双稳性是一种常见的光学稳定性现象。
在光学系统中，存在两个或多个相对稳定的状态，称为“光学双稳”现象。
通过对光学双稳性现象的研究，可以帮助人们更好地理解光学系统的稳定性问题，提高光学系统的稳定性和精度。
马赫曾德干涉仪是一种可实现光学双稳性的光学系统。
其基本原理是利用光纤作为光学路径，通过改变反射镜间距，可以实现两个相对稳定的干涉信号。
因此，利用光纤马赫曾德干涉仪进行光学双稳性研究具有重要的实际应用价值。
二、研究目的和意义本研究的目的是利用光纤马赫曾德干涉仪实现光学双稳性，并对其进行研究和探讨。
具体来讲，本文将研究光纤马赫曾德干涉仪中的干涉信号特性、马赫曾德干涉仪参数对干涉信号的影响、干涉信号稳定性等问题，通过实验和理论分析探讨光学双稳性的形成机理，以及如何调节和控制光学双稳性的出现，为应用领域提供理论和实践的指导。
三、研究思路和方法本文将首先对光学双稳性现象进行介绍和分析，详细阐述马赫曾德干涉仪的基本原理和系统结构，并探究其对干涉信号的影响。
其次，将建立稳定的实验系统，通过实验观测得到马赫曾德干涉仪在不同参数下的干涉信号，并对其进行分析和处理。
最后，将利用数学模型对干涉信号进行理论推导，并通过对实验数据的拟合来验证理论模型的可靠性和适用性。
四、预期成果和贡献本研究通过采用光纤马赫曾德干涉仪，实现了光学双稳性现象，并对其进行了详细的研究和探讨。
该研究将获得如下成果：1. 研究光纤马赫曾德干涉仪中的干涉信号特性，并建立数学模型对其进行分析和处理；2. 揭示马赫曾德干涉仪参数对干涉信号稳定性的影响规律；3. 分析光学双稳性的形成机理，并提出调节和控制光学双稳性的方法。
全光纤马赫-曾德尔干涉仪的测温实验
收 稿 日期 ： ０ ９ １ — ３ 修 改 日期 ： ０ ００ ～ ６ ２ ０—０１ ； ２ １ — １０ 资助 项 目 ： 京 航 空 航 天 大 学 Ｓ ＴＰ项 目支 持 （ ． Ｒ ４ ０ １７ 北 Ｒ Ｎｏ Ｓ ＴＰ ３ ３ ０ ） 作 者 简 介 ： 亚 星 （９ ８ ） 男 ， 张 １ ８ 一 ， 湖南 岳 阳 人 ， 京 航 空 航 天大 学 物 理科 学 与 核 能 工 程 学 院 本 科 生 ． 北 指 导 教 师 ： 明川 （９ ９ ）男 ， 京 人 ， 京 航 空 航 天 大 学 物 理 科 学 与 核 能 工 程 学 院 副 教 授 ， 士 ， 事 光 电 测 试 技 术 苗 １５－ ， 北 北 博 从 研究．
第３ Ｏ卷 第 ９ 期
２１ ０ ０年 ９月
物 理 实
验
Ｖｏ１ Ｏ ．３
ＮＯ． ９
ＰＨ ＹＳＩ ＣＳ ＥＸ ＰＥＲＩ ＥＮ ＴＡ Ｔ Ｉ Ｎ Ｍ ｏ
Ｓ ｐ ，０ ０ ｅ ． ２ １
学
生
园
全 光 纤 马赫 一 曾德 尔 干 涉 仪 的测 温 实验
张亚星 ， 赵 鹏 ， 张 洁 ， 明 川 苗
亮条 纹 ， 等 于 （ ｋ １ 兀时 为 暗 条 纹 （是为 级 △ ２＋ ）
２ 温 度 测 量 系统
２ １ 测 温 原 理 ．
数） ．设 。 和
分 别 为 ２柬 激 光 射 出 光纤 时 的
相 位 （ ｌ受 温 度 调 制 ） １ ： 一 １＋ 惫ｎ ， ２ 。 。Ｌ１ 一
（ 北京航 空航 天 大 学 物 理科 学与核 能 工程 学 院 ， 北京 １ ０ ９ ） ０ １ １
地
摘 要 ： 阐述 了全 光纤 马赫 一 德 尔 干 涉 仪 的 测 温 原 理 ， 在 ２ ￣ ４ ℃对 测 温 系 统 进 行 了标 定 ．利 用 Ｍａｌｂ数 字 图 曾 并 ０ ０ ｔ ａ 像 处 理 技 术 对 温 度 干涉 条 纹 图像 进 行 处 理 ， 计 了计 算 条 纹 移 动 数 目的 程 序 ．通 过 测 温 实 验 对 条 纹 记 数 程 序 进 行 了 检 设 验， 有较 好 的 准 确 度 ．
实验报告 马赫 曾德干涉仪
实验报告马赫曾德干涉仪实验报告马赫-曾德干涉仪2011-03-17 11:20 P.M.班级08级物理系*班组别_1_姓名_Ayjsten_学号1080600*日期_ 2010.03.02指导教师_ _【实验题目】马赫-曾德干涉仪马赫-曾德干涉、针孔滤波器、相干长度。
【实验目的】1.熟悉所用仪器及光路的调节，观察两束平行光的干涉现象。
2.观察全息台的稳定度。
3.通过实验考察激光的相干长度。
【实验原理】针孔滤波器激光从发出，经过各种透镜的反射折射，会产生很多杂散光，如光学元件表面本身不够平整，表面落有灰尘等，而激光的干涉性又好，元件表面的问题导致激光产生大量散射光。
针孔滤波器原理图见图?，如图所示，聚光镜汇聚光的同时还产生很多散射光，而这些散射光的光线与没有受到干扰的光束的方向不同，只有没有受到干扰的光束才能通过针孔，从而过滤掉了其他的干扰光。
针孔的直径很小，一般约，从针孔后面看，就可以把它当做一个能产生球面波接近理想的光源。
这对于光学研究有重要的意义。
全息工作台基本要求是工作台的稳定性要好。
振动的一般来源是地基的震动，所以必须对全息台进行减震处理。
专用全气浮工作台是最好的减震台。
简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫和重的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。
记录全息图时，室内不要通风，工作人员不要大声讲话并与工作台保持较远的距离。
如全息记录时，物光和参考光交角为θ，干板中央处的干涉条纹间距为d=λ/sinθ(λ为激光波长)。
如果干板以大于d/2的振幅上下震动，则明暗部分将混乱。
所以在记录全息的过程中，工作台的稳定性必须考虑。
马赫-曾德干涉马赫-曾德干涉是用分振幅法产生双光束以实现干涉的干涉仪。
具体光路图见下图?所示。
马赫-曾德干涉中，在分束镜2处汇聚的两路激光一般是存在一个夹角的，调整分束镜2使夹角减小，则白屏上观察到的干涉就更明显。
由分束镜分开后的两路光路长度，要求是等长的。
若相差超出实验用的激光器的最大相干长度，则不能出现干涉。
光纤马赫曾德尔干涉仪结构的优化与应用研究
光纤马赫曾德尔干涉仪结构的优化与应用研究光纤马赫曾德尔干涉仪是一种重要的光学仪器，它可以用于测量光波的相位差和频率。
本文将从理论和应用两个方面对光纤马赫曾德尔干涉仪的结构进行优化和研究。
我们来了解一下光纤马赫曾德尔干涉仪的基本结构。
它主要由光源、分束器、反射镜和检测器等部分组成。
其中，光源是用来产生光波的装置，分束器是用来将光束分成两路的装置，反射镜是用来反射光线的装置，检测器则是用来测量光波的相位差和频率的装置。
在这些部分中，最关键的是反射镜的设计。
因为只有通过精确的反射镜设计，才能保证光线的正确分布和测量结果的准确性。
针对以上问题，我们进行了以下的研究：一、优化光纤马赫曾德尔干涉仪的结构1. 改进分束器的设计为了提高光纤马赫曾德尔干涉仪的性能，我们对其分束器进行了改进。
具体来说，我们采用了一种新型的分束器设计，使得两路光线之间的夹角更加精确，从而提高了测量精度。
我们还加入了一些补偿措施，以应对不同环境下光线的变化。
1. 优化反射镜的设计为了进一步提高光纤马赫曾德尔干涉仪的性能，我们对其反射镜进行了优化。
具体来说，我们采用了一种新型的反射镜设计，使得光线能够更加均匀地分布在整个反射面上。
我们还加入了一些调节装置，以便根据不同的测量需求进行调整。
二、应用光纤马赫曾德尔干涉仪解决实际问题除了对光纤马赫曾德尔干涉仪本身进行优化外，我们还将其应用于实际问题中。
例如，在光学通信领域中，我们可以使用光纤马赫曾德尔干涉仪来测量光波的相位差和频率，从而确保数据的传输质量。
在医学领域中，我们也可以利用光纤马赫曾德尔干涉仪来进行生物成像等方面的研究。
通过对光纤马赫曾德尔干涉仪结构的优化和应用研究，我们可以更好地发挥其性能优势，并为相关领域的发展做出贡献。
最新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。
光纤马赫曾德尔干涉仪结构的优化与应用研究
光纤马赫曾德尔干涉仪结构的优化与应用研究光纤马赫曾德尔干涉仪是一种非常重要的光学仪器，它可以用于测量光波的相位差和频率等参数。
在现代科技中，这种仪器被广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
本文将介绍光纤马赫曾德尔干涉仪的结构优化与应用研究。
我们来了解一下光纤马赫曾德尔干涉仪的结构。
这种仪器主要由光源、分束器、反射镜系统、检测器等部分组成。
其中，光源是用来产生光线的设备，分束器可以将光线分成两束分别经过反射镜系统进行反射，反射后的光线再经过检测器进行检测和分析。
为了提高光纤马赫曾德尔干涉仪的性能和精度，需要对其结构进行优化。
一种常见的优化方法是采用全内反射镜系统。
这种系统可以使光线在经过多次反射后仍然保持较高的光强和稳定性，从而提高了仪器的分辨率和灵敏度。
还可以采用新型的材料和工艺来制造反射镜和检测器，以进一步提高仪器的性能和精度。
除了结构优化之外，光纤马赫曾德尔干涉仪还可以通过不同的应用场景进行定制化设计。
例如，在通信领域中，可以根据具体的通信需求来设计不同的分束器和反射镜系统；在医疗领域中，可以根据医学成像的需求来设计不同的检测器和算法。
这些定制化的设计方案可以使光纤马赫曾德尔干涉仪更加适应不同的应用场景，并发挥出更好的效果。
光纤马赫曾德尔干涉仪是一种非常重要的光学仪器，它的结构优化和应用研究对于现代科技的发展具有重要意义。
希望我们的努力能够为这个领域的发展做出一份贡献！。
马赫曾德干涉仪原理
马赫曾德干涉仪原理
马赫曾德干涉仪（Mach-Zehnder Interferer，简称MZI）是一种物理学实验装置，它可以测量光的相位差。
它由两个平行的全反射镜和两个旋转开关组成，又被称为“Mach-Zehnder开关”。
马赫曾德干涉仪原理是依靠光的相干性来实现的，即使用同一光源分别通过两个不同路径，获得两个相互等效的光束，然后将它们放在一起，可以看到相位差引起的模式变化。
MZI 基本结构如图1所示：它由一个波导，两个全反射镜和两个旋转开关组成。
当光通过马赫曾德干涉仪时，它会被分成两束，分别经过上面的两个全反射镜，然后通过下面的旋转开关，最后再经过一个全反射镜，合并到一起。
当光通过MZI时，它会根据MZI的结构而产生不同的结果，如图2所示：
在MZI 中，上面全反射镜之间有一定的距离，可以改变激光束在MZI中的传播路径。
如果将两个全反射镜距离增大，则传播路径增加，激光的相位也会随之发生变化。
当光线经过MZI时，会出现零相位差（幅度最大）、π/2相位差（幅度最小）以及其他介于0~π/2之间的相位差（幅度介于最大和最小之间）。
由上图可知，当激光的
相位差为零时，会出现一个纵向的“火柴”状的圆形图案，当激光的相位差为π/2时，会出现一个横向的“火柴”状的圆形图案。
MZI 的原理可以运用到多种光学系统中，如光栅、光纤、波导等，能够实现光信号的相位检测、模式检测等功能。
它的应用不仅仅局限于实验室，而且可以在实际的光子电路中运用。
总而言之，马赫曾德干涉仪是一种物理学实验装置，它通过改变激光束在MZI中的传播路径来测量光的相位差。
它可以实现光信号的相位检测、模式检测等功能，广泛应用于实验室和实际的光子电路中。
实验,马赫曾德
-、实验十三双光纤Mach-Zehnder干涉传感实验本实验采用双光纤技术，一方面通过双光纤分光路干涉，构成光纤Mach-Zehnder干涉传感测量系统；另一方面，在双光纤的出射端，构成杨氏双孔干涉系统。
通过本实验，可对光纤干涉相位调制的物理过程有一个完整的了解，同时，借助于双光纤杨氏空间干涉系统，可研究干涉条纹的空间分布等相关特性。
此外，借助于光纤双光路的光程调制器，可获得光相位的一些具体调制方法。
一、实验目的1.掌握基于双光纤干涉的基本原理；2.重点了解采用光纤形成光路的马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉系统中，光纤光程变化对条纹移动的影响；3.简要了解基于双光纤干涉的马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉测温以及应变测量等基本知识。
二、实验原理1．光纤杨氏干涉英国物理学家杨（T.Yong），最初所做的干涉实验如图13-1所示。
图13-1 双孔杨氏干涉实验用强光照射针孔S，以它作为点光源发射平面波。
在离S一定距离处放置另外两个小针孔S1和S2，它们从由S发出的球形波阵面上分离出两个很小的部分作为相干光源，由这两个小孔发出的光波在空间相遇的区域内会产生干涉现象。
因为针孔S、S1、S2很小，所以产生的干涉条纹图样很弱，不易观察。
后来采用狭缝代替针孔，得到了同样形状但明亮得多的干涉图样。
然而，有人认为无论是双孔干涉还是双缝干涉产生的干涉图样可能是由于光经过孔或缝的边缘时发生的复杂变化，而不是真正的干涉，后来菲涅耳做了双棱镜干涉实验，使人们确信光存在干涉性。
本实验采用光纤作为产生相干光的光源来实现双孔干涉（如图13-2所示），可以获得非常明亮的、条纹间距很宽的干涉图样。
该干涉条纹用眼睛在毛玻璃上能清晰地观察到。
图13-2 双光纤杨氏干涉实验装置2．光纤Mach-Zehnder干涉仪两光纤所构成的光路受到干扰时，会导致空间干涉条纹的移动。
因此，利用这一特性，可以构成光纤Mach-Zehnder干涉仪。
干涉仪马赫-曾德尔
§4.1 光电检测
§4.2 §4.3 §4.4 §4.5 光电控制 光纤通信 光纤传感器 光电信息技术其它应用
1
§4.1.1 光电检测基本方法
根据检测原理光电检测的基本方法有直接作用法、差动法、补偿 法和脉冲法等。
一． 直接作用法
受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换成电量后由检测 机构直接得到欲测的物理量，测量框图如图所示。直接测量法的 最大优点是简单方便，仪器设备造价低廉。这种方法的缺点是检 测结果受参数、环境、电压波动等影响较大，精度及稳定性较差。 适合于测量精度要求不高的场合。
双向可控硅使用时，一般采用第一和第三象限的组合，但 由于双向可控硅元件的结构关系，3＋触发形式在使用时所 需控制级功率较大，故相对少用，而1＋~3－和1－~3－的 触发组合方式使用较多。
27
五 双向可控硅触发电路
28
六 光电继电器的应用
• 路灯、霓虹灯的自动控制电路 图(a)简单的光控霓虹灯电路，采用的光敏器件为光敏电阻；
6
§4.1.1 光电检测基本方法
2.相位法测距
带有测距功能的望远镜是发射一束调制的脉冲激光，再接收来自于被测物 的反射光。发射信号和接收信号的相位差反映了被测物的距离。设Vo和Vi 分别代表发射脉冲和接收脉冲，如图4.1.1－9所示。
7
§4.1.1 光电检测基本方法
3.频率法测速
图是测速的原理框图。在转动轮上均匀贴有反射片，光电传感器可接 收到与转速相对应的光脉冲。设m为反射片数，n为每分钟转速，则 f=nm/60=N/t，n=60N/(mt) 只要控制在一定的时间t内计数N，就可计算得到轮子的转速。
4
§4.1.1 光电检测基本方法
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ΦnL 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λπ=λπδ=∆ΦSP22λπ+=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 ∆。
全光纤马赫-曾德尔干涉仪输出特性研究
南京邮电大学 硕士学位论文摘要
学科、专业：工 学 光学工程
研 究 方 向：光纤通信与光波技术
作
者：谷朋飞 硕 081606
指 导 教 师：黄勇林 教授
题
目：全光纤马赫-曾德尔干涉仪输出特性研究
南京邮电大学硕士研究生学位论文
摘要
摘要
光滤波器是光通信和光电子领域不可或缺的重要元器件，在波长锁定、波分复用/解复用、 波长路由、色散补偿、增益平坦等技术中都有广泛应用。随着波分复用（WDM）系统中信道 数的不断增加和信道间隔的不断减小，对滤波技术的要求也越来越高，因而研究新型高性能 光滤波器成为学科前沿课题之一。在众多滤波器中马赫-曾德尔干涉仪型滤波器由于结构简单、 可多级串联、以及具有梳状和带通滤波特性等优点，因而在 WDM 系统中备受关注。
目录
目录
摘 要.....................................................................................................................................................I Abstract ............................................................................................................................................... II 目 录..................................................................................................................................................IV 第一章 绪论........................................................................................................................................1
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。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。