光纤Michelson干涉仪

将光纤探针稳定地控制在样品表面的近场区 域是实现隐失场探测的关键
测量晶体的弹光系数
通过光程比较的方法来间接地测量晶体折射率随外 力的变化特性。光 纤干涉仪的测量臂和参考臂光纤尾端与棒状自聚焦准直透镜(GR烈1ens) 相连，干涉仪所 光源的相干长度时，就会产生如图2所示的白光干涉图， 其具有振幅极大的中心干涉条纹对应于两臂光程绝 对相等处。利用这 一干涉特性，通过光程比较的方法来间接地测量样品折射率随相关状态 的变化关系。
原理（版本二）

He-Ne激光通过耦合透镜进入单模光纤后被光纤耦合器分 成强度相等的两束，分别进入参考臂和传感臂中传播。两 干涉臂中传播的光线经各自光纤端面的反射镜Ml、M2反射 重新返回光纤中，当干涉仪两个臂问的光程差小于光源的 相干长度时，两束光在光纤耦合器的另一输出端将发生干 涉。输出的干涉信号进入光电探测器D。这样光电探测器D 就给出了干涉强度和两束光光程差之间的函数关系，即干 涉图。
二.应用
1、代替传统的Michelson干涉仪应用于教学
传统的Michelson干涉仪在演示双光束的干涉时， 能够较清晰地看出于涉条纹，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3中步进电机的移动改变了信 号臂光纤的长度ls，进而改变干涉光的光强，这 能够从理论、实验同时进行解释双光束干涉的实 质。
光纤迈克尔逊干涉相位差与 光强的关系图如下

若I1r、I2r为试件界面反射进入光纤的光强。则4 束反射光到达光探测器产生干涉，其输出光强 Iout可表示为：
于是又可得到

改进型的Michelson干涉仪，以下为其中两种
带有振控制器的迈克 尔逊干涉仪
带有偏振控制器的Michelson干涉仪．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。


汪 繁 余 智 威
第 二 小 组
光纤迈克尔逊干涉仪

一 ：原理 Biblioteka Baidu ：应用
一.原理
下图为普通光学迈克尔逊干涉仪原理图. 由激光器发出的光经分束器分成光强相等的两束 光.其中一束射向固定反射器镜,然后反射回分 束器,被透射的那另一束光入射到可移动反射 镜上,然后反射回分束器上,经分束器反射的一 部分光传至光探测器上,而另一部分经由分束 器透射,返回到激光器.当两反射镜到分束器间 的光程差小于激光器的相干长度时,射到光探 测器上的两相干光束便产生干涉,干涉光强由 公式A2=A12+A22+2A1A2cos(∆φ )确定.两相干光 的相位差为∆φ =2k0∆L
基于光纤迈克尔逊传感器的水轮机
光纤传感器具有绝缘、抗电磁干扰、安全、耐高 电压、耐化学腐 蚀、耐高温以及低损耗、高性价比等 优点，因此可应用于高直流 电场、磁场或强的高频场、微波场坏境中的测量，测量精度高而且 可以组成测量网络，自动地进行实时监测。但是目前国内外成熟的 光纤传感器产品仍不多，而且价格昂贵。光纤Michelson传感器由 于制作简光纤Michelson传感器由于制作简单，成本低而受到广泛 应用 光纤迈克尔逊干涉仪的结构示意图如图
3、测量折射率 在图3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，式变形为
待测物体长lx；可以测量出来，在式中待测物体折射率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、测量微应变、应力
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，这样光纤折射率n的变化使得相 位差Δ φ 发生变化，进而使得干涉光的光强I变化， 以此来达到测量微应变、应力的目的。
5、测量磁场的强弱
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l0，这样使相位 差Δ φ 发生变化，进而使得干涉光的光强变化， 以此来测量磁场的强弱。
6、测量压力 图3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，同时也改变式(11)中的反射率Rf，进而 改变干涉光的光强，来达到测量目的，这种测量 方法精度高，测量压力的范围大且能实现非接触 式测量。 7、检测超声波 一种基于Michelson干涉仪原理构成的非接触式光纤 超声传感系统，用来检测超声波．该传感系统可 以通过固体的表面来探测固体结构中伴随着微裂 纹发生及各种原因造成的振动而产生的声发射．
1中虚线方框所示。当激光器发出的光 经3dB耦合器后分成光强相等的两束光， 分别进入干涉仪的信号臂 和参考臂。 由于构成两个光路的光纤都是单模光纤， 但是长度不同，信号臂与参考臂的长度 差即为传感头长度。为了增强干涉效果， 在信号臂和参考臂光纤末端端面镀有高 反射膜。当光在两臂中传输到末端时会 发生发射，两反射光反向传输，再经 3dB 耦合器后被光电探测器接收，转化 为电信号。由于两反射光具有相同的频 率、偏振方向，相位差恒定，故满足干 涉条件。
8、声波探测
声波探测技术具有：声波衰 减小，能够绕山传播，侦 察隔山目标与丛林中的日 标，非其他探测技术所及； 完全采用被动式工作原理， 不易被敌方电子侦察设备 发现、摧毁，也不易受到 电子干扰信号的影响，隐 蔽性强；对于一些低宅目 标或者地面目标，属于雷 达等电子探测的盲区，更 有独特作用．
利用迈克尔逊干涉仪测量隐失场
2、测量微位移
在图3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，有
当反射端面随着待测物体发生微位 移时，使l0发生变化，即式中 的Δ φ 变化，进而使得干涉光 的光强变化，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。
式中，k0是光在空气中的传播常数；2∆L是两相 干光的光程差。由两公式可知，可动反射镜每 移动∆L=λ /2长度，光探测器的输出就从最小 值变到最大值，再变到最大值，即变化一个周 期.

为了克服空气受环境条件影响所导致的空气 光程的变化，可考虑用全光纤干涉仪结构。 如图所示，图中以一个3dB耦合器取代分束器， 光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤 作为相位调制元件。这种全光纤结构不公避 免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次 测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适 合于现场测量，更接近实用化。