基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度测量系统

【摘 要】：设计了一种可测量小范围温度扰动的全光纤Mach-Zehnder干涉测量系统。简单介绍了全光纤Mach-Zehnder干涉仪的基本结构和工作原理，并推导了干涉条纹移动距离与测量臂长度变化之间的关系式；在理论分析的基础上，搭建了一全光纤Mach-Zehnder干涉仪系统，通过在有标识刻线的接收屏上直接观察测量干涉条纹的移动距离来确定测量臂光纤的温度变化，最终，确定了测量臂光纤加热温度和干涉条纹移动距离之间的关系；通过实验结果分析可知，该干涉系统可实现小范围温度扰动的准确测量，测量精度可达到℃／18。 关键词：全光纤Mach-Zehnder干涉仪；温度测量；干涉条纹；相位调制 0 引言 光纤化和集成化已经成为光学仪器的发展趋势，因其与传统光学仪器相比，具有体积小、质量轻、结构紧凑、可靠性高等优点，全光纤Mach-Zehnder干涉仪就是其中的典型应用实例。相对于空间光型的Mach-Zehnder干涉仪，全光纤结构基本消除了周围温度、湿度、声波及振动对测量结果的影响，极大地提高了测量精度，而且，其调整更为容易，制作成本更低，适用范围更广。所以，全光纤Mach-Zehnder干涉仪在光纤传感、光通信、光调制等方面都有非常广泛的应用。 目前，在基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的测量系统中，大部分是在输出端利用光功率计直接检测功率的变化，或通过光电探测器探测功率变化，进而分析干涉测量系统的参数变化。而通过直接观察出射光干涉条纹的变化来测量系统参数的研究非常少。直接观察干涉条纹的变化虽然不具有很高的测量精度，但其易于调整，并可直观地获得干涉臂相位变化对干涉效果的影响，避免使用光功率计及后续处理系统，可极大地降低系统的成本。因此，在一些测量精度要求不高的场合下，采用直接观察测量干涉条纹变化的系统是比较适宜的选择。本论文基于这样的思想，设计了一种可实现温度测量的全光纤Mach-Zehnder干涉测量系统，通过直接观察测量干涉条纹的移动距离，可直接求出测量臂温度的变化。 1 测量系统 1．1 基本原理 每当△L变化3λ_o／4n时，干涉条纹变化一个级次，对应的干涉条纹则移动一确定距离。 在距离光纤输出端口一定距离处，可得到强度接近高斯分布的线状干涉条纹。经过有关分析可知，干涉场的分布与波长、光纤间距、接收距离等因素有关。 1．2 测量系统搭建及调整 图2示出了设计的测量系统的结构示意图。系统所用光源是He-Ne激光器，从激光器发出的光通过一透镜耦合到一单模光纤中，并经过一3dB耦合器分为两束，其中，测量臂光纤的一部分放在一个加热槽中，通过对加热槽加温可改变光纤长度，并进而实现相位调制；经耦合器2，从输出端口输出的光投射到一反射镜上，在反射镜得到一组干输入端口，③，④为对应的输出端口，光从输人端口进入光纤，经过耦合器1被分成两束，分别进入光纤参考臂和测量臂，经过传输后耦合进耦合器2，最后，从端口③，④输出。在最初设计时，通常，令参考臂和测量臂的长度相同，都为L，但测量臂的长度可用热敏膜或压电陶瓷（PZT）来调整，因此，导致经过测量臂光束的相位被调整。若令输入光场为E₁，E₂，输出光场为E₃，E₄，则有如下关系 涉条纹；该组干涉条纹被反射到一有刻度标记的接收屏上，以定量的观测条纹的移动距离。在该测量系统中，加热槽的温度利用一温度测量系统测量，并可实时显示在仪器面板上。 为了得到较好的干涉场，选择一合适的接收距离是很关键的。经过反复调整，本系统选择光纤输出端口到接收反射镜的距离为L₀=18.5cm；令两输出光纤紧挨在一起；同时，适当放置反射镜以使其较好地将干涉条纹投射到接收屏上。 此时，将在接收屏上得到如图3所示的干涉条纹，如果通过加热槽加热在其中的测量臂光纤，则光纤长度将增大，根据公式（5），在接收玻璃板上干涉条纹将发生移动，而且干涉条纹移动量与温度增加量之间存在一特定关系。 2 实验结果及其分析 给加热槽持续加温，将在接收屏上观测到干涉条纹随温度变化移动的位移大小，测量结果如图4所示，图中分别给出了干涉条纹随温度持续变化的绝对位移变化曲线和单位温度变化引起的相对位移变化曲线。 3 结论 本文设计制作了一可实现温度测量的全光纤Mach-Zehnder干涉测量系统，并研究了温度变化与干涉条纹移动距离之间的关系。系统采用有标记刻度的接收屏直接接收干涉条纹，具有直观形象、易于观察测量的优点。通过测试结果分析表明：干涉条纹移动距离在较大温度范围内与温度变化是一种非线性关系，而在小范围温度内与温度变化是一种非常好的线性关系，本论文设计的测量系统的精度可达到1/18℃。因此，该系统适用于测量小范围温度的扰动。