实验,马赫曾德.docx

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。
双光路干涉光纤Mach-Zehnder干涉仪的工作原理如图13-3所示。从激光器
输出的光经分光棱镜分成两束。这两束光经透镜耦合后分别注入到两单模光纤，一臂作为参考光纤臂，另一臂则作为传感用的相位调制光纤臂。图13-3（a）给出的称为空间干涉式光纤Mach-Zehnder干涉仪。该干涉仪的两个光纤出射光场直接在空间干涉，形成均匀的干涉条纹。图13-3(b)给出的称为全光式光纤Mach-Zehnder干涉仪。它与空间干涉式光纤Mach-Zehnder干涉仪的不同处是：两光纤汇合后，采用3dB耦合器使两路光合光，然后分别输出。此时，两输出光信号有一个固定的相位差。

图13-3 光纤Mach-Zehnder干涉仪工作原理图

3．光纤干涉仪中的相位调制
当一真空中波长为的光经过光纤时，若被调制光纤的长为L，则对应的相位为
（13-1）
式中　——光源波长；
　 n——光纤芯折射率；
　 L——光纤长度。
由此可知，纤芯折射率的变化和光纤长度L的变化都能导致光相位的变化，即
（13-2）
（１）应力应变对相位的调制与测量
当光纤受到纵向的机械应力作用时，光纤的长度L和光纤芯的折射率n都会发生变化，这些变化将导致光纤中的相位发生变化。用于应变测量的公式为
（13-3）
式中　　，——光纤的光弹系数；
——光纤材料的泊松比；
——光纤的纵向应变。
将表13-1所列的参数代入式（13-3），可计算出长度为1m的光纤，每变化一个微应变对应有1.8个干涉条纹的移动。
表13-1 光纤参数表
物理量

参数
0.11
0.27
0.21
1.46
0.6328
（2）温度对相位的调制与测量
在光纤Mach-Zehnder干涉实验系统中，光纤的一臂可用作温度测量传感器。当测量臂光纤受到温度场的影响时,光相位发生变化,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。此时，用作温度测量的光纤段，其相位的变化是温度的函数，主要由两个因素表征：一是物理线性热膨胀系数导致几何长度的伸缩；二是由于温度变化会导致光学折射率发生变化。其计算公式为
（13-4）
式中　　L——温度在T０时的光纤段长度；
——与温度相关的折射率（n=1.46，T0=25 0C）；
——线性热膨胀系数，其值为5.5×10-7/ 0C；
——光学折射率温度系数，波长=632.8nm时，CT=0.662×10-5/0C。
将上述值代入式（13-4）中得
（13-5）
式（13-5）表明，在1m长的光纤上，温度每变化10C，则有15根条纹移动。所以，我们通过对条纹计数就能获得温度。

三、实验装置与实验系统
本实验系统包括：He-Ne激光器，四维光纤耦合调节架，铠装光纤光路部分，带有一维微位移调节器的空间干涉条纹显微观测系统；应变（位移）光纤相位调制系统、温度光纤相位调制系统，以及数字干涉计量仪。

四、实验内容与步骤
1．干涉条纹观测
如图13-3所示，由氦-氖激光器发出的波长为632.8nm的光照射到两根单模保偏光纤中仔细调节四维调节器，使得由激光光源发出的光尽可能多地耦合入两光纤中。因为保偏光纤具有保持光的偏振方向恒定的特性，所以当从两光纤发出的光束具有相同的偏振方向时，就能够在两光束的相遇区域内产生高亮度和高清晰度的干涉条纹。干涉条纹的疏密程度取决于两根光纤端面间的距离。借助于观测显微镜对双光纤形成的干涉条纹的特点进行观测，并定性观测改变光程时，条纹的移动情况。
2．光纤温度传感测量
将光纤温度调制器接入光纤Mach-Zehnder干涉仪的光程调制臂，将热电偶温度测量信号线接入干涉计量仪，然后打开加温开关，观测温度上升的情况。每当温度上升30C时，记下干涉计量仪所记录下的条纹变化，将读数填入表13-2中，作出相关的实验曲线。
表13-2 实验数据记录表格
物理量
实验数值
温度/0C

移动条纹数

3．光纤压力传感测量
压力的测量也可以通过对光纤的相位调制来实现。当光纤受到纵向的机械应力作用时，光纤的长度L和光纤芯的折射率n都会发生变化，这些变化将导致光纤中的相位发生变化。为了实现光纤压力与相位之间的转换，我们将光纤缠绕在一个空心弹性体上，当此弹性体内部气压增大时，其外形会产生均匀形变，从而对光纤产生纵向应力，这些变化将导致光纤中的相位发生变化。通过这种转换，可以应用光纤Mach-Zehnder干涉仪实现压力的测量。
实验装置原理如图13-4所示。
将光纤压力调制器接入光纤Mach-Zehnder干涉仪的光程调制臂，用气囊加压装置进行缓慢的加压，压力值由压力调制器面板上的压力表头读出。观测压力

图13-4 压力传感器原理示意图
上升时，干涉仪条纹计数器对应干涉条纹变化情况，记下对应的干涉计量仪记录
下条纹变化读数，作出相关的实验曲线。
表13-3 实验数据记录表格
物理量
实验数值
压力/kPa

移动条纹数