基于相位压缩原理的一种新型微分干涉仪

　　1　引　　言

　　目前所采用的各类光探测器都不能直接感知光波的相位变化,需要采用光的干涉技术将相位变化转变为强度的变化,才能实现对被测量的检测[1]。干涉式光纤传感器自70年代问世以来,因其具有高分辨率、高精度、高响应速度、高绝缘性、不受电磁干扰等一系列优点,得到了惊人的发展[1~3]。但普通的双光束干涉仪,如马赫—曾特尔光纤干涉仪、迈克尔逊光纤干涉仪等,因输出具有余弦特性,即使在正交工作状态,其线性范围也仅限于±30度之内。若光程差超过该范围,测量精度就大受影响[4]。利用线性调频或合成波长干涉等方案可以扩大量程,但激光器对光源温度及驱动电流的稳定性提出了严格的要求,除精密实验室外,很难推广到环境恶劣的工程中应用。针对以上问题,本文提出一种先进的微分式光纤干涉仪,采用无源相位压缩技术,可把双光束干涉仪的线性范围扩大数十倍,甚至数百倍。该方案还具有稳定的正交工作状态;能自动消除光纤固有的双折射,或因弯曲、温度等环境变化产生的干扰;光源可用宽光谱的半导体激光器或发光二极管;结构简单,成本低廉等一系列优点。

　　2　基本原理

　　微分干涉仪的基本思想,是让干涉仪两臂中的光在不同时刻都通过相位调制器,得到某一时间间隔T内的相位差的变化量。通过积分,即可测得该相位差信号。当相位差值很大时,在较短的时间间隔T内的相位差的变化量仍然很小,干涉仪仍然能工作在线性范围区内。这就相当于进行了相位压缩,扩大了干涉仪的线性范围。其基本原理如图1所示。

　　半导体激光器SL发出的激光,经耦合器C1分为相等的两束光S和R,S光经光纤延迟线延迟时T和相位调制器φ(t)后得Z1(t)。为达到正交检测,R光先通过偏振控制器移项π/2后再经相位调制器φ(t)得Z2(t),Z2(t)经延迟相同的时间T后得Z2(t+T),它与Z1(t)在耦合器C2处发生干涉。由波的叠加原理,干涉仪的输出信号为:

　　探测器D将光强的变化量转变为电流信号,其输出的交流分量为:

　　d(t)经前置放大器A、带通滤波器BPF和反正弦变换后,得:　y(t)=k2[φ(t)-φ(t+T)]

　　式中,k2为比例系数。利用Z变换可以证明,只要相位差信号φ(t)的功率谱的最高频率fmax<1/(8πT),就有相位差的变化量正比于相位差φ(t)对时间的导数,即:

　　如果调制信号为正弦量,幅值为φm,频率为fm,即:

　　则由(4)式的限制条件及(5)式可得:

　　在压电相位调制器的例子,或其它类似的可以使光纤伸缩的相位调制器中,在ΔL长度内,相位偏移为[5]: