干涉仪光程差的遥测及其应用研究

　　1　引言

　　干涉仪测量位移已广泛用于长度计量。它也是一种高灵敏的位置传感器。以白光为光源的干涉仪已用于平面位置的准确定位和精密位移测量,但都只能在接近被测目标处应用。干涉仪遥测位移量如能实现,则能大大扩展其应用范围,以其准确和灵敏特性,将会有许多独特应用。

　　将两个用白光光源照明的干涉仪串联,接收干涉仪可以复现发射干涉仪的光程差〔1〕。采用由光纤串接的白光干涉仪组成的干涉系统则可以实现光程差的遥测。理论分析和实验验证表明,传输精度既与光纤本身的损耗无关,也与接头或联接器的损耗无关。这些特点使得该系统具有较强的实用性,特别是在工业环境下。

　　作为一个应用实例,采用通用的干涉型甲烷气体浓度计作为发射干涉仪,将置于远端的由光纤串接的干涉仪作为接收干涉仪,可以实现甲烷气体浓度的遥测。与传统的催化燃烧型瓦斯浓度计和近年来发展较快的半导体气敏传感器〔2〕相比,其显著特点是抗干扰能力强和纯光学的无源测头以及传输线本质防爆。与双波长红外插分吸收型甲烷浓度遥测系统〔3〕相比,具有检测灵敏度高、对光源、接收器和光纤耦合质量的要求较低等特点。

　　2　由光纤串接的双白光干涉仪工作原理

　　图1是干涉系统的光路原理图。

　　图1中,M₁、M₂、M₃和M₄是反光镜,S1和S2是分光镜,O₁~O₄是透镜。发射光纤将白光光源发出的光导入发射干涉仪,其输出的干涉信号经接收光纤传入接收干涉仪再次进行干涉,经简单推导可得出其输出光强:

　　为分析简便并不失一般性,式中假定两干涉仪分光镜的分光比为1∶1 ,而且光束在反射面上没有相位损失。下面对照式(1)用频谱域的概念阐述系统的工作原理。

　　发射干涉仪可视为频谱滤波器,它对入射白光起作用,只让细条纹的光功率谱通过它到达接收干涉仪,用波数表示的此功率谱的归一化周期为ΔVT=1/|ΔL1|。在接收干涉仪中,光再一次被滤波,其频率透过系数的归一化周期ΔVR=1/|ΔL2|。一般情况下,ΔL1≠ΔL2,每个干涉仪的平均透过率系数为0.5,只有少量光能到达检测器。但是,在接收干涉仪扫描接收期间产生ΔL1=ΔL2的情况时,两个滤波器是匹配的,即ΔVR=ΔVT,因而检测器的信号为最大值,它们对称地位于ΔL1=±|ΔL2|处。在ΔL2=0处,接收干涉仪是全透光的,检测器在此得到中心最大值信号。

　　式(1)或式(2)表明,如果系统采用理想的单色光源照明,则输出信号是简谐的,因而不能唯一地确定发射干涉仪的状态。如果所用光源具有充分宽的噪声频谱,而且光纤和光探测器的传输和响应也是宽带的,则输出信号成为在ΔL1=ΔL2和ΔL2=0处取值的δ函数。一般情况下光源是部分相干的,此时光信号输出是在ΔL1=±ΔL2处取得最大值的多峰值函数(参见图2)。因此通过分析接收干涉仪的干涉图就可以确定置于远处的发射干涉仪的光程差ΔL1.注意到当光程差ΔL1相对于光源的相干长度不是太小时,光纤路途衰减频谱的所有特点与发射频谱的条纹间隔相比就都是宽带的,因而不会影响干涉图中最大值(ΔL1=ΔL2)的位置,但可能影响它们的形状。因此,传输精度既与光纤本身的损耗无关,也与接头或联接器的损耗无关。由于仅考虑发射光功率谱就可以全面阐述系统的工作原理,因此位置信息ΔL1的传输与所用光纤的模式结构无关。