白光干涉型Michelson光纤扫描干涉仪

　　1　引言

　　白光干涉型光纤传感器可以实现对位移的绝对测量[1~6],近年来逐渐受到各国科研机构的注视。所谓白光干涉,是指用宽光谱、相干长度很短的光源,利用干涉产生的干涉条纹对参量进行测量。在可供选择的白光光源中,由于白炽灯体积大、耦合进光纤的耦合效率低,而超荧光发射LD比较昂贵,故一般采用LED或MLD做为光源。白光干涉型传感器可对位移进行绝对测量,常被用作距离传感器。传统结构有两种,一种是分立元件型[7],另一种是全光纤型[8]。它们的工作原理基本相同,都是由两个干涉仪组成,其中一个干涉仪作为传感头,放在测量场中,同时作为第二个干涉仪的传感臂;第二个干涉仪的另一支臂作为参考臂,放在远离测量现场的控制室中,提供相应补偿。系统设计时要求每个干涉仪的光程差大于光源的相干长度。

　　一些白光干涉型光纤传感器工作在频域,通常采用单色仪对光谱进行扫描产生干涉条纹或者用频谱仪对输出的干涉信号进行分析。目前人们研究更多的则是工作在空域中的白光干涉仪。本文采用中心波长1300mm的LED作为白光光源,对工作在空域的白光干涉Michel-son光纤干涉仪进行了研究,获得了初步的实验结果。

　　2　实验原理及装置

　　图1是白光干涉型Michelson光纤位移传感器的原理图。从波长1300nm、边缘发光的LED光源发出的光经过一个2×2耦合器后分成两路,分别构成Michelson干涉仪的两臂。一只是传感臂,单模光纤a和多模光纤b的端面经研磨抛光处理后面对面插入到一只玻璃毛细管中构成传感头H,光纤a固定在细玻璃管上,作为一个参考的反射面;光纤b在细玻璃管中可自由移动,作为测量反射面。Michelson干涉仪的另一只臂是相位补偿臂,由一个梯度折射率分布的透镜和一个固定在电磁位移器上的反射镜M组成。仔细调整光路,探测器D可接收从四个面的反射光信号:光纤a、b两端面,透镜端面,反射镜M。反射镜M在电磁位移器的带动下可线性运动,当反射镜M的反射光分别与光纤端面a′、b′的反射光光程差小于光源的相干长度时,探测器D会先后探测到两个白光干涉条纹。反射镜M分别对应于两个白光干涉零级条纹的位置之间的距离就是传感头H中光纤端面a′、b′之间的间隙P。在实验系统中,将传感光纤b连接到微动平台上以便提供参考位移和系统校准。

　　这里以传感头中的光纤端面a′为例。假设光纤端面a′到耦合器的光程CA=L1,反射镜到耦合器的光程MC=L。对于宽光谱的LED光源,其频谱分布为高斯函数。设其中心波长λ,相干长度LC。经理论分析可知[9],电磁位移器在往复运动过程中,探测器接收的光强IOAC为: