光纤白光干涉仪等臂长技术研究

　　1　引　言

　　一般情况下,光纤干涉仪的两条臂具有相同的折射率,因此通常把光纤干涉仪两臂之间的零光程差技术称为等臂长技术。光纤Michelson干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪能被用来研制光纤传感器,如光纤水听器、磁场计、电流计、灵巧的结构感应计。在某些情况下,为了减小噪音,光纤干涉仪要设计成平衡式结构。在光纤傅里叶变换光谱仪中,光源的相干长度很短,为了得到干涉图,必须使光纤干涉仪的两臂平衡。

　　在宽带光源的情况下,相干长度较短,只有在光程差小于相干长度时,才能得到对比度好的干涉图。因此首先要使干涉仪两臂的臂差保持在零光程差附近。在研制光纤白光干涉仪时,干涉仪的平衡是非常关键的,产生干涉的条件是光程差小于光源的相干长度。光源的带宽越窄,相干长度就越长,而带宽越宽,相干长度就越短。激光的相干长度一般很长,其干涉条纹很容易得到。对于FFTS来说,为了测量吸收光谱,一般采用宽带光源,相干长度一般很短。LED的相干长度一般只有几十微米,有些光源的相干长度更短。只有光程差小于相干长度,才能得到干涉条纹。在干涉型光谱仪中,光谱是干涉图的傅里叶逆变换。因此要记录干涉图信息首先要使干涉仪的两臂等长。在FFTS中采用了全光纤干涉仪,每条臂长几十米甚至几百米,在这种情况下为实现等臂长增加了难度。

　　1983年,Dandridge提出了干涉仪干涉臂平衡技术,采用半导体激光器电流调制技术来使长臂差在1mm左右,用干涉条纹可见度来确定短臂差到微米量级[1]。上海交通大学使用HP8504A精密反射仪来测量光纤干涉仪的臂差[2]。另外一些研究工作者通过等长光纤切割实现了干涉仪的等臂长[3]。

　　本文介绍了几种实现光纤干涉仪等臂长的方法,比较了几种方法的优缺点,为实现光纤干涉仪等臂长提供了参考,具有较强的实用价值。

　　2　几种方法的基本原理

　　对于光纤干涉仪的等臂长技术,一般可以分为两类:一类是用特殊的装置切割等长光纤组成光纤干涉仪;另外一类是光纤干涉仪臂差测量技术,根据测量的干涉仪臂差,对光纤干涉仪作切割和研磨使之等臂长。前者是通过特殊的光纤切割装置实现平衡,后者则是通过臂差测量和控制,改变光纤干涉仪臂长使之等臂长。综合这两类方法,实现光纤干涉仪等臂长有以下几种方法。

　　2.1　精密反射仪

　　精密光时域反射仪是利用光源的相干性,精密测量光学组件之间距,可运用光电构件的精密定位,测量各种透明材料的折射率。精密反射仪不仅可用来测量光纤长度,还可以测量光纤干涉仪的臂差。典型精密光时域反射仪如HP8504A,其结构简图如图1所示。它包括一个宽带“白光”光源和一个光纤Michelson干涉仪。HP8504A所用的光源为一个1300nm的LED。Michelson干涉仪由耦合器1和连接在耦合器1上的两根光纤组成,其中一根光纤的尾端连接反射镜,组成参考臂。反射镜可以在400mm范围内移动,用来改变参考臂的光程差,这种干涉仪又称为扫描Michelson干涉仪。干涉仪的另一根光纤尾端为测量端口,连接被测量器件,组成测量臂。被测量器件中光学不连续的部分充当测量臂中的反射镜。从LED发出的光经耦合器分光后进入干涉仪的两臂,分别被反射镜和被测器件中光学不连续部分反射,两反射光在耦合器1相遇,输出到探测器检测,并将结果显示在仪器的显示器上。由于采用了相干长度很短的“白光”,所以只有当干涉仪扫描镜扫描到某一合适的位置,使参考臂的光程与测量臂的光程相同时,两反射光才能在探测器上产生相干信号,在显示器上出现反射峰。对于光纤干涉仪干涉臂差的测量来说,情况相对较复杂。以Mach-Zehnder干涉仪为例来说明光纤干涉仪等臂长测量,如图2所示。将图2中的A接在图1的测试端口,为了防止分别从F和G反射回的产生相互的干涉,将F端放入折射率匹配液中,则由A进入光纤干涉仪的光沿两条路线反射回A:1:A-B-C-D-G-D-C-B-A; 2,A-B-C-D-G-D-E-B-A; 3,A-B-E-D-G-C-B-A;4, A-B-E-D-G-D-C-B-A,其中2,4是相同的路径。这里假设BCD的长度小于BED长度,则上述三条路径的长度分别为l1, l2, l3,且有l1<l2<l3。当图1中的扫描从左向右扫描时,在探测和显示口将会出现三个反射峰。调整干涉仪的其中一个臂长,直到三个反射峰基本重合,则光纤干涉仪就达到平衡。