基于全光纤Mach2Zehnder干涉仪的温度测量系统

　　0　引　言

　　光纤化和集成化已经成为光学仪器的发展趋势,因其与传统光学仪器相比,具有体积小、质量轻、结构紧凑、可靠性高等优点,全光纤Mach2Zehnder干涉仪就是其中的典型应用实例。相对于空间光型的Mach2Zehnder干涉仪,全光纤结构基本消除了周围温度、湿度、声波及振动对测量结果的影响,极大地提高了测量精度,而且,其调整更为容易,制作成本更低,适用范围更广。所以,全光纤Mach2Zehnder干涉仪在光纤传感、光通信、光调制等方面都有非常广泛的应用[1~3]。

　　目前,在基于全光纤Mach2Zehnder干涉仪的测量系统中,大部分是在输出端利用光功率计直接检测功率的变化,或通过光电探测器探测功率变化,进而分析干涉测量系统的参数变化。而通过直接观察出射光干涉条纹的变化来测量系统参数的研究非常少。直接观察干涉条纹的变化虽然不具有很高的测量精度,但其易于调整,并可直观地获得干涉臂相位变化对干涉效果的影响,避免使用光功率计及后续处理系统,可极大地降低系统的成本。因此,在一些测量精度要求不高的场合下,采用直接观察测量干涉条纹变化的系统是比较适宜的选择。本论文基于这样的思想,设计了一种可实现温度测量的全光纤Mach2Zehnder干涉测量系统,通过直接观察测量干涉条纹的移动距离,可直接求出测量臂温度的变化。

　　1　测量系统

　　1.1　基本原理

　　全光纤Mach2Zehnder的基本结构如图1所示。①,②为输入端口,③,④为对应的输出端口,光从输入端口进入光纤,经过耦合器1被分成两束,分别进入光纤参考臂和测量臂,经过传输后耦合进耦合器2,最后,从端口③,④输出。在最初设计时,通常,令参考臂和测量臂的长度相同,都为L,但测量臂的长度可用热敏膜或压电陶瓷(PZT)来调整,因此,导致经过测量臂光束的相位被调整。若令输入光场为E₁,E₂,输出光场为E₃,E₄,则有如下关系[4]

        因此,通过该式可知,通过调整ΔL,可调整输出功率的比例,并直接决定干涉条纹的对比度。当P₃=P₄时,干涉条纹对比度最大,此时

        每当ΔL变化3λ₀/4n时,干涉条纹变化一个级次,对应的干涉条纹则移动一确定距离。

　　在距离光纤输出端口一定距离处,可得到强度接近高斯分布的线状干涉条纹。经过有关分析可知,干涉场的分布与波长、光纤间距、接收距离等因素有关[5]。