利用光纤空间M-Z干涉仪测量压电陶瓷相移系数

    光纤干涉仪因其抗电磁干扰,电绝缘,灵敏度高,测量对象广泛,质量轻,体积小等特点^[1-2],已经被广泛地应用于传感和测量领域。而其中以相位作为被测物理量的光纤相位传感器又具有高精度和大的动态范围等优点,在测量压力、温度、位移、电磁场、声场等中被广泛应用^[3]。因此在这些光纤干涉仪构成的传感器中,对相位的测量至关重要。目前常用的检测技术中,普遍使用压电陶瓷(PZT)相位调制器,它既能用于光纤干涉仪中,对外部环境扰动进行补偿以提高稳定性;又能用于超外差干涉系统中,对光相移进行灵敏而线性的检测^[4]。因此,压电陶瓷相移参数的测定是其中的关键。如今测定压电陶瓷相移参数的方法主要可分为两种,一种是根据弹性学理论,由弹性材料的应力应变关系式进行理论分析,得到理论上压电陶瓷的电压值和光纤中光信号相位变化的关系^[5-6];另一种是利用光纤干涉仪的出射光强来判断两干涉臂的相位差,从而确定压电陶瓷的相移系数^[4]。对于第一种方法,由于理论计算是理想化的,在实际应用中,光纤在压电陶瓷上的绕制工艺及绕制时所用粘合剂的不同都会对检测结果产生影响,导致与实验结果产生差异。对于第二种方法,干涉仪的出射光强不是关于相移的单值函数,而是一个多值函数;因此只由光强的大小不能完全确定相位,也就不能确定压电陶瓷的相移系数。本文提出了一种从空间干涉图样入手、利用光纤M-Z干涉仪测量压电陶瓷相移系数的新方法,并实际测量了某种压电陶瓷的相移系数,对实验结果进行了分析。

    1　实验原理

    图1为光纤M-Z干涉仪实验原理示意图。它由一个2×2耦合器组成光纤M-Z干涉仪,在干涉仪的两臂上都有偏振控制器(PC),在其中一臂上绕有压电陶瓷,作为相位调制器。激光由端口1进入干涉仪,通过两臂的光在端口3、4出射后,在光屏处发生干涉,光屏上即可呈现干涉条纹。

    假设两臂的光纤是同种光纤,我们只考虑某个偏振方向的耦合,在忽略各自双折射和偏振态演化的前提下,若设从端口3、4出射的光信号的电场分别为^[1]。

式中　y为在光屏上条纹距离光屏零刻度线的距离;l为耦合器的两个高斯场的中心距。经复杂运算后得到在距离光纤端面z处的干涉场强为

式中　x为光屏上沿亮条纹方向的坐标,k=2π/λ,λ为光波波长;ø₁、ø₂分别为光纤两出射端口到光屏同一点的相位。

    设光屏上y₁、y₂处为两相邻亮条纹,则₁(z)-ø₂(z)=Δø为两亮条纹的相位差。则