合成光源串联光纤干涉仪及仿真研究

    在增量式光纤干涉仪中,断电之后干涉仪的信息就随之丢失失,给使用带来了不便,这就是光纤干涉仪零位的确定问题.可以通过测量干涉仪臂仪的方法解决这 一问题,测量臂差的具体方法有多种. 1983年,Dandridge介绍了一种测量技术,即用干涉条纹的可见度来测量小于1 mm的干涉仪臂差,用电流调制光源来测量大于1 mm的干涉仪臂差^[1].李毛和等人用HP8504A精密反射仪来测量干涉仪臂差^[2].针对这些方法存在的测量范围小、对环境要求多、难以在现场应用等问题,本文提出了合成光源串联光纤干涉仪技术.不但可以用来确定光纤干涉仪的臂差,解决干涉仪的零位问题,并且可以直接用来进行测量.

    1　系统工作原理

    合成光源串联光纤干涉仪系统如图1所示.合成光源发出的光耦合进光纤,经过耦合器分成两束,分别进入解调干涉仪的参考臂和扫描臂;然后再由耦合器将两束光 汇成一束,并经过第三个耦合器再分成两束,分别进入传感干涉仪的传感臂;最后由耦合器4将两束光汇合后,由光电探测系统进行探测.设计时每一个干涉仪的光 程差比光源的相干长度大几倍.因此当单独照明时,任何一个干涉仪中都看不见干涉条纹.当解调干涉仪的压电陶瓷进行扫描时,在某一位置上,可以使得扫描干涉 仪的光程为零或者两个相连的干涉仪的光程差为零,这样可以在输出端的两个点上看到干涉条纹。通过对干涉仪输出信号中两个最大可见度光程差的测量可以得到传 感干涉仪的光程差.传感干涉仪的光程差变化是由于被测参数的变化引起的,所以可以通过函数关系求得被测参数.

    光电探测器得到的干涉场为

式中:Δx = x₁-x₂,x₁和x₂分别是解调干涉仪和传感干涉仪的光程差;K₁、K₂、K′₁、K′₂分别是传感干涉仪和解调干涉仪的功率分配比;Lc为光源的相干长度.当K₁、K₂、K′₁、K′₂相等时,条纹的可见度最大

当所有的分光比等于50%时,在Δx =0时光纤低相干干涉仪的条纹的最大可见度为0.5.此时式(1)改写为

    I = I₀{1+0.5exp[-(2Δx/L_c)²]coskΔx.            (3)

由式(3)知,在传感干涉仪中涉及解调干涉仪的任何光程差变化都将引起条纹可见度和信号相 位的变化.通过扫描解调干涉仪可以跟踪光程差的这一变化.一般通过辨别中心条纹的位置变化来确定传感干涉仪光程差的绝对值.光纤干涉仪总的测量精度取决于 两个方面:干涉图中心位置的分辨精度和扫描元件的精度,而条纹中心的测量精度与光源有密切的关系.