用于精密测量的光纤偏振光干涉仪

　　1　引言

　　在先进的生产制造过程中,在线检测发挥着越来越重要的作用。在线检测的对象在被测过程中是不断变化着的,因此对检测传感器有较高的要求。不仅要求其精度高、稳定可靠、有良好的动态性能、能对快速信号实时响应监控,而且一般要非接触式测量,并便于安装。光纤传感器可以满足上述要求。本文提出一种新型的光纤偏振光干涉仪,它将偏振光干涉技术和光纤传感技术相结合,能对物体的位移、振动进行高精度的非接触测量。

　　2　测量系统构成

　　光纤偏振光干涉仪的基本原理与光学中迈克尔逊干涉仪相同[1],其光路结构如图1所示。

　　半导体激光器LD发出激光经起偏器P1后得到线偏振光I0(设其偏振方向为y向,即与纸面平行的方向),I0与光纤耦合经偏振控制器PC进入保偏光纤定向耦合器C[2],并由其端3传出,经自聚焦透镜L1[3]准直,透过λ/4波片Q1射出。线偏振光I0在透镜L1输出端面上被分为两部分光[4]:一部分光I1在透镜L1输出端面上被反射回光纤,此时I1光的偏振方向不变(仍为y向);另一部分光I2透过λ/4波片Q1射向被测物M,其中一部分经M表面反射后再次穿过λ/4波片返回光纤。由于λ/4波片Q1的快轴与线偏振光的偏振方向成45°角放置,故当线偏振光两次经过λ/4波片后,原偏振方向为y向的线偏振光将旋转90°成为沿x向的线偏振光I2。反射回来的两束光I1和I2由光纤耦合器传到端2光纤,再经自聚焦透镜L2准直射出,通过另一个λ/4波片Q2(其快轴方向也与x向成45°角放置)。此时正交的线偏振光I1和I2分别变成左旋圆偏振光I1′和右旋圆偏振光I2′。

　　式中,由于I1和I2(或I1′和I2′)两者有光程差2l,因此存在位相差。线偏振光I1的光强为I0,经L1端面反射后仅有4 %的光强返回,而另一部分光I2经被测物M表面损耗和透镜L1耦合损耗后,其光强与I1的光强近似相等,故有A1≈A2=A。上述正交的一对圆偏振光I1′和I2′将合成为一线偏振光I。

　　可见,被测物M位移l变化一个波长λ则合成光I的偏振方向转动了2π角。因此,通过检测出偏振方向角α,即可得到位移量l。采用这种方法,可将干涉仪的位移测量精度,由一般检测干涉条纹的位相细分转变为检测偏振光的偏振方向角的角度细分;而检测角度细分要比检测位相细分精度高,从而可得到较高的测量精度。

　　3　实验研究

　　3.1　实验系统设计

　　本光纤偏振光干涉仪采用工作波长为1.3μm的半导体激光器作为光源,用保偏光纤传输光信号。采用两只自聚焦透镜L1和L2,其中L1为测量探头,既作为输出测量光束射向被测物的准直透镜,又作为将反射回来的光耦合进光纤的耦合透镜。L2只起准直作用。