用于测量微机械部件振动的光纤斐索干涉仪

　　1　引言

　　各种微电子机械系统(MEMS)的谐振器、转子、驱动器,在光、电、磁、压力、温度等物理量作用下产生微小振动、摆动、位移及转动等多种运动。为了有效地描述它们的运动状态,须测定它们的运动参量,比如振动的频率、振动的幅度或位移等。这对于研究多种微电子机械部件的运动规律是十分有意义的。同时,通过测定这些运动参数,反过来度量或检测外部物理量的变化。其应用不仅仅局限于科学实验,而且还广泛地扩大到工程精密检测、传感等领域。

　　测量运动物体的位移、速度和振动频率的方法和仪器很多,从测量原理上分为机械式、电感式、静电容式、光电式、光学干涉式、光纤式[1,2]等。但同时融频率和幅度(位移)测量于一体,并适用于微电子机械的微运动参数的测量方法和仪器,尚不多见。

　　我们在研究GaAs微悬臂在激光脉冲作用下产生振动的机理时,用光纤Michelson干涉法[3,4]测定过振动频率和幅度。在实验中我们发现测量结果对周围环境(如温度、外来振动和气流等)的变化较为敏感,影响测量的精度和稳定性。其原因之一是,构成Michelson干涉的测量臂和参考臂是两根长度相近的光纤,它们的光程受环境因素的影响,引起干涉信号的不稳定。本文采用斐索干涉仪的基本原理对上述光纤干涉仪的结构作了改进,并用压电换能器(PZT)对光纤探头进行调制,提高了测量的范围和精度。

　　2　干涉仪的结构和工作原理

　　全光纤干涉仪的基本结构如图1所示,半导体激光二极管(LD)发出的光经3 dB光纤耦合器从A、B两路光纤输出。在本系统中,A、B两路光纤的光程差大于光源的相干长度,而且让光纤B的端面浸没在匹配液中,以避免A、B二端面的反射光互相干涉。这样,光的干涉发生在从光纤A端面反射和从样品反射后进入光纤的两束光之间。实际上,在光纤端面和样品之间会发生多次的来回反射,由于样品与光纤端面距离很近,可以把光纤端面和样品一起考虑为一个等效反射率。从图1(b)所示的几何关系,光纤的直径为,光束从光纤射出的发散角为θ,光纤端面离开样品的距离为x,可以看到光束在样品和光纤之间反射一次就引入一次损耗。假如考虑出射光束具有均匀的角度分布,该损耗α可表示为:

　　这是一种近似表示,实际上出射光束具有一个类似高斯光束的分布。同F-P干涉效应类似地进行多光束干涉的计算,可以导出等效场强反射率re为

　　式中:δ=2kx为光波来回反射一次引起的相移,k=2π/λ为光波的波矢;ra、rb分别为光纤端面和样品表面的反射率。式(1)计入了样品表面和光纤端面反射光之间的干涉效应。反射回光纤耦合器的光强I为