用恒温控制平台测量零差光纤干涉仪初相位差

　　1　引言

　　与一般的光学测量方法相比,光学干涉测量技术具有更高的灵敏度和精度。全光纤干涉仪因其体积小,机械性能稳定,受环境条件影响较小,而更接近实用化。在光学干涉测量技术中,传统的提取初相位差的方法一般分为步进相移式和连续相移式两类[2,3],即通过控制相位调制量并探测相应的干涉强度来提取初相位差信息的干涉计量技术。相位调制一般由压电晶体(PZT)等移相器来完成。由于PZT的非线性特性,精确的相位调制量不容易实现;且这两种方法都易受环境波动和空气温度变化影响[2~6]。为此,我们设计了一种新的提取初相位差的方法,把全光纤干涉仪的两臂放在短期稳定度为0.02℃的恒温控制平台上,在温度T0下用PIN管测量干涉光电流和分别测量两个干涉臂的光电流,利用这三个光电流直接求干涉仪初相位的余弦值。设计了一个简单的零差光纤干涉仪并进行了实验,实现了对光纤干涉仪初相位差的测量,由理论计算和实验数据分析可知,其精度约为0.04°。

　　2　利用恒温控制器测初相位差的测量原理

　　把零差光纤干涉仪的两臂同时放在恒温控制平台上,以消除温度波动、空气流动等外界环境给干涉仪两臂的长度带来的影响而使干涉仪初相位差保持稳定,从而可以测出两路光路相干后得到的稳定光电流,结构如图1所示。

　　从图1可知,经过耦合器2射入PIN探测器的光波的电场强度为

　　则PIN探测器可以探测到稳定的光电流,输出电流正比于

　　然后分别测出两个光路中的光电流,采用如图2所示结构。

　　但是,考虑到耦合器2两臂的损耗,我们把式(6)改写成

　　3　实验结果与讨论

　　3.1　相位差的计算

　　在实验系统中,我们采用中心波长为1.55μm,功率为1 mW的F2P同轴激光器YSLD5125作为光源。PIN管是尾纤型YSPD715,两路光纤各长约10m。恒温控制平台控温范围-14℃~+100℃,温制精度为0.1℃。短期稳定度为0.02℃。

　　把两路光纤绕成半径约为50 mm的环,放置在恒温控制平台上,设置温度T0为21.40℃。用数字万用表GMD28246测量干涉光电流I0。每5 min读取一个光电流值,在此时间段内,干涉仪光电流的变化量在0.02μA以内。因为干涉仪两臂的光电流不随光纤长度的变化而变化,因此干涉仪两臂的光电流I1、I2是稳定的。当激光驱动器的驱动电流设置为16.70,17.12,18.17,19.38和20.12 mA时,分别测量光电流,结果示于图3。其中干涉光电流I0的值为5 min内光电流平均值。

　　把各光电流值带入式(8 )可得在不同激光器驱动电流时同一温度下所测光纤干涉仪初相位差值,如图4所示。