光纤马赫-曾德干涉试验.DOC

马赫-曾德光纤干涉实验 　　光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器,它是光纤和光通讯技术迅速发展的产物。光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)是一种功能型光纤传感器,它在光纤技术中常用作相位、频率等的调制解调器。 一、实验目的 1．学习光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder） 干涉原理 2．掌握利用马赫-泽德光纤干涉仪对压力和温度的测量。 二、实验器材 OFKM-Ⅳ型多功能全光纤干涉仪，He-Ne激光器 三、实验原理 1．光纤传感器基本工作原理 光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder） 干涉仪结构与原理如图 1所示。光源发出的光经过耦合器（DC1），将光束一分为二，光纤一臂为信号臂，另一臂为参考臂。经过耦合器 DC2 进行干涉，干涉光照到探测器上，光强表达式分别为 （1） （2） 在通过对干涉信号相位的获得来推知作用在信号臂上的外界物理量的变化。 2．马赫-曾德光纤温度传感器工作原理 激光束从激光器发出后经分束器分别送入长度基本相同的两条光纤, 而后将两根光纤输出端汇合在一起,产生干涉光, 从而出现了干涉条纹。当一条光纤臂温度相对另一条光纤臂的温度发生变化时, 两条光纤中传输光的相位差发生变化, 从而引起干涉条纹的移动。干涉条纹的数量能反映出被测温度的变化。光探测器接收到干涉条纹的变化信息, 并输入到适当的数据处理系统, 最后得到测量结果。 长度为 L 的光纤中传播光波的相位 （3） 其中 为光进入光纤前的初始相位， （，为真空中波长）为传播常数, 为光纤的折射率;为光纤的长度。 设光纤温度不变，光纤温度该变,则折射率的改变量为 ，光纤长度改变量为。根据公式（3），光纤的相位为 (4) 所以，在光纤的温度改变后,两光纤在交会处的相位差为: (5) 如果,而且初始相位，就可以得到， (6) 两边同除以、，可以得到 (7) 上式具有普遍性,等号的左边表示单位长度的光纤受温度的影响,温度每改变1℃时光纤中光的相位的改变量;等号右边的Δn、ΔL分别表示光纤折射率和长度随温度变化的的变化率。 3．马赫-曾德光纤压力传感工作原理 　　氦氖激光器发出的激光聚于光耦合器,而后分成两路光束分别由光纤和光纤传输,经过终端光耦合器输出端面形成干涉条纹。光纤的光程保持不变,而光纤的光程随压力的变化而改变。在压力增加时光程增加,压力减小时光程减小。设两路光纤的光程差为,由光程差导致两路光波的相位差为 (8) 式中λ为激光的波长，P为压力， S(S=/P)为压力传感光纤的转换系数,与传感光纤的长度、折射率和横截面积变化有关。 干涉条纹的强度I与相位差的关系是 （9） 其中， I0为平均光强，K为干涉条纹对比度 光程差每改变一个波长λ,即压力P每改变ΔP=λ/S时,干涉条纹将明暗相间变化一次，其光强度变化近似于正弦波。若干涉条纹明暗变化次数为N,则压力变化为 （10） 四、OFKM-Ⅳ型多功能全光纤干涉仪的结构 图2所示的是OFKM-Ⅳ型干涉仪俯视示意图，激光器发出的650nm激光先经过0#光纤插座（适配器）进入1#光纤，在机箱内部，图上看不见，（注意：禁止学生自行转动、插拔该插头，因为其精度极高，稍微用力不当，会导致进入光纤的光功率迅速下降，甚至可能导致损坏而不出激光），然后再经过“分路器”将激光按一定功率比例（在OFKM-Ⅳ型中，为1:1）分到两根3#、4#输出光纤中，输出中一路光纤穿过加热器，与3#适配器连接，6#准直器一头与3#适配器相接，另一头固定在准直器架上。另一路穿过“压力箱”与2#适配器相接，5#准直