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马赫—曾德(M—Z)光纤干涉实验


马赫—曾德(M—Z)光纤干涉实验
随着信息技术进入新时期,传感技术也进入了新阶段。 “没有传感器技术就没有现代科 学技术”的观点已被全世界所公认,因此,传感技术受到各国的重视,特别是倍受发达国家 的重视,我国也将传感技术纳入国家重点发展项目。传感器定义:能感受规定的被测的量, 并按照一定规律转换成可用的输出信号的器件或装置称为传感器。 光纤传感器有两种, 一种是通过传感头(调制器)感应并转换信息, 光纤只作为传输线路: 另一种则是光纤本身既是传感元件,又是传输介质。光纤传感器的工作原理是,被测的量改 变了光纤的传输参数或载波光波参数, 这些参数随待测信号的变化而变化, 光信号的变化反 映了待测物理量的变化。 以光纤取代传统马赫—曾德 (M-Z)干涉仪的空气隙, 就构成了光纤型M-Z干涉仪, 如图1 所示。这种干涉仪可用于制作光纤型光滤波器、光开关等多种光无源器件和传感器,在光通 信、光传感领域有广泛的用途,其应用前景广阔。

图1 光纤型M-Z干涉仪

一、实验目的
1、了解马赫—曾德M—Z干涉的原理和用途;实验操作调试M—Z干涉仪并进行性能测试。 2、了解压力传感的原理,操作光纤压力传感原理实验。 3、了解温度传感的原理,操作光纤温度传感原理实验。

二、实验仪器用具
He-Ne激光器1套;光纤M-Z干涉仪1套;633nm单模光纤1根;光纤切割刀1套等。

三、M-Z干涉仪原理实验
1、原理 光纤型M-Z干涉仪实际上是由分束器构成。当相干光从光纤型分束器的输入端输入后, 在分束器输出端的两根长度基本相同的单模光纤会合处产生干涉, 形成干涉场。 干涉场的光 强分布(干涉条纹)与输出端两光纤的夹角及光程差相关. 令夹角固定, 那么外界因素改变的 光程差直接和干涉场的光强分布(干涉条纹)相对应。 2、实验操作 (1)按图2所示仔细将光耦合进光纤分束器的输入端, 此时可用光能量指示仪监测, 固定好位 置;精心调试分束器输出端两根光纤的相对位置,使其在会合处产生干涉条纹。 (2)固定调试好的相对位置,分析观察到的现象。

图2 聚光器件耦合原理示意图

四、光纤压力传感原理实验
1、原理 M—Z干涉仪型传感器属于双光束干涉原理,如图3所示。由双光束干涉的原理可知,干 涉场的干涉光强为:

I ∝ (1 + cos δ )
δ为干涉仪两臂的光程差对应的位相差,δ等于2π整数倍时为干涉场的极大值。压力 改变了干涉仪其中一臂的光程,于是改变了干涉仪两臂的光程差,即位相差,位相差的变化 由按上式规律变化的光强反映出来。 2、实验操作 本实验中传感量是压力, 压力改变了光波的位相, 通过对位相的测量来实现对压力的测 量。 具体的测量技术是运用干涉测量技术把光波的相位变化转换为强度(振幅)变化, 实现对 压力的检测。 操作方案采用光纤干涉仪进行对压力传感的测量, 利用干涉仪的一臂作参考臂, 另—臂作测量臂(改变应力),配以检测显示系统就可以实现对压力传感的观测。本操作只 对压力引起光波参数改变作定性的干涉图案的变化观测。详细的量化可参考专门资料。

图3 压力传感原理示意图 注:变形光纤长度为60mm。

五、光纤温度传感原理实验
1、原理 光纤温度传感原理和光纤压力传感原理类似, 不同之处是本实验中传感量是温度, 温度 改变了光波的位相,通过对位相的测量来实现对温度的测量,如图4所示。 2、实验操作 本实验中传感量是温度, 温度改变了光波的位相, 通过对位相的测量来实现对温度的测 量。具体的测量技术是,运用于涉测量技术把光波的相位变化转换为强度(振幅)变化,实现 对温度的检测。 操作步骤参考M-Z干涉仪原理实验。 光纤M-Z型干涉仪进行对温度传感的测量, 利用干涉仪的一臂作参考臂, 另一臂作测量臂(改变温度), 配以检测显示系统就可以实现对 温度传感的观测。 本操作只对温度引起光波参数改变作定性的干涉图案的变化观测。 详细的 量化可参考专门资料。

图 4 温度传感原理示意图 注:受温变化光纤长度为360mm。



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