相位調(diào)制全光纖Mach-Zehnder干涉儀傳感實驗

梁昌林,吳念樂,張連芳,王長江

(清華大學實驗物理教學中心,北京100084)

相位調(diào)制全光纖Mach-Zehnder干涉儀傳感實驗

梁昌林,吳念樂,張連芳,王長江

(清華大學實驗物理教學中心,北京100084)

使用單模石英光纖設(shè)計了相位調(diào)制全光纖M-Z干涉儀傳感實驗系統(tǒng),采用CCD技術(shù)顯示干涉條紋的空間分布及其移動情況,同時利用光電檢測及可逆計數(shù)技術(shù)實現(xiàn)移動條紋的自動計數(shù).利用該系統(tǒng)進行了光纖溫度傳感、光纖應(yīng)變傳感原理性實驗測試.

光纖;Mach-Zehnder干涉儀;溫度傳感;應(yīng)變傳感

1 引 言

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展以及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)教育理念的貫徹實施,將現(xiàn)代科學技術(shù)的新概念、原理以及相關(guān)技術(shù)引入實驗物理教學具有重要意義.光纖傳感是伴隨著光導纖維及光通信技術(shù)的發(fā)展,于20世紀70年代末開始逐漸形成的新型傳感技術(shù)[1-5].本文通過對光纖傳感及干涉測量技術(shù)的研究,設(shè)計制作了適合于物理實驗教學的相位調(diào)制全光纖Mach-Zehnder(簡記為MZ)干涉?zhèn)鞲性韺嶒灉y量系統(tǒng).利用該系統(tǒng)可進行光纖溫度傳感、應(yīng)力應(yīng)變傳感等原理性實驗教學,以達到使學生了解光纖傳感的基本概念及其應(yīng)用,進一步理解物理學、波導光學等學科的相關(guān)原理理論,學習光纖光路的調(diào)整和干涉測量技術(shù)等實驗教學目的.

2 相位調(diào)制光纖傳感原理及實驗系統(tǒng)設(shè)計

相位調(diào)制光纖傳感的基本原理是通過被測量與光纖的相互作用,使光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ǖ南辔话l(fā)生變化即被調(diào)制,再利用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強度的空間分布變化,從而檢測出待測的物理量.

本文利用單模石英光纖構(gòu)造具有透明、開放式結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制全光纖M-Z干涉儀傳感實驗測量系統(tǒng),并且采用CCD技術(shù)直觀顯示干涉條紋的空間分布及其移動情況,同時利用光電檢測及可逆計數(shù)技術(shù)實現(xiàn)移動條紋的自動計數(shù).實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括3部分:全光纖M-Z干涉儀系統(tǒng)、相位調(diào)制系統(tǒng)和干涉條紋顯示計數(shù)系統(tǒng).

圖1 相位調(diào)制全光纖Mach-Zehnder干涉?zhèn)鞲袑嶒炏到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 全光纖M-Z干涉儀系統(tǒng)

全光纖M-Z干涉儀系統(tǒng)主要由光纖耦合透鏡和3 dB單模光纖耦合器以及單模光纖構(gòu)成.M-Z干涉儀的一路光纖作為參考光路,另一路光纖作為傳感光路,并在傳感光路中設(shè)置光纖開放接口,以便于更換傳感光纖.兩路光纖的光出射口端相互靠近,并固定于暗盒中.整個光纖干涉儀除傳感光纖以外,其余部分均置于透明有機玻璃箱體內(nèi),并采取必要的減震、隔熱等措施,以避免周圍環(huán)境因素對實驗的影響.

從He-Ne激光器發(fā)出的激光通過光纖耦合透鏡及傳輸光纖后,經(jīng)3 dB光纖耦合器分成等強度的兩束光,分別進入?yún)⒖脊饫w和傳感光纖.傳輸過程中保持兩束光的偏振態(tài)不發(fā)生改變.從端口出射的兩束光在空間相遇產(chǎn)生干涉,得到明暗相間的干涉條紋.

2.2 相位調(diào)制系統(tǒng)

光的調(diào)制是光纖傳感的核心.光纖相位調(diào)制的基本物理效應(yīng)包括應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)和溫度效應(yīng).其中應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)是導致光相位改變的最基本的物理效應(yīng).應(yīng)力應(yīng)變傳感裝置結(jié)構(gòu)模型原理如圖2所示.

圖2 光纖應(yīng)變傳感相位調(diào)制模型原理結(jié)構(gòu)示意圖

厚度為d的橫梁對稱地放置在中心間距為l、半徑為 r的兩固定圓柱之間,接觸面可沿固定圓柱表面自由滑移.剝?nèi)ネ獍鼘拥穆愎饫w對稱地緊貼在橫梁一側(cè)表面,并在左右兩點固定,2個固定點之間的感應(yīng)光纖長度為L.利用螺旋測微桿對橫梁另一側(cè)表面中點O施加應(yīng)力,使橫梁向固定有光纖的一側(cè)凸起發(fā)生彎曲變形.此時橫梁的上半部分受到張應(yīng)力而伸長,下半部分受到壓應(yīng)力而縮短.由于傳感光纖緊貼于橫梁的表面且與橫梁表面固定,因此橫梁的彎曲形變對光纖產(chǎn)生應(yīng)力作用,從而對光的相位產(chǎn)生調(diào)制.這時,光纖主要受到橫梁彎曲所提供的縱向應(yīng)力作用,傳感光纖L段的改變量應(yīng)等于橫梁上表面L段的表層伸長量.設(shè)外力作用下橫梁下表面中點O所移動的距離為Δh(可由螺旋測微桿測得).考慮到l?(d+2r),在Δh較小時,橫梁的彎曲面可近似看成圓弧面,上表面L段的表層伸長量可由其幾何關(guān)系近似得出:

對于均勻、各向同性的單模石英光纖,在縱向應(yīng)力作用下只產(chǎn)生縱向應(yīng)變效應(yīng)和彈光效應(yīng),泊松效應(yīng)很弱,可以忽略.因此由彈性光學理論可得到光波相位的改變量為

其中λ0為光在真空中的波長,L和n分別為光纖的長度和折射率,ε3=ΔL/L為光纖的縱向應(yīng)變,P12為光纖光彈性張量的 Pockel系數(shù)[2-3].將(1)式代入(2)式,得到

光纖溫度傳感系統(tǒng)由可控熱源、溫度計、光纖溫度傳感探頭構(gòu)成.可控熱源可以設(shè)定所需加熱的溫度,在室溫至100℃范圍內(nèi)提供均勻穩(wěn)定、干燥的溫度場.傳感光纖去掉包層后纏繞在圓片金屬支架上,置于溫度場中.光纖傳感的溫度效應(yīng)主要是熱脹冷縮造成的光纖幾何長度L的改變和溫度變化所引起的光纖折射率n的改變,從而導致光纖中光波相位的改變.溫度場的作用等效于應(yīng)力應(yīng)變場的作用,通常采用下式計算溫度效應(yīng)引起的相位變化

其中L(T0)和 n(T0)分別為在 T0溫度時光纖的長度和折射率,α1為光纖的線性熱膨脹系數(shù),CT為光纖的光學折射率溫度系數(shù)[3].

2.3 條紋顯示計數(shù)系統(tǒng)

調(diào)制后的光信號必須進行解調(diào),方可得到被測量的信息.由于響應(yīng)頻率的限制,目前光探測器只能探測光強度信號,而不能夠直接探測光波的相位信號,因此需要利用光干涉方式,將光波的相位信號轉(zhuǎn)換成強度信號,完成相位的解調(diào)才能夠進行檢測,即干涉測量.干涉測量是相位調(diào)制光纖傳感的關(guān)鍵技術(shù).利用M-Z干涉儀,可實現(xiàn)相位調(diào)制信號的解調(diào).當被測量發(fā)生改變時,因調(diào)制作用所引起的兩相干光之間的相位差Δφ也隨之變化.Δφ的變化直接改變了干涉域光強的分布,使得干涉條紋在空間產(chǎn)生移動.相應(yīng),如果檢測到干涉光強分布的變化就可以確定2束光之間的相位差的變化,根據(jù)其對應(yīng)關(guān)系得到待測物理量的大小.因此,對于應(yīng)變傳感,由(3)式可得條紋移動數(shù)目N與螺旋測微桿的移動距離Δh之間滿足

對于溫度傳感,由(4)式可得條紋移動數(shù)目 N與溫度T之間滿足

即條紋移動數(shù)目 N與T或Δh間均呈線性關(guān)系.

干涉條紋計數(shù)顯示系統(tǒng)由CCD、光電檢測電路及自動可逆計數(shù)器組成(見圖1).干涉域的一部分光經(jīng)平面反射鏡反射后照射到CCD上,CCD采集干涉條紋圖像并轉(zhuǎn)換為視頻信號,輸入顯示器放大顯示干涉條紋圖像及其移動情況;另一部分干涉光直接照射到1對帶有狹縫的光電二極管上,進行光電信號檢測轉(zhuǎn)換,再經(jīng)放大、濾波、整形電路處理后送入可逆計數(shù)器,自動記錄干涉條紋移動的數(shù)目.

3 實驗測試及分析

對所制作的全光纖M-Z相位調(diào)制干涉?zhèn)鞲袑嶒炏到y(tǒng)進行實驗測試.光纖應(yīng)力應(yīng)變傳感裝置結(jié)構(gòu)參量為:d=3.351 mm,L=280.0 mm,l=300.0 mm,2r=5.40 mm.輕輕緩慢旋轉(zhuǎn)螺旋測微桿,每旋進(或后退)0.500 mm記錄1次移動條紋計數(shù) N.測微螺桿總的行程為5.500 mm.多次進退重復測量,移動條紋計數(shù)N取平均值.

采用最小二乘法對 N-h關(guān)系進行直線擬合如圖3所示,N=65.042(16.648-h),線性相關(guān)系數(shù)為0.999 96,表明條紋移動數(shù) N與測微桿讀數(shù)h之間呈線性關(guān)系,亦即相位調(diào)制改變量Δφ與微應(yīng)變ΔL呈良好的線性關(guān)系,與(3)式結(jié)論一致.直線擬合所得斜率為65.042 mm-1,對應(yīng)相位調(diào)制光纖應(yīng)變傳感系數(shù)為9.792 rad/μm,即光纖長度每產(chǎn)生1μm形變,有1.558個條紋發(fā)生移動.He-Ne激光波長λ0=0.632 8μm,石英傳感光纖的參量[2]n(25℃)=1.458,P12=0.274,代入(2)式計算得到相位調(diào)制光纖應(yīng)力應(yīng)變傳感綜合系數(shù)為10.26 rad/μm.測試結(jié)果與理論計算結(jié)果相差4.6%,二者基本一致,應(yīng)變傳感裝置設(shè)計合理.

圖3 相位調(diào)制光纖應(yīng)變傳感N-h實驗測試關(guān)系曲線

應(yīng)力應(yīng)變傳感實驗測量誤差主要來自測試環(huán)境因素以及裝置加工制作精度的影響.由于傳感系統(tǒng)對溫度、震動等十分敏感,因此測量過程中環(huán)境溫度的變化以及氣流波動、操作抖動等都會引起測量的隨機誤差.另外實驗裝置結(jié)構(gòu)參量 d,l,L以及r等的設(shè)計加工精度,也造成了實驗測量的系統(tǒng)誤差.

光纖溫度傳感測試采用WN Y-150A型數(shù)字測溫儀來測量熱源溫度場的溫度(最小分度值為0.1℃).從30℃開始,溫度每升高5℃記錄1次條紋移動數(shù) N,熱源最高溫度設(shè)定在65℃.重復測量5次,取N的平均值.

同樣采用最小二乘法對 N-T關(guān)系進行直線擬合,如圖4所示,N=-384.6+12.77 T,線性相關(guān)系數(shù)為0.999 68,表明條紋移動數(shù) N(對應(yīng)溫度場對光纖相位的調(diào)制)與溫度 T呈良好線性關(guān)系,與(6)式的結(jié)論一致.直線擬合的斜率為12.77℃-1.考慮到溫度傳感光纖引入熱源的實際分布,合理估計其有效感應(yīng)長度約為0.550 m,則實驗測得的光纖溫度傳感相位調(diào)制靈敏度為145.9 rad/(℃·m),即對于1 m長的光纖,溫度每改變1℃,將會移動23.22個條紋.取石英光纖的參量[2-3]n(25 ℃)=1.458,α1=5.5×10-7℃-1,CT(λ0=0.632 8μm)=0.662×10-5℃-1,代入式(4)可得光纖溫度傳感相位調(diào)制靈敏度為103.8 rad/(℃·m).

圖4 相位調(diào)制光纖溫度傳感N-T實驗測試關(guān)系曲線

實驗測得的光纖溫度傳感相位調(diào)制靈敏度遠大于按(4)式計算的結(jié)果.究其原因主要為:

1)傳感光纖的有效長度除了置于熱源內(nèi)部的部分之外,還包括處于溫度場邊緣的部分,因此實際參與溫度感應(yīng)的光纖長度大于處于熱源內(nèi)部的光纖長度;

2)傳感光纖由于彎曲引起光纖折射率及其分布發(fā)生改變,使其隨溫度的變化特性與自由伸展的光纖折射率變化不一致,從而導致偏離理論關(guān)系[6-7];

3)傳感光纖金屬支架的熱脹效應(yīng)對傳感光纖產(chǎn)生的應(yīng)力作用所造成的影響;

4)測量過程中由于室內(nèi)空調(diào)、操作者以及恒溫熱源等的影響使環(huán)境溫度隨時間而發(fā)生改變,影響測量結(jié)果.

因此增加溫度感應(yīng)光纖的有效長度,實驗中保持其余光纖光路的溫度穩(wěn)定等對獲得準確合理的實驗結(jié)果非常重要.

4 結(jié)束語

本文通過對相位調(diào)制光纖傳感及干涉測量技術(shù)的研究,設(shè)計制作了相位調(diào)制全光纖M-Z干涉?zhèn)鞲薪虒W實驗測量系統(tǒng).經(jīng)過多次實驗測試,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,各項指標均達到預(yù)期目標.透視化結(jié)構(gòu)使得實驗光路及工作原理直觀明了,開放的光路便于實驗項目的轉(zhuǎn)換和擴充,非常適合于實驗教學.干涉條紋圖像化顯示與移動條紋自動計數(shù)二者結(jié)合,使得實驗現(xiàn)象直觀明顯,并可實現(xiàn)快速變化或大范圍測量的實驗過程,無需暗室環(huán)境或者借助顯微儀器進行觀測,教學和實驗操作更加方便.應(yīng)力應(yīng)變傳感裝置設(shè)計精巧,通過梁的彎曲變形實現(xiàn)了微應(yīng)變過程,原理簡單、完善,可實現(xiàn)定量測量.通過該實驗系統(tǒng)的教學,可以激發(fā)學生的學習興趣,使學生了解光纖傳感這一現(xiàn)代新型傳感測試技術(shù),進一步掌握相關(guān)的物理學基本概念和原理,了解光纖相位調(diào)制和解調(diào)的物理過程與方法,并得到光路調(diào)節(jié)、實驗誤差分析、思路擴展等科研技能的基本訓練.

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[責任編輯:任德香]

Phase-modulated fiber optic sensing experiment

L IANG Chang-lin,WU Nian-le,ZHANG Lian-fang,WANG Chang-jiang
(Department of Physics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

A set of teaching experiment system for phase-modulated fiber op tic sensing is designed by using M ach-Zehnder interferometer,CCD,photo electronic detecting and reversible counter techniques.The temperature and strain sensing p roperties of the system are tested.

fiber;M ach-Zehnder interferometer;temperature sensing;strain sensing

O436.1

A

1005-4642(2010)11-0001-04

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-06-18;修改日期:2010-08-07

梁昌林(1972-),男,甘肅會寧人,清華大學實驗物理教學中心工程師,博士,主要從事大學物理實驗教學及薄膜材料與納米材料研究工作.