光纖干涉?zhèn)鞲袘?yīng)用初探

趙閏添

20世紀(jì)60年代，利用光的各種屬性（干涉、衍射、偏振、反射、吸收和發(fā)光等）的光檢測(cè)技術(shù)通過(guò)激光作為非接觸、高速度、高精確度的檢測(cè)手段獲得了飛速發(fā)展。20世紀(jì)90年代后期，光子產(chǎn)業(yè)通過(guò)光通信技術(shù)取得了巨大的成功，光纖傳感器呈產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在國(guó)際上形成了五大應(yīng)用領(lǐng)域，即醫(yī)學(xué)和生物、電力工業(yè)、化學(xué)和環(huán)境、軍事和智能結(jié)構(gòu)。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境和工程監(jiān)制的重視加強(qiáng)，各種新型傳感器成為了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。光纖傳感器因其具有體積小，重量輕，抗電磁干擾，易于遠(yuǎn)程操作等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為當(dāng)今學(xué)術(shù)與工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

一、光電檢測(cè)電路應(yīng)用于干涉儀的應(yīng)用

（一）光電檢測(cè)電路

光檢測(cè)電路包括以下幾個(gè)部分：半導(dǎo)體發(fā)光器、光學(xué)系統(tǒng)器件、光信號(hào)的匹配器、光電轉(zhuǎn)換器、電信號(hào)的放大與處理器、微機(jī)及控制系統(tǒng)。

（二）光電檢測(cè)器

光電檢測(cè)器采用光子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光輻射量與測(cè)量物理量之間的轉(zhuǎn)換，其中外光電效應(yīng)是一種光子效應(yīng)，逸出電子動(dòng)能的計(jì)算公式為：

（1.1）

式中，v表示逸出的速度;m表示電子質(zhì)量。

光子的頻率和波長(zhǎng)的計(jì)算公式分別為：

（1.2）

（1.3）

光電探測(cè)器包括光電池和光電二極管兩種類型，在光照條件下，光電二極管和光電池均可以產(chǎn)生光生電勢(shì)，由光電二極管作為光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光電二極管的結(jié)構(gòu)

（三） 光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)光電二極管特性，同時(shí)考慮與反饋電阻相并聯(lián)的電容極小的問(wèn)題，光電二極管的輸出電壓為：

（1.4）

式中，E表示光照強(qiáng)度;表示反饋電阻;S表示光電靈敏度。

選擇用同軸探測(cè)器設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路，反饋電阻為：

（1.5）

那么高頻介質(zhì)頻率為：

（1.6）

為了使光纖干涉儀性能優(yōu)異，提高測(cè)量精度，所以構(gòu)建出光電檢測(cè)電路的光纖干涉儀。光電檢測(cè)電路的工作原理就是光電轉(zhuǎn)換電路，基于其中的探測(cè)器、噪聲等因素的分析，以及其工作模式的對(duì)比，從理論上可以得出電路在光纖干涉儀中的應(yīng)用效果良好。

二、 光纖邁克爾遜干涉儀的應(yīng)用

（一） 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的邁克爾遜干涉儀應(yīng)用于教學(xué)

傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀在演示雙光束的干涉時(shí)，能夠較清晰地看出干涉條紋，但動(dòng)態(tài)演示干涉過(guò)程效果不理想。而光纖邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)能從電信號(hào)和光信號(hào)兩方面演示雙光束的干涉，特別是與PC機(jī)相連后，能夠動(dòng)態(tài)地演示雙光束干涉的整個(gè)過(guò)程，因?yàn)樵趫D2中步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)引起的相位變化為

（1.7）

式中l(wèi)s信號(hào)臂光纖的長(zhǎng)度， lr為參考臂光纖的長(zhǎng)度，兩束光干涉光強(qiáng)為

（1.8）

這能夠從理論、實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行解釋雙光束干涉的實(shí)質(zhì)。

圖2? ? 邁克爾干涉儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（二）測(cè)量微位移

把信號(hào)臂一側(cè)的反射端面貼在待測(cè)量對(duì)象（比如置于空氣中）上 ， 信號(hào)臂光纖端面與反射端面距離為，式（1.4）變形為

（1.9）

當(dāng)反射端面隨著待測(cè)物體發(fā)生微位移時(shí)，使發(fā)生變化 ，即式（1.9）中的變化，進(jìn)而使得式（1.8）的干涉光的光強(qiáng)I變化 ，以此來(lái)達(dá)到測(cè)量微位移的目的。采用光的干涉法測(cè)量微位移是目前精度最高且實(shí)用的方法。

利用邁克爾遜測(cè)量微位移系統(tǒng)，可以很好的應(yīng)用于機(jī)械、儀表、工具、兵器、宇航等產(chǎn)業(yè)，也是上述產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品及技術(shù)不斷進(jìn)步的制約因素，特別是在軍事領(lǐng)域，高精度的微位移測(cè)量有著重要的意義。

（三）測(cè)量折射率

把信號(hào)臂一側(cè)的反射端面固定，信號(hào)臂光纖端面與反射端面距離為待測(cè)物體長(zhǎng)、折射率為，待測(cè)物體置于信號(hào)臂光纖端面與反射端面之間后，式（1.6）變形為

（1.10）

待測(cè)物體長(zhǎng)可以測(cè)量出來(lái)，在式（1.10）中待測(cè)物體折射率改變了干涉光的光強(qiáng)，由光強(qiáng)的變化測(cè)量物體的折射率。

邁克爾遜干涉儀通過(guò)這種方法來(lái)測(cè)量液體、空氣及玻璃等各種介質(zhì)的折射率，可以很好的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究、石油化工等領(lǐng)域，在我國(guó)研究測(cè)量等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。

（四）邁克爾遜干涉儀的其他應(yīng)用

雖然邁克爾遜干涉儀在各方面應(yīng)用甚廣，但它的最著名應(yīng)用即是它在邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)中對(duì)以太風(fēng)觀測(cè)中所得到的零結(jié)果，這朵十九世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)天空中的烏云為狹義相對(duì)論的基本假設(shè)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。除此之外，邁克爾遜干涉儀還可以測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)弱、壓力等。除此之外，由于激光干涉儀能夠非常精確地測(cè)量干涉中的光程差，在當(dāng)今的引力波探測(cè)中邁克爾遜干涉儀以及其他種類的干涉儀都得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

三、 馬赫-澤德（Mach-Zehnder）干涉儀的應(yīng)用

（一）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀用于教學(xué)

傳統(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀在演示雙光束的干涉時(shí) ，能夠較清晰地看出干涉條紋 ，但動(dòng)態(tài)演示干涉過(guò)程效果不理想。而光纖Mach-Zehnder干涉儀系統(tǒng)能從電信號(hào)和光信號(hào)兩方面都能演示雙光束的干涉，把PD1、PD2與PC機(jī)均相連，能夠動(dòng)態(tài)地演示雙光束干涉的整個(gè)過(guò)程，這能夠把理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合來(lái)解釋雙光束干涉的實(shí)質(zhì)。

（二）測(cè)量微應(yīng)變、應(yīng)力和測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)弱

把傳感臂緊貼在被測(cè)量對(duì)象表面， 當(dāng)應(yīng)變波作用在信號(hào)臂上時(shí)， 使得光纖發(fā)生微小形變進(jìn)而改變信號(hào)臂光纖的折射率 ，光纖的折射率n的變化使相位差Δφ變化，進(jìn)而使得干涉光的光強(qiáng)I 變化，以此來(lái)達(dá)到測(cè)量微應(yīng)變、應(yīng)力的目的。并且，根據(jù)干涉光光強(qiáng)I與信號(hào)項(xiàng)呈線性關(guān)系，這對(duì)于工程應(yīng)用是相當(dāng)有用的。把傳感臂涂上一層磁敏材料置于待測(cè)量磁場(chǎng)中，當(dāng)磁場(chǎng)作用在磁敏材料上時(shí)，使得光纖發(fā)生收縮進(jìn)而改變信號(hào)臂光纖的折射率 n 和長(zhǎng)度，這樣使得相位差Δφ變化，進(jìn)而使得干涉光的光強(qiáng)I變化， I與磁場(chǎng)近似線性關(guān)系，以此來(lái)測(cè)得磁場(chǎng)的強(qiáng)弱精度較高。

四、光纖法布里珀羅（F-P）干涉儀的應(yīng)用

（一）光纖法布里珀羅（F-P）干涉測(cè)量微位移

根據(jù)等厚干涉的原理，設(shè)計(jì)了只有一種厚度的干涉結(jié)構(gòu)，即光纖法布里珀羅（F-P）干涉，產(chǎn)生干涉的一束光從光纖端面反射，另一束光纖透過(guò)光纖端面，再?gòu)墓饫w端面下方的一個(gè)光學(xué)反射面反射進(jìn)光纖。這兩書(shū)光頻率相等，只要光纖端面與光學(xué)反射面一定，兩束光的相位差固定，方向相反，在光纖端面產(chǎn)生干涉。其干涉結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，在光纖端面附近同軸放置一個(gè)光學(xué)反射面，光學(xué)反射固定在壓電陶瓷（PZT）上。

圖3 光纖F-P干涉結(jié)構(gòu)

為了演示利用光學(xué)干涉測(cè)量位移原理，本章利用壓電陶瓷的壓電特性來(lái)產(chǎn)生微位移;當(dāng)PZT上加上一個(gè)正電壓時(shí)，PZT伸長(zhǎng)，光學(xué)反射面與光纖端面的距離變短，兩干涉光束的光程差變小;當(dāng)PZT上加上一個(gè)負(fù)電壓時(shí)，PZT變短，光學(xué)反射面與光纖端面的距離變長(zhǎng)，兩干涉光束的光程差變大。這樣，隨著光程差的改變，干涉條紋成明暗交替變化。

設(shè)光纖端面與光學(xué)反射面直接的距離為L(zhǎng)，兩個(gè)端面保持平行，同時(shí)因光在兩光學(xué)反射面的入射角θ很小，近似為零，則兩束相干光的相位差為：

（1.11）

其中λ為入射光的波長(zhǎng)，n為空氣中的光學(xué)折射率，近似為n ≈ 1，則光纖端面上的干涉條紋強(qiáng)度經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換，輸出的電流強(qiáng)度為：

（1.12）

其中R1為光纖端面的反射率，R2為光學(xué)反射面的反射率。從式（1.11）、（1.12）中可以看出，當(dāng)，即時(shí)，探測(cè)到的干涉電信號(hào)成最大值;當(dāng)時(shí)，探測(cè)到的干涉電信號(hào)成最小值;當(dāng)時(shí)，探測(cè)到干涉電信號(hào)為零。因此，隨著光程差的改變，干涉電信號(hào)出現(xiàn)從最大值-零-最小值-最大值的周期變化，只要測(cè)出最大值的變化次數(shù)就可測(cè)出光學(xué)反射面的位移大小。為了提高光學(xué)反射面的光反射率，可在其反射面上鍍一層膜。整個(gè)干涉測(cè)微位移實(shí)驗(yàn)演示結(jié)構(gòu)如4所示：

圖4 光學(xué)干涉測(cè)微位移演示結(jié)構(gòu)

（二） 光纖法布里珀羅（F-P）干涉測(cè)量微應(yīng)變

光纖F-P應(yīng)變傳感器的特點(diǎn)是采用單根光纖利用多光束干涉來(lái)檢測(cè)應(yīng)變。它避免了兩根光纖配對(duì)的問(wèn)題，比邁克爾遜干涉型應(yīng)變傳感器更適用于低頻率應(yīng)變信號(hào)的測(cè)量。因此，這種傳感器從80年代誕生至今一直是主要的開(kāi)發(fā)和研究的對(duì)象。F-P光纖應(yīng)變傳感器可分為內(nèi)、外兩種。圖5、圖6分別為內(nèi)F-P應(yīng)變傳感器、外F-P應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

當(dāng)激光經(jīng)過(guò)光纖的端面的時(shí)候會(huì)發(fā)生反射，如果在外界條件作用下，F(xiàn)-P傳感器的傳感腔將發(fā)生變化，那么從端面返回的光束就會(huì)產(chǎn)生一定的相位差，從而滿足干涉條件，發(fā)生多光束干涉，那么從光探測(cè)器輸出的光強(qiáng)也就會(huì)有一定的規(guī)律變化。因此這種光纖傳感器非常適用于試件的疲勞度測(cè)量、懸臂梁的微應(yīng)變測(cè)量以及布入復(fù)合材料本身形成內(nèi)在的傳感網(wǎng)絡(luò)。

圖內(nèi)F-P應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖6外F-P應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)圖

從20世紀(jì)60年代至今已有五十余年，國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖傳感的研究從未停息，本文對(duì)光纖傳感系統(tǒng)、干涉型光纖傳感系統(tǒng)的潛在研究，還沒(méi)有向更深的方向深入研究，希望未來(lái)有機(jī)會(huì)可以進(jìn)一步的研究干涉型光纖傳感器，使其能有更高的精確度，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，讓我國(guó)光纖傳感技術(shù)更加接近世界水平，在我國(guó)乃至世界光纖傳感方面邁出重要的一步。（作者單位：成都日有利盛體育文化傳播有限公司）