光纖干涉?zhèn)鞲袘贸跆?/h1>
2020-01-30 02:24趙閏添
今日財富 2020年3期
趙閏添
20世紀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）的光檢測技術通過激光作為非接觸、高速度、高精確度的檢測手段獲得了飛速發(fā)展。20世紀90年代后期，光子產業(yè)通過光通信技術取得了巨大的成功，光纖傳感器呈產業(yè)化發(fā)展，在國際上形成了五大應用領域，即醫(yī)學和生物、電力工業(yè)、化學和環(huán)境、軍事和智能結構。
隨著國家對環(huán)境和工程監(jiān)制的重視加強，各種新型傳感器成為了工業(yè)界和學術界的研究熱點。光纖傳感器因其具有體積小，重量輕，抗電磁干擾，易于遠程操作等優(yōu)點，逐漸成為當今學術與工業(yè)界的研究熱點。
一、光電檢測電路應用于干涉儀的應用
（一）光電檢測電路
光檢測電路包括以下幾個部分：半導體發(fā)光器、光學系統(tǒng)器件、光信號的匹配器、光電轉換器、電信號的放大與處理器、微機及控制系統(tǒng)。
（二）光電檢測器
光電檢測器采用光子效應實現光輻射量與測量物理量之間的轉換，其中外光電效應是一種光子效應，逸出電子動能的計算公式為：
（1.1）
式中，v表示逸出的速度;m表示電子質量。
光子的頻率和波長的計算公式分別為：
（1.2）
（1.3）
光電探測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生光生電勢，由光電二極管作為光電探測器的結構如圖1所示。
圖1 光電二極管的結構
（三） 光電檢測電路的設計
根據光電二極管特性，同時考慮與反饋電阻相并聯的電容極小的問題，光電二極管的輸出電壓為：
（1.4）
式中，E表示光照強度;表示反饋電阻;S表示光電靈敏度。
選擇用同軸探測器設計光電檢測電路，反饋電阻為：
（1.5）
那么高頻介質頻率為：
（1.6）
為了使光纖干涉儀性能優(yōu)異，提高測量精度，所以構建出光電檢測電路的光纖干涉儀。光電檢測電路的工作原理就是光電轉換電路，基于其中的探測器、噪聲等因素的分析，以及其工作模式的對比，從理論上可以得出電路在光纖干涉儀中的應用效果良好。
二、 光纖邁克爾遜干涉儀的應用
（一） 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的邁克爾遜干涉儀應用于教學
傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀在演示雙光束的干涉時，能夠較清晰地看出干涉條紋，但動態(tài)演示干涉過程效果不理想。而光纖邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)能從電信號和光信號兩方面演示雙光束的干涉，特別是與PC機相連后，能夠動態(tài)地演示雙光束干涉的整個過程，因為在圖2中步進電機的移動引起的相位變化為
（1.7）
式中l(wèi)s信號臂光纖的長度， lr為參考臂光纖的長度，兩束光干涉光強為
（1.8）
這能夠從理論、實驗同時進行解釋雙光束干涉的實質。
圖2? ? 邁克爾干涉儀系統(tǒng)結構圖
（二）測量微位移
把信號臂一側的反射端面貼在待測量對象（比如置于空氣中）上 ， 信號臂光纖端面與反射端面距離為，式（1.4）變形為
（1.9）
當反射端面隨著待測物體發(fā)生微位移時，使發(fā)生變化 ，即式（1.9）中的變化，進而使得式（1.8）的干涉光的光強I變化 ，以此來達到測量微位移的目的。采用光的干涉法測量微位移是目前精度最高且實用的方法。
利用邁克爾遜測量微位移系統(tǒng)，可以很好的應用于機械、儀表、工具、兵器、宇航等產業(yè)，也是上述產業(yè)、產品及技術不斷進步的制約因素，特別是在軍事領域，高精度的微位移測量有著重要的意義。
（三）測量折射率
把信號臂一側的反射端面固定，信號臂光纖端面與反射端面距離為待測物體長、折射率為，待測物體置于信號臂光纖端面與反射端面之間后，式（1.6）變形為
（1.10）
待測物體長可以測量出來，在式（1.10）中待測物體折射率改變了干涉光的光強，由光強的變化測量物體的折射率。
邁克爾遜干涉儀通過這種方法來測量液體、空氣及玻璃等各種介質的折射率，可以很好的應用于醫(yī)學研究、石油化工等領域，在我國研究測量等領域起著至關重要的作用。
（四）邁克爾遜干涉儀的其他應用
雖然邁克爾遜干涉儀在各方面應用甚廣，但它的最著名應用即是它在邁克爾遜-莫雷實驗中對以太風觀測中所得到的零結果，這朵十九世紀末經典物理學天空中的烏云為狹義相對論的基本假設提供了實驗依據。除此之外，邁克爾遜干涉儀還可以測量磁場的強弱、壓力等。除此之外，由于激光干涉儀能夠非常精確地測量干涉中的光程差，在當今的引力波探測中邁克爾遜干涉儀以及其他種類的干涉儀都得到了相當廣泛的應用。
三、 馬赫-澤德（Mach-Zehnder）干涉儀的應用
（一）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀用于教學
傳統(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀在演示雙光束的干涉時 ，能夠較清晰地看出干涉條紋 ，但動態(tài)演示干涉過程效果不理想。而光纖Mach-Zehnder干涉儀系統(tǒng)能從電信號和光信號兩方面都能演示雙光束的干涉，把PD1、PD2與PC機均相連，能夠動態(tài)地演示雙光束干涉的整個過程，這能夠把理論與實驗結合來解釋雙光束干涉的實質。
（二）測量微應變、應力和測量磁場的強弱
把傳感臂緊貼在被測量對象表面， 當應變波作用在信號臂上時， 使得光纖發(fā)生微小形變進而改變信號臂光纖的折射率 ，光纖的折射率n的變化使相位差Δφ變化，進而使得干涉光的光強I 變化，以此來達到測量微應變、應力的目的。并且，根據干涉光光強I與信號項呈線性關系，這對于工程應用是相當有用的。把傳感臂涂上一層磁敏材料置于待測量磁場中，當磁場作用在磁敏材料上時，使得光纖發(fā)生收縮進而改變信號臂光纖的折射率 n 和長度，這樣使得相位差Δφ變化，進而使得干涉光的光強I變化， I與磁場近似線性關系，以此來測得磁場的強弱精度較高。
四、光纖法布里珀羅（F-P）干涉儀的應用
（一）光纖法布里珀羅（F-P）干涉測量微位移
根據等厚干涉的原理，設計了只有一種厚度的干涉結構，即光纖法布里珀羅（F-P）干涉，產生干涉的一束光從光纖端面反射，另一束光纖透過光纖端面，再從光纖端面下方的一個光學反射面反射進光纖。這兩書光頻率相等，只要光纖端面與光學反射面一定，兩束光的相位差固定，方向相反，在光纖端面產生干涉。其干涉結構圖如圖3所示，在光纖端面附近同軸放置一個光學反射面，光學反射固定在壓電陶瓷（PZT）上。
圖3 光纖F-P干涉結構
為了演示利用光學干涉測量位移原理，本章利用壓電陶瓷的壓電特性來產生微位移;當PZT上加上一個正電壓時，PZT伸長，光學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PZT上加上一個負電壓時，PZT變短，光學反射面與光纖端面的距離變長，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。
設光纖端面與光學反射面直接的距離為L，兩個端面保持平行，同時因光在兩光學反射面的入射角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，n為空氣中的光學折射率，近似為n ≈ 1，則光纖端面上的干涉條紋強度經光電探測器轉換，輸出的電流強度為：
（1.12）
其中R1為光纖端面的反射率，R2為光學反射面的反射率。從式（1.11）、（1.12）中可以看出，當，即時，探測到的干涉電信號成最大值;當時，探測到的干涉電信號成最小值;當時，探測到干涉電信號為零。因此，隨著光程差的改變，干涉電信號出現從最大值-零-最小值-最大值的周期變化，只要測出最大值的變化次數就可測出光學反射面的位移大小。為了提高光學反射面的光反射率，可在其反射面上鍍一層膜。整個干涉測微位移實驗演示結構如4所示：
圖4 光學干涉測微位移演示結構
（二） 光纖法布里珀羅（F-P）干涉測量微應變
光纖F-P應變傳感器的特點是采用單根光纖利用多光束干涉來檢測應變。它避免了兩根光纖配對的問題，比邁克爾遜干涉型應變傳感器更適用于低頻率應變信號的測量。因此，這種傳感器從80年代誕生至今一直是主要的開發(fā)和研究的對象。F-P光纖應變傳感器可分為內、外兩種。圖5、圖6分別為內F-P應變傳感器、外F-P應變傳感器結構示意圖。
當激光經過光纖的端面的時候會發(fā)生反射，如果在外界條件作用下，F-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產生一定的相位差，從而滿足干涉條件，發(fā)生多光束干涉，那么從光探測器輸出的光強也就會有一定的規(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量、懸臂梁的微應變測量以及布入復合材料本身形成內在的傳感網絡。
圖內F-P應變傳感器結構圖
圖6外F-P應變傳感器結構圖
從20世紀60年代至今已有五十余年，國內外對光纖傳感的研究從未停息，本文對光纖傳感系統(tǒng)、干涉型光纖傳感系統(tǒng)的潛在研究，還沒有向更深的方向深入研究，希望未來有機會可以進一步的研究干涉型光纖傳感器，使其能有更高的精確度，能適應各種惡劣環(huán)境，讓我國光纖傳感技術更加接近世界水平，在我國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）
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隨著國家對環(huán)境和工程監(jiān)制的重視加強，各種新型傳感器成為了工業(yè)界和學術界的研究熱點。光纖傳感器因其具有體積小，重量輕，抗電磁干擾，易于遠程操作等優(yōu)點，逐漸成為當今學術與工業(yè)界的研究熱點。
一、光電檢測電路應用于干涉儀的應用
（一）光電檢測電路
光檢測電路包括以下幾個部分：半導體發(fā)光器、光學系統(tǒng)器件、光信號的匹配器、光電轉換器、電信號的放大與處理器、微機及控制系統(tǒng)。
（二）光電檢測器
光電檢測器采用光子效應實現光輻射量與測量物理量之間的轉換，其中外光電效應是一種光子效應，逸出電子動能的計算公式為：
（1.1）
式中，v表示逸出的速度;m表示電子質量。
光子的頻率和波長的計算公式分別為：
（1.2）
（1.3）
光電探測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生光生電勢，由光電二極管作為光電探測器的結構如圖1所示。
圖1 光電二極管的結構
（三） 光電檢測電路的設計
根據光電二極管特性，同時考慮與反饋電阻相并聯的電容極小的問題，光電二極管的輸出電壓為：
（1.4）
式中，E表示光照強度;表示反饋電阻;S表示光電靈敏度。
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（1.5）
那么高頻介質頻率為：
（1.6）
為了使光纖干涉儀性能優(yōu)異，提高測量精度，所以構建出光電檢測電路的光纖干涉儀。光電檢測電路的工作原理就是光電轉換電路，基于其中的探測器、噪聲等因素的分析，以及其工作模式的對比，從理論上可以得出電路在光纖干涉儀中的應用效果良好。
二、 光纖邁克爾遜干涉儀的應用
（一） 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的邁克爾遜干涉儀應用于教學
傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀在演示雙光束的干涉時，能夠較清晰地看出干涉條紋，但動態(tài)演示干涉過程效果不理想。而光纖邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)能從電信號和光信號兩方面演示雙光束的干涉，特別是與PC機相連后，能夠動態(tài)地演示雙光束干涉的整個過程，因為在圖2中步進電機的移動引起的相位變化為
（1.7）
式中l(wèi)s信號臂光纖的長度， lr為參考臂光纖的長度，兩束光干涉光強為
（1.8）
這能夠從理論、實驗同時進行解釋雙光束干涉的實質。
圖2? ? 邁克爾干涉儀系統(tǒng)結構圖
（二）測量微位移
把信號臂一側的反射端面貼在待測量對象（比如置于空氣中）上 ， 信號臂光纖端面與反射端面距離為，式（1.4）變形為
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當反射端面隨著待測物體發(fā)生微位移時，使發(fā)生變化 ，即式（1.9）中的變化，進而使得式（1.8）的干涉光的光強I變化 ，以此來達到測量微位移的目的。采用光的干涉法測量微位移是目前精度最高且實用的方法。
利用邁克爾遜測量微位移系統(tǒng)，可以很好的應用于機械、儀表、工具、兵器、宇航等產業(yè)，也是上述產業(yè)、產品及技術不斷進步的制約因素，特別是在軍事領域，高精度的微位移測量有著重要的意義。
（三）測量折射率
把信號臂一側的反射端面固定，信號臂光纖端面與反射端面距離為待測物體長、折射率為，待測物體置于信號臂光纖端面與反射端面之間后，式（1.6）變形為
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待測物體長可以測量出來，在式（1.10）中待測物體折射率改變了干涉光的光強，由光強的變化測量物體的折射率。
邁克爾遜干涉儀通過這種方法來測量液體、空氣及玻璃等各種介質的折射率，可以很好的應用于醫(yī)學研究、石油化工等領域，在我國研究測量等領域起著至關重要的作用。
（四）邁克爾遜干涉儀的其他應用
雖然邁克爾遜干涉儀在各方面應用甚廣，但它的最著名應用即是它在邁克爾遜-莫雷實驗中對以太風觀測中所得到的零結果，這朵十九世紀末經典物理學天空中的烏云為狹義相對論的基本假設提供了實驗依據。除此之外，邁克爾遜干涉儀還可以測量磁場的強弱、壓力等。除此之外，由于激光干涉儀能夠非常精確地測量干涉中的光程差，在當今的引力波探測中邁克爾遜干涉儀以及其他種類的干涉儀都得到了相當廣泛的應用。
三、 馬赫-澤德（Mach-Zehnder）干涉儀的應用
（一）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀用于教學
傳統(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀在演示雙光束的干涉時 ，能夠較清晰地看出干涉條紋 ，但動態(tài)演示干涉過程效果不理想。而光纖Mach-Zehnder干涉儀系統(tǒng)能從電信號和光信號兩方面都能演示雙光束的干涉，把PD1、PD2與PC機均相連，能夠動態(tài)地演示雙光束干涉的整個過程，這能夠把理論與實驗結合來解釋雙光束干涉的實質。
（二）測量微應變、應力和測量磁場的強弱
把傳感臂緊貼在被測量對象表面， 當應變波作用在信號臂上時， 使得光纖發(fā)生微小形變進而改變信號臂光纖的折射率 ，光纖的折射率n的變化使相位差Δφ變化，進而使得干涉光的光強I 變化，以此來達到測量微應變、應力的目的。并且，根據干涉光光強I與信號項呈線性關系，這對于工程應用是相當有用的。把傳感臂涂上一層磁敏材料置于待測量磁場中，當磁場作用在磁敏材料上時，使得光纖發(fā)生收縮進而改變信號臂光纖的折射率 n 和長度，這樣使得相位差Δφ變化，進而使得干涉光的光強I變化， I與磁場近似線性關系，以此來測得磁場的強弱精度較高。
四、光纖法布里珀羅（F-P）干涉儀的應用
（一）光纖法布里珀羅（F-P）干涉測量微位移
根據等厚干涉的原理，設計了只有一種厚度的干涉結構，即光纖法布里珀羅（F-P）干涉，產生干涉的一束光從光纖端面反射，另一束光纖透過光纖端面，再從光纖端面下方的一個光學反射面反射進光纖。這兩書光頻率相等，只要光纖端面與光學反射面一定，兩束光的相位差固定，方向相反，在光纖端面產生干涉。其干涉結構圖如圖3所示，在光纖端面附近同軸放置一個光學反射面，光學反射固定在壓電陶瓷（PZT）上。
圖3 光纖F-P干涉結構
為了演示利用光學干涉測量位移原理，本章利用壓電陶瓷的壓電特性來產生微位移;當PZT上加上一個正電壓時，PZT伸長，光學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PZT上加上一個負電壓時，PZT變短，光學反射面與光纖端面的距離變長，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。
設光纖端面與光學反射面直接的距離為L，兩個端面保持平行，同時因光在兩光學反射面的入射角θ很小，近似為零，則兩束相干光的相位差為：
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其中λ為入射光的波長，n為空氣中的光學折射率，近似為n ≈ 1，則光纖端面上的干涉條紋強度經光電探測器轉換，輸出的電流強度為：
（1.12）
其中R1為光纖端面的反射率，R2為光學反射面的反射率。從式（1.11）、（1.12）中可以看出，當，即時，探測到的干涉電信號成最大值;當時，探測到的干涉電信號成最小值;當時，探測到干涉電信號為零。因此，隨著光程差的改變，干涉電信號出現從最大值-零-最小值-最大值的周期變化，只要測出最大值的變化次數就可測出光學反射面的位移大小。為了提高光學反射面的光反射率，可在其反射面上鍍一層膜。整個干涉測微位移實驗演示結構如4所示：
圖4 光學干涉測微位移演示結構
（二） 光纖法布里珀羅（F-P）干涉測量微應變
光纖F-P應變傳感器的特點是采用單根光纖利用多光束干涉來檢測應變。它避免了兩根光纖配對的問題，比邁克爾遜干涉型應變傳感器更適用于低頻率應變信號的測量。因此，這種傳感器從80年代誕生至今一直是主要的開發(fā)和研究的對象。F-P光纖應變傳感器可分為內、外兩種。圖5、圖6分別為內F-P應變傳感器、外F-P應變傳感器結構示意圖。
當激光經過光纖的端面的時候會發(fā)生反射，如果在外界條件作用下，F-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產生一定的相位差，從而滿足干涉條件，發(fā)生多光束干涉，那么從光探測器輸出的光強也就會有一定的規(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量、懸臂梁的微應變測量以及布入復合材料本身形成內在的傳感網絡。
圖內F-P應變傳感器結構圖
圖6外F-P應變傳感器結構圖
從20世紀60年代至今已有五十余年，國內外對光纖傳感的研究從未停息，本文對光纖傳感系統(tǒng)、干涉型光纖傳感系統(tǒng)的潛在研究，還沒有向更深的方向深入研究，希望未來有機會可以進一步的研究干涉型光纖傳感器，使其能有更高的精確度，能適應各種惡劣環(huán)境，讓我國光纖傳感技術更加接近世界水平，在我國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）
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