a于全光纤MachZehnder干涉仪的波长解调技术研究
对光纤Mach—Zehnder干涉仪的干涉场研究
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎｃ ｅｄ ｏ ｔ ｄ ｆＩ ｔ ｒ ｅ ｅ ｅ Ｆｉｌ ｎ Ｏｐｔｃ ｌＦｉ ｅ ａ ｂ ｒ
Ｍ ａ ｈ． ｈ ｅ ｎ ｅ ｆ ｒ ｍ ｅ ｅ ｃ Ｚｅ ｎｄ ｒ Ｉ ｔ ｒ ｅ ｏ ｔｒ
Ｓ ＮＧ “ ｅ ｇ，啊ｒ Ｃ ｏ ｇｑｎ ＨＡ － ｎ ｆ Ｕ ｈ ｎ －ｉｇ，Ｌ Ｈａ— ｏ 儿， ｌ． ，Ｌｆ Ｙ ｈｈ ｉ Ａ ｔ ａ Ｕ ａ —ｕ ，Ｔ ＮＧ Ｌ － ｅ ｉｉ ｊ
（ ｏｅｅｏ ｃ ｎｅ， ｏｔｅ ａｔｎ ｉ￣ａｙ Ｂ ｉ ｇ１０ ４ ， ｈｎ） Ｃ ｌｇ ｆ ｉ ｃｓ Ｎ ｒ ｒ Ｊ ｏｏ ｇＵｎｖ ｉ ， ｅ ｌ ０ ０ ４ Ｃ ｉ ｌ Ｓｅ ｈｎ ｉ ｔ ｊ ｎ ａ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｈ ａ ｅ ｅ ｌ ｗｉｈ ｔ ｅｉｔｒｆｒｎ ｅ ｆ ｆｔ ｅｏ ｔ ａ ｉｅ ａ ｈＺ ｈ ｄ ｒ［ｔｒｅ — ｓｒｃ ： ｅｐ ｐ ｒｄａ ｓ ｔ ｈ ｎ ｅｒｅｅ ｃ ｄｄｏ ｈ ｐｉ ｌ ｂ ｒＭ ｃ － ｅ ｎ ｅ ｎ ｅ ｒ ｉ ｃ ｆ ｆ ｏ ｅｅ ． ｎ ｌｓｓ Ｓｇｖ ｎｉ ｉ ｌ ｔｅｆｃｏ ｓｉｆ ｅ ｃｎ ｔ ｓ ｌ ｗｅｅｓｕ ｉ ｍ ｔｒ Ａｎ ａ ａｙ ｉ ｉｅ ｗｈｃ ａｌ ｈ ｔｒ ｌ ｎ ｉ ＷＳ ｎ ｈ ａ ｎｕ ｇ ｈ ｒ ｕｔ ｒ ｔｄ ｅ ｅ ｅ ｄ．Ａ ｏ ｄ ｇｏ ｗａ ｓｆｕ ｄ ｔ ｅ ｅｔｒｉ ｅｆｍｎ ｆｉ ｓ ｙ ｗａ ｏ ｎ ｏｇ ｔａｂ ｔ ｒｅ ￣ ｒ ｎ ｅ ｍ ｇｅ ． Ｋｅ ｏ ｄ ： ｐ ｉａ ｆ ｅ ａｈ Ｚ ｈ ｄ ｒｉｔ￣ｅｏ ｔｒ ｎ ｅｆｒ ｎ ｅｆ ；ｉｔｒｅｅ ｃ ｒｎ ｙ ｗ ｒ ｓ ｏ ｔ ｌ ｉ ｒＭ ｃ — ｅ ｎ ｅ ｅ ｒｍｅ ｅ ；ｉ ｔｒｅｅ ｃ ｅ ｃ ｂ ｎ ｌ ｄ ｎ ｅ ｆｒｎ ｅ ｆｉ ｇｅ
基于Mach-Zehnder干涉的光子晶体光纤传感技术研究进展
基于Mach-Zehnder干涉的光子晶体光纤传感技术研究进展韩博;高朋【摘要】近年来,随着光纤传感器技术研究领域的不断发展,各式各样的光纤传感结构脱颖而出.其中,采用光子晶体光纤与Mach-Zehnder干涉相结合方式的传感研究引起了学术界广泛关注.分析了国内外基于Mach-Zehnder干涉的光子晶体光纤传感技术的研究进展,介绍了这种技术在折射率测量、温度和多参数测量、应变与曲率测量等应用的传感结构,并对其发展前景进行了展望.【期刊名称】《传感器世界》【年(卷),期】2018(024)002【总页数】5页(P7-11)【关键词】光子晶体光纤;Mach-Zehnder干涉;传感技术【作者】韩博;高朋【作者单位】沈阳师范大学物理科学与技术学院,辽宁沈阳 110034;沈阳师范大学物理科学与技术学院,辽宁沈阳 110034【正文语种】中文【中图分类】TN253一、引言光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）是近年来发展起来的一种新型微结构光纤。
最早的PCF制作于1996年，在纯石英光纤上沿横向周期性地排列空气孔，形成周期性的折射率分布。
随着对PCF的深入研究，按照导光机制可将PCF分为折射率导光型PCF和光子带隙型PCF。
PCF作为传感器光子晶体光纤的敏感元件所具备的优势是普通光纤无法比拟的。
普通光纤由于掺杂物质对温度较为敏感，在测量其他物理量时，存在着严重的交叉敏感问题，必须采用温度补偿设备才可以避免。
PCF一般是由单一的石英材料制造，其纤芯区域可以是石英或空气，包层区域是空气孔和纯石英组成，石英具有低的热光系数，因此，PCF传感器具有常规光纤所不能比拟的温度稳定性，可以降低环境温度的不利影响，提高测量精度，无需额外的温度补偿设备。
另外，PCF内沿着光纤轴向方向分布的空气孔，其大小和排列方式的改变将会影响光的输出特性，因此可按需设计结构，极大地提高了传感器的设计灵活性，满足各种技术需求。
一种光纤Mach-Zehnder干涉仪的相位补偿方案
一种光纤Mach-Zehnder干涉仪的相位补偿方案
赵素贵;柴金华
【期刊名称】《量子电子学报》
【年(卷),期】2013(30)4
【摘要】针对光纤Mach-Zehnder干涉(MZI)受环境影响的稳定性问题,设计了光纤MZI实验装置。
从理论上分析了光纤MZI的输出光强,并给出了实验验证,由示
波器直观地显示出光纤MZI的稳定性与环境的关系以及相位调制对干涉的影响等。
为了解决振动噪声、温度变化等环境因素导致的光纤MZI不稳定,设计了一种新的相位补偿方案,即用两个2×2光纤耦合器的输出,实现相差检测及反馈控制。
【总页数】6页(P424-429)
【关键词】激光技术;相位补偿;光纤Mach—Zehnder干涉;相位调制
【作者】赵素贵;柴金华
【作者单位】陆军军官学院研究生管理大队;陆军军官学院军用光电工程教研室【正文语种】中文
【中图分类】O436
【相关文献】
1.采用PGC零差检测方案的Mach-zehnder光纤干涉仪动态范围分析 [J], 曹家年;李绪友;张立昆;王琥
2.Mach-Zehnder光纤干涉仪相位载波调制及解调方案的研究 [J], 唐晓琪;唐继
3.Mach-Zehnder光纤干涉仪相位检测方案研究 [J], 唐继
4.相位调制全光纤Mach-Zehnder干涉仪传感实验 [J], 梁昌林;吴念乐;张连芳;王长江
5.全光纤Mach-Zehnder干涉仪相位补偿的研究 [J], 黄涛;吴重庆;王瑞峰;王拥军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
光纤马赫-曾德干涉实验
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)(cos 1t B A I Φ+= （1） )(cos 2t B A I Φ-= （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ΦnL k 00+Φ=Φ （3）其中0Φ 为光进入光纤前的初始相位， 0k （00/2λπ=k ，0λ为真空中波长）为传播常数, n 为光纤的折射率;L 为光纤的长度。
图1 光纤Mach-Zenhder 干涉仪原理图λπ=λπδ=∆ΦSP22λπ+=SP K I I I 2cos 00设光纤1L 温度不变，光纤2L 温度该变T ∆,则折射率n 的改变量为n ∆ ，光纤2L 长度改变量为2L ∆。
实验,马赫曾德
-、实验十三双光纤Mach-Zehnder干涉传感实验本实验采用双光纤技术，一方面通过双光纤分光路干涉，构成光纤Mach-Zehnder干涉传感测量系统；另一方面，在双光纤的出射端，构成杨氏双孔干涉系统。
通过本实验，可对光纤干涉相位调制的物理过程有一个完整的了解，同时，借助于双光纤杨氏空间干涉系统，可研究干涉条纹的空间分布等相关特性。
此外，借助于光纤双光路的光程调制器，可获得光相位的一些具体调制方法。
一、实验目的1.掌握基于双光纤干涉的基本原理；2.重点了解采用光纤形成光路的马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉系统中，光纤光程变化对条纹移动的影响；3.简要了解基于双光纤干涉的马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉测温以及应变测量等基本知识。
二、实验原理1．光纤杨氏干涉英国物理学家杨（T.Yong），最初所做的干涉实验如图13-1所示。
图13-1 双孔杨氏干涉实验用强光照射针孔S，以它作为点光源发射平面波。
在离S一定距离处放置另外两个小针孔S1和S2，它们从由S发出的球形波阵面上分离出两个很小的部分作为相干光源，由这两个小孔发出的光波在空间相遇的区域内会产生干涉现象。
因为针孔S、S1、S2很小，所以产生的干涉条纹图样很弱，不易观察。
后来采用狭缝代替针孔，得到了同样形状但明亮得多的干涉图样。
然而，有人认为无论是双孔干涉还是双缝干涉产生的干涉图样可能是由于光经过孔或缝的边缘时发生的复杂变化，而不是真正的干涉，后来菲涅耳做了双棱镜干涉实验，使人们确信光存在干涉性。
本实验采用光纤作为产生相干光的光源来实现双孔干涉（如图13-2所示），可以获得非常明亮的、条纹间距很宽的干涉图样。
该干涉条纹用眼睛在毛玻璃上能清晰地观察到。
图13-2 双光纤杨氏干涉实验装置2．光纤Mach-Zehnder干涉仪两光纤所构成的光路受到干扰时，会导致空间干涉条纹的移动。
因此，利用这一特性，可以构成光纤Mach-Zehnder干涉仪。
光纤马赫-曾德干涉
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)(cos 1t B A I Φ+= （1） )(cos 2t B A I Φ-= （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ΦnL k 00+Φ=Φ （3）其中0Φ 为光进入光纤前的初始相位， 0k （00/2λπ=k ，0λ为真空中波长）为传播常数, n 为光纤的折射率;L 为光纤的长度。
图1 光纤Mach-Zenhder 干涉仪原理图λπ=λπδ=∆ΦSP22λπ+=SP K I I I 2cos 00设光纤1L 温度不变，光纤2L 温度该变T ∆,则折射率n 的改变量为n ∆ ，光纤2L 长度改变量为2L ∆。
光纤干涉仪相位解调方法的研究
我们知道由于耦合器的分光比和光电探测器光 电转换存在误差 , 3 × 3 耦合器的 3 路输出光信号经 光电探测器转换得到的电信号中 A 和 B 都不一定 相等 。引起这 3 路信号中 A 和 B 值不相等的因素 是相对固定的 , 是由干涉仪的结构所决定的 。现在 把 3 路信号写成
I 1 = A 1 + B 1cos [φ( t ) -2 π / 3] I 2 = A 2 + B 2 cos [φ( t ) ] I 3 = A 3 + B 3cos [φ( t ) +2π / 3] ( 12 ) ( 13 ) ( 14 )
测量与设备
I = A + B cos ( Pcosωm t + φ s +φ n) = A + B {[ J 0 ( P) +
∞
2
k =1
∑( ∞
k =0
ωm t ]cos (φ 1) kJ 2 k ( P) cos2 k s +φ n) 1 ) kJ 2 k +1 ( P) cos ( 2 k + 1 ) ωm t ] sin (φ s +
312 实验仿真结果
I″ 2 = B I″ 3 = B
dφ( t ) sin [φ( t ) +2π / 3] dt
其中一个消除直流量的信号与另外两个微分信号之 差相乘 , 即
dφ( t ) B cosφ( t ) B sin φ( t ) +2π/ 3 dt dφ( t ) B sin φ( t ) -2 π /3 dt dφ( t ) = 3 B cos2φ( t ) dt
21112 去直流分量
( 10 ) 、 ( 11 ) 可以得到 由式 ( 9) 、 ( I 1 + I 2 + I 3 ) / 3= A ( 15 )
相位调制全光纤Mach-Zehnder干涉仪传感实验
相位调制全光纤Mach-Zehnder干涉仪传感实验梁昌林;吴念乐;张连芳;王长江【摘要】使用单模石英光纤设计了相位调制全光纤M-Z干涉仪传感实验系统,采用CCD技术显示干涉条纹的空间分布及其移动情况,同时利用光电检测及可逆计数技术实现移动条纹的自动计数.利用该系统进行了光纤温度传感、光纤应变传感原理性实验测试.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2010(030)011【总页数】4页(P1-4)【关键词】光纤;Mach-Zehnder干涉仪;温度传感;应变传感【作者】梁昌林;吴念乐;张连芳;王长江【作者单位】清华大学,实验物理教学中心,北京,100084;清华大学,实验物理教学中心,北京,100084;清华大学,实验物理教学中心,北京,100084;清华大学,实验物理教学中心,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】O436.1随着现代科学技术的发展以及创新型人才培养教育理念的贯彻实施,将现代科学技术的新概念、原理以及相关技术引入实验物理教学具有重要意义.光纤传感是伴随着光导纤维及光通信技术的发展,于20世纪70年代末开始逐渐形成的新型传感技术[1-5].本文通过对光纤传感及干涉测量技术的研究,设计制作了适合于物理实验教学的相位调制全光纤Mach-Zehnder(简记为MZ)干涉传感原理实验测量系统.利用该系统可进行光纤温度传感、应力应变传感等原理性实验教学,以达到使学生了解光纤传感的基本概念及其应用,进一步理解物理学、波导光学等学科的相关原理理论,学习光纤光路的调整和干涉测量技术等实验教学目的.相位调制光纤传感的基本原理是通过被测量与光纤的相互作用,使光纤内传输的光波的相位发生变化即被调制,再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强度的空间分布变化,从而检测出待测的物理量.本文利用单模石英光纤构造具有透明、开放式结构的相位调制全光纤M-Z干涉仪传感实验测量系统,并且采用CCD技术直观显示干涉条纹的空间分布及其移动情况,同时利用光电检测及可逆计数技术实现移动条纹的自动计数.实验装置结构如图1所示,主要包括3部分:全光纤M-Z干涉仪系统、相位调制系统和干涉条纹显示计数系统.全光纤M-Z干涉仪系统主要由光纤耦合透镜和3 dB单模光纤耦合器以及单模光纤构成.M-Z干涉仪的一路光纤作为参考光路,另一路光纤作为传感光路,并在传感光路中设置光纤开放接口,以便于更换传感光纤.两路光纤的光出射口端相互靠近,并固定于暗盒中.整个光纤干涉仪除传感光纤以外,其余部分均置于透明有机玻璃箱体内,并采取必要的减震、隔热等措施,以避免周围环境因素对实验的影响.从He-Ne激光器发出的激光通过光纤耦合透镜及传输光纤后,经3 dB光纤耦合器分成等强度的两束光,分别进入参考光纤和传感光纤.传输过程中保持两束光的偏振态不发生改变.从端口出射的两束光在空间相遇产生干涉,得到明暗相间的干涉条纹. 光的调制是光纤传感的核心.光纤相位调制的基本物理效应包括应力应变效应和温度效应.其中应力应变效应是导致光相位改变的最基本的物理效应.应力应变传感装置结构模型原理如图2所示.厚度为d的横梁对称地放置在中心间距为l、半径为 r的两固定圆柱之间,接触面可沿固定圆柱表面自由滑移.剥去外包层的裸光纤对称地紧贴在横梁一侧表面,并在左右两点固定,2个固定点之间的感应光纤长度为L.利用螺旋测微杆对横梁另一侧表面中点O施加应力,使横梁向固定有光纤的一侧凸起发生弯曲变形.此时横梁的上半部分受到张应力而伸长,下半部分受到压应力而缩短.由于传感光纤紧贴于横梁的表面且与横梁表面固定,因此横梁的弯曲形变对光纤产生应力作用,从而对光的相位产生调制.这时,光纤主要受到横梁弯曲所提供的纵向应力作用,传感光纤L段的改变量应等于横梁上表面L段的表层伸长量.设外力作用下横梁下表面中点O所移动的距离为Δh(可由螺旋测微杆测得).考虑到l≫(d+2r),在Δh较小时,横梁的弯曲面可近似看成圆弧面,上表面L段的表层伸长量可由其几何关系近似得出:对于均匀、各向同性的单模石英光纤,在纵向应力作用下只产生纵向应变效应和弹光效应,泊松效应很弱,可以忽略.因此由弹性光学理论可得到光波相位的改变量为其中λ0为光在真空中的波长,L和n分别为光纤的长度和折射率,ε3=ΔL/L为光纤的纵向应变,P12为光纤光弹性张量的 Pockel系数[2-3].将(1)式代入(2)式,得到光纤温度传感系统由可控热源、温度计、光纤温度传感探头构成.可控热源可以设定所需加热的温度,在室温至100℃范围内提供均匀稳定、干燥的温度场.传感光纤去掉包层后缠绕在圆片金属支架上,置于温度场中.光纤传感的温度效应主要是热胀冷缩造成的光纤几何长度L的改变和温度变化所引起的光纤折射率n的改变,从而导致光纤中光波相位的改变.温度场的作用等效于应力应变场的作用,通常采用下式计算温度效应引起的相位变化其中L(T0)和 n(T0)分别为在 T0温度时光纤的长度和折射率,α1为光纤的线性热膨胀系数,CT为光纤的光学折射率温度系数[3].调制后的光信号必须进行解调,方可得到被测量的信息.由于响应频率的限制,目前光探测器只能探测光强度信号,而不能够直接探测光波的相位信号,因此需要利用光干涉方式,将光波的相位信号转换成强度信号,完成相位的解调才能够进行检测,即干涉测量.干涉测量是相位调制光纤传感的关键技术.利用M-Z干涉仪,可实现相位调制信号的解调.当被测量发生改变时,因调制作用所引起的两相干光之间的相位差Δφ也随之变化.Δφ的变化直接改变了干涉域光强的分布,使得干涉条纹在空间产生移动.相应,如果检测到干涉光强分布的变化就可以确定2束光之间的相位差的变化,根据其对应关系得到待测物理量的大小.因此,对于应变传感,由(3)式可得条纹移动数目N与螺旋测微杆的移动距离Δh之间满足对于温度传感,由(4)式可得条纹移动数目 N与温度T之间满足即条纹移动数目 N与T或Δh间均呈线性关系.干涉条纹计数显示系统由CCD、光电检测电路及自动可逆计数器组成(见图1).干涉域的一部分光经平面反射镜反射后照射到CCD上,CCD采集干涉条纹图像并转换为视频信号,输入显示器放大显示干涉条纹图像及其移动情况;另一部分干涉光直接照射到1对带有狭缝的光电二极管上,进行光电信号检测转换,再经放大、滤波、整形电路处理后送入可逆计数器,自动记录干涉条纹移动的数目.对所制作的全光纤M-Z相位调制干涉传感实验系统进行实验测试.光纤应力应变传感装置结构参量为:d=3.351 mm,L=280.0 mm,l=300.0 mm,2r=5.40 mm.轻轻缓慢旋转螺旋测微杆,每旋进(或后退)0.500 mm记录1次移动条纹计数 N.测微螺杆总的行程为5.500 mm.多次进退重复测量,移动条纹计数N取平均值.采用最小二乘法对 N-h关系进行直线拟合如图3所示,N=65.042(16.648-h),线性相关系数为0.999 96,表明条纹移动数 N与测微杆读数h之间呈线性关系,亦即相位调制改变量Δφ与微应变ΔL呈良好的线性关系,与(3)式结论一致.直线拟合所得斜率为65.042 mm-1,对应相位调制光纤应变传感系数为9.792 rad/μm,即光纤长度每产生1μm形变,有1.558个条纹发生移动.He-Ne激光波长λ0=0.632 8μm,石英传感光纤的参量[2]n(25℃)=1.458,P12=0.274,代入(2)式计算得到相位调制光纤应力应变传感综合系数为10.26 rad/μm.测试结果与理论计算结果相差4.6%,二者基本一致,应变传感装置设计合理.应力应变传感实验测量误差主要来自测试环境因素以及装置加工制作精度的影响.由于传感系统对温度、震动等十分敏感,因此测量过程中环境温度的变化以及气流波动、操作抖动等都会引起测量的随机误差.另外实验装置结构参量 d,l,L以及r等的设计加工精度,也造成了实验测量的系统误差.光纤温度传感测试采用WN Y-150A型数字测温仪来测量热源温度场的温度(最小分度值为0.1℃).从30℃开始,温度每升高5℃记录1次条纹移动数 N,热源最高温度设定在65℃.重复测量5次,取N的平均值.同样采用最小二乘法对 N-T关系进行直线拟合,如图4所示,N=-384.6+12.77 T,线性相关系数为0.999 68,表明条纹移动数 N(对应温度场对光纤相位的调制)与温度T呈良好线性关系,与(6)式的结论一致.直线拟合的斜率为12.77℃-1.考虑到温度传感光纤引入热源的实际分布,合理估计其有效感应长度约为0.550 m,则实验测得的光纤温度传感相位调制灵敏度为145.9 rad/(℃·m),即对于1 m长的光纤,温度每改变1℃,将会移动23.22个条纹.取石英光纤的参量[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)可得光纤温度传感相位调制灵敏度为103.8 rad/(℃·m).实验测得的光纤温度传感相位调制灵敏度远大于按(4)式计算的结果.究其原因主要为:1)传感光纤的有效长度除了置于热源内部的部分之外,还包括处于温度场边缘的部分,因此实际参与温度感应的光纤长度大于处于热源内部的光纤长度;2)传感光纤由于弯曲引起光纤折射率及其分布发生改变,使其随温度的变化特性与自由伸展的光纤折射率变化不一致,从而导致偏离理论关系[6-7];3)传感光纤金属支架的热胀效应对传感光纤产生的应力作用所造成的影响;4)测量过程中由于室内空调、操作者以及恒温热源等的影响使环境温度随时间而发生改变,影响测量结果.因此增加温度感应光纤的有效长度,实验中保持其余光纤光路的温度稳定等对获得准确合理的实验结果非常重要.本文通过对相位调制光纤传感及干涉测量技术的研究,设计制作了相位调制全光纤M-Z干涉传感教学实验测量系统.经过多次实验测试,系统性能稳定,各项指标均达到预期目标.透视化结构使得实验光路及工作原理直观明了,开放的光路便于实验项目的转换和扩充,非常适合于实验教学.干涉条纹图像化显示与移动条纹自动计数二者结合,使得实验现象直观明显,并可实现快速变化或大范围测量的实验过程,无需暗室环境或者借助显微仪器进行观测,教学和实验操作更加方便.应力应变传感装置设计精巧,通过梁的弯曲变形实现了微应变过程,原理简单、完善,可实现定量测量.通过该实验系统的教学,可以激发学生的学习兴趣,使学生了解光纤传感这一现代新型传感测试技术,进一步掌握相关的物理学基本概念和原理,了解光纤相位调制和解调的物理过程与方法,并得到光路调节、实验误差分析、思路扩展等科研技能的基本训练.【相关文献】[1]Grattan K T V,Sun T.Fiber op tic sensor technology:an overview[J].Senso rs and Actuato rs,2000,82:40-61.[2]孙圣和,王廷云,徐颖.光纤测量与传感技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000.[3]苑立波.光纤实验技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2005.[4]姚建永,张森.光纤Mach-Zehnder干涉仪系统[J].大学物理,2008,27(5):37-40.[5]张权,朱玲,孙晴,等.光纤干涉系列实验教学的探索与实践[J].物理实验,2009,29(1):21-23.[6]苑立波.温度和应变对光纤折射率的影响[J].光学学报,1997,17(12):1 713-1 717.[7]蔡春平.光纤折射率的依赖因素[J].应用光学,2000,21(5):13-18.。
光纤Mach--Zehnder干涉传感研究的开题报告
光纤Mach--Zehnder干涉传感研究的开题报告一、选题背景在工业、医疗、环境等领域，传感技术扮演着越来越重要的角色。
针对环境监测、工业质量监测、医疗生物监测，传感技术能够实时、准确的获取各种物理信号。
光纤传感是目前发展较快的一种传感技术，相比于传统的传感方法，它具有传递距离远、干扰小、抗干扰性好的优势。
其中，Mach-Zehnder干涉仪作为传感器的核心部分，具有灵敏度高、精度高、可靠性高的优点，在光纤传感领域得到了广泛应用。
二、选题意义目前，Mach-Zehnder干涉传感技术已经在油田、电力、交通、环保等领域得到了广泛的应用。
在这些领域中，Mach-Zehnder干涉传感器可以检测温度、应力、压力、流速等各种物理量，并对被检测对象进行实时监测和预警。
通过对干涉仪光路的改变，还可以实现多物理量的同时检测，为各行各业提供高效、可靠、可操作化的监控手段，有重要的理论和应用价值。
三、选题目的和内容本文旨在研究光纤Mach-Zehnder干涉传感技术，在此基础上探讨其在物理量检测中的可行性和优势。
具体内容如下：1.理论研究。
介绍Mach-Zehnder干涉原理、光纤传感技术原理，深入探讨其在传感技术中的应用，并以此为基础展开实验研究。
2.实验部分。
设计并建立光纤Mach-Zehnder干涉仪，进行物理量（如温度、加速度、压力等）的检测实验，通过实验结果深入探讨该技术在不同物理量检测中的应用和优势。
3.对比分析。
比较Mach-Zehnder干涉传感技术与其他传感技术在精度、准确性、抗干扰等方面的差异，以此为依据对其应用价值进行评估。
四、预期成果1.建立Mach-Zehnder干涉传感仪的实验平台，检测并分析各种物理量的干涉信号，并对物理量的变化进行实时展示和监测。
2.深入探讨Mach-Zehnder干涉传感技术的优势和不足，并对其应用价值进行评估。
3.为传感技术的发展提供理论和实验依据。
五、研究方法1.理论分析方法：对Mach-Zehnder干涉原理、光纤传感技术原理进行分析和理论推导，研究传感器对物理量的响应机理。
MacH-Zehnder干涉成像光谱仪的光谱反演模型及误差分析的开题报告
MacH-Zehnder干涉成像光谱仪的光谱反演模型及误差分析的开题报告一、研究背景随着光电子技术的不断发展，干涉成像光谱仪成为了光谱研究领域的重要工具。
MacH-Zehnder干涉成像光谱仪是其中一种，它通过分别对比光程不同的光线间的干涉信号来提取出光谱信息。
这种方法可以得到高分辨率、高灵敏度、宽波长范围和高精度的光谱信息，并且可用于各种不同的研究领域。
然而，由于MacH-Zehnder干涉成像光谱仪的成像光谱数据具有复杂的干涉结构，因此需要一个准确的光谱反演模型来分析数据。
此外，光谱反演模型的误差分析也是十分必要的，因为误差可能会对光谱的定量分析造成影响。
因此，本研究将建立MacH-Zehnder干涉成像光谱仪的光谱反演模型，对该模型的误差进行分析，旨在提供一种准确、可靠的方法来分析MacH-Zehnder干涉成像光谱仪的数据。
二、研究目标1. 建立MacH-Zehnder干涉成像光谱仪的光谱反演模型；2. 针对该模型进行误差分析，包括干涉条纹位置测量误差、仪器响应函数误差等；3. 利用数值模拟方法对该模型的准确性和可靠性进行验证。
三、研究方法1. 理论分析方法：根据干涉光谱的物理原理和光学成像原理，建立MacH-Zehnder干涉成像光谱仪的光谱反演模型；2. 实验方法：利用MacH-Zehnder干涉成像光谱仪采集一系列光谱数据，对数据进行处理和分析，验证该模型的准确性和可靠性；3. 数值模拟方法：使用Matlab等数值模拟软件，对该模型进行数值模拟，验证该模型的准确性和可靠性。
四、预期结果1. 成功建立MacH-Zehnder干涉成像光谱仪的光谱反演模型；2. 完成误差分析，对该模型的误差进行评估和控制；3. 验证该模型的准确性和可靠性。
五、研究意义本研究将提供一种准确、可靠的方法来分析MacH-Zehnder干涉成像光谱仪的数据，有助于光谱反演的定量分析和精确测量，对生物医学、材料科学、环境监测等领域具有重要的应用价值。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
摘要：对基于Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的光纤光栅Ｂｒａｇｇ波长解调原理进行了分析，模拟仿真了干涉仪的 输出谱，并讨论了其输出电路的运算形式．实验研究了基于Ｍａｅｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的温度传感系统的波长解 调方案，该系统达到０．７ ｐｍ的波长检测精度．
关键词：光纤光栅；干涉；解调 中图分类号：ＴＮ２５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－８３９５（２００８）０６－０７２１．０３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｏｐＩｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ Ｂｒａｇｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｈｉｆｔ ｂａｓｅｄ ０１１ Ｍａｅｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ａⅢ啦ｒｚｅｄ．
Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｐｅｃｔｒａ ０ｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ａ坨ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｈｉｆｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｕｓｅｄ
将传感光栅放入ＤＦ２０５电热鼓风干燥箱中加 热进行温度传感测试．传感光栅室温时的布拉格波
图６温度传感测试曲线 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｌｌｓｈｌｇ ｃｌｌｒｖｅ
３结语
本文研究了基于全光纤Ｍａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪 的波长解调技术，作为温度等传感器波长检测，具 有较高的分辨率，成本低廉，但其Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干 涉仪的双臂很容易受到环境振动的影响，其稳定性 还有待进一步研究．
位相反的光谱分布．两输出端的光功率可表达为
Ｐ２（Ａ）＝如１＋ｃｏｓ竿ａｔ］Ｐｌ， （６）
收稿日期：２００７—０５—０８ 基金项目：重庆市教委科技项日基金（ＩＬｌ０８１１２０）资助项目 作者简介：罗映样（１９６４－）。男，副教授，主要从事光电子器件、光纤光栅及其应用等方呵的研究
万方数据
四川师范大学学报（自然科学版）
参考文献
［１］Ｍｅｌｌｅ Ｓ Ｍ，“ｕ Ｋ，Ｍｅａｓｕｒｅｓ Ｒ Ｍ．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ％ｃｈｎｏｌｏｇｌＩ Ｌｅｔｔｅｍ，１９９２，４（５）：５１６－５１８． ［２］Ｆｅｒｒｅｉｍ Ｌ Ａ，Ｓａｎｔｏｓ Ｊ Ｌ，Ｆａｒａｈｉ Ｆ．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｈ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９７，９（４）：４８７－４８９． ［３］Ｋｅｒｓｅｙ Ａ Ｄ，ＢｅｒｋｏｆｆＴ Ａ，Ｍｏｄｅ Ｗ Ｗ．Ｏｐｔ Ｌｅｔｔ，１９９３，１８（１６）：１３７０·１３７２． ［４］Ｋｅｍｙ Ａ Ｄ，Ｂｅｒｋｏｆｆ Ｔ Ａ，Ｍｏｒｅｙ Ｗ Ｗ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９２，２８：２３６－２３８．
种运算形式时，输出量与波长变化的线性情况（如
图４）。模拟时所取的参数为：，Ｉ＝１．４４８，Ｌ。一如＝ Ｏ．１ ｍｍ．由图４可见，在１ ５４８．５－１ ５５１ ｌｉｒａ范围内， 采用Ｐ２（Ａ）／Ｐ，（Ａ）作为检测依据，有比较明显的 非线性，而采用（Ｐ２一Ｐ３）／（Ｐ：＋Ｐ、）作为检测依据 时，（Ｐ２一Ｐ３）／（Ｐ：＋Ｐ，）与波长的移动呈现良好的 线性关系．由此可见，对于输出运算方式的选择，应 采用（Ｐ２一Ｐ３）／（Ｐ：＋Ｐ３）的形式．
感光栅上，被传感光栅反射后送人非平衡Ｍ．ｚ干涉仪
中，干涉仪的２、３输出端经光电转换、放大，再通过运
算电路处理，其输出量在一定范围内与波长呈现线性
关系，故其输出量表示了波长的情况．
１．３运算电路形式的选择输出端所采用的电路
运算形式主要有两种：一是取２、３端输出的比值，
即Ｐ２（．）Ｌ）／ｅ３（Ａ）；二是取（Ｐ２一Ｐ３）／（Ｐ２＋Ｐ３）作为 检测对象．下面用Ｍａｆｌａｂ模拟在不同参数下采用两
圈３基于非平衡Ｍ－ｚ干涉仪的波长解调原理图
Ｆｉｇ．３ Ｐｒｉｎｃｉｐｉｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ
ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｏｎｂｌａｎｃｅｄ Ｍ—Ｚ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ
４：…ｌ·¨＾一嘏【Ｐ－Ｐ０７
，．．．，，．．．．．，
一一一∥∥
ａｃｃｕｒａｃｙ∞嘲叩ｔｏ ｊｌＩ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｂｙ麟ｐ谢ｍ明ｔｓ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ
『ｔ‘一１ｊ二后：；／：２ ；２１力（ 。１一７屉ｋ，｛）ｊ１。／２尼Ｊ Ｌ】【ＥＪ’０１】，ｃ·、 ，。
（１）式中口为光纤中基模的传播常数．由此可得２、３ 端的干涉光场为
Ｅ：＝｛￣／（１一ｋ。）（１一ｋ２）ｅｘｐ（一ｊ卢ｚ。）一
ｖ佤。｜｜｝：ｅｘｐ（一ｊｐＺ２）｝Ｅ。，
（２）
Ｅ３＝一ｊ｛ｖ伍２（１一ｋＩ）ｅｘｐ（一豇弛１）＋
／。
／一 ？／７ ，，／一
圈４不同运算形式输出光强比值与波长移动的关系 Ｆｉ晷４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ
ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ
２实验及其结果分析
２．１ Ｍ．ｚ干涉仪的制作 若温度传感器的温度检 测范围设定为１００℃以内，根据实验测得的光纤光栅
范围是ｌ ５２０一ｌ ５６０ ｎｍ．图中实线为端３的模拟输 出，虚线为端２的模拟输出．由图可见，输出光强在
一定范围内与光波长成线性变化．若以光强的大小
为检测对象，其可检测范围是其光强的相位变化
１Ｏ
Ｏ ９ 。￡ ｊ…
ｌ一０｝
Ｏ８ Ｏ７ Ｏ６ Ｏ５ Ｏ４ 隈果尊●目ｉ Ｏ ３ Ｏ２ Ｏｌ ＯＯ
ｌ ｌ
；／
光纤布拉格光栅传感器，由于其自身特点，广 泛应用于各个领域．而怎样去解调出波长的变化， 一直以来是人们研究的热点．目前，应用于光纤布 拉格光栅（ＦＢＧ）谐振波长移位检测的方案主要有 滤波法【１’３Ｉ、干涉法【４引、色散法等．文［３］中利用匹 配光栅解调波长，但是其分辨率不够高．
本文研究的基于全光纤Ｍａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉 仪＿列的波长解调技术，它是通过调整Ｍａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ 干涉仪臂长差，得到具有较陡峭边沿的滤波器，具 有较高的分辨率，成本也很低．本文主要研究其工 作原理，臂长差与测量精度、测量范围的关系，实验 研究了全光纤Ｍａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的输出谱．
万方数据
第６期
罗映祥：基于全光纤Ｍａｔｈ．Ｚｅｌｍｄｅｒ干涉仪的波长解调技术研究
为４．９ Ｕ、最小值为０．１ Ｕ，即可见度为０．９６．在所选 取的波长范围内，光强随波长的增大有所下降，因 其两端输出光强是同步下降的，故采用我们选用的 输出运算形式对结果无影响．
长为ｌ ５４７．９２ ｎｒｎ．实验测得数据见图６所示，线性 拟合直线方程为Ｙ＝Ｏ．０３５ ４ｘ一１．０６０ ５，拟合值舻 ＝０．９９９ ８８，故其线性非常好，与其拟合线有很好的 一致性．电路分辩率为０．００２ ５，则该波长检测装置 可检测０．０７℃，若按光纤光栅的温度敏感度为ｌＯ
温度灵敏度为０．０１ ｎｍ／ｏＣ，得到波长变化范围在ｌ咖
左右，由（８）式可得Ｍ—Ｚ的两臂长度差为厶一厶≤ ０．８２７Ⅱ吼．全光纤Ｍ－Ｚ干涉仪如图１所示，将耦合器１ 的输出端的两尾纤利用光纤切割刀切为一样长，耦合
器２的输人端两尾纤切取约为０．５ ｒ砌长度差，再将它
们进行熔接便得非平衡Ｍ－Ｚ干涉仪． ２．２ Ｍ．ｚ干涉仪输出光谱的测量按图３接好光 路，将Ｍ—ｚ干涉仪固定在一个板上，再放人温控箱 中，以减小温漂．在输出的２、３端先后接上光谱仪， 测得两端的光谱如图５所示，图中Ｐ：即为２端输 出的光功率谱线，Ｂ为３端输出的光功率谱线，两 输出端的光强相位相差１８００，输出的光功率最大值
在下面的分析中，光纤损耗、光纤及耦合器的 耦合熔锥区的偏振效应均忽略不计．在一般情况 下，两干涉臂的几何长度不相等，其相差为Ａｌ＝ｚ。
一ｌ：，假设１端的输入光场为Ｅ，，２、３端的输出光场 分别为如和Ｅ，，则单道马赫一曾德尔干涉仪的传输 矩阵为
肾■∥。。嚣：】×
『ｅｘｐ（一ｊＢｌ－）
ｏ
１×
【０
ｅｘｐ（一ｊＢｔ２）ｌ
１解调原理
１．１ Ｍ．Ｚ干涉仪的输出谱单道的全光纤马赫．曾 德尔干涉仪主要由两个耦合器Ｃ。和Ｃ：构成的，如 图ｌ所示，两耦合器之间的两个臂长分别用Ｚ。和Ｚ： 表示，两耦合器的耦合比分别为ｋ。和ｋ：．
２
３
圈ｌ全光纤Ｍａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪 Ｆｉｇ．１ Ａｌｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ Ｍａｅｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｈｉｆｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｌｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ
ＬＵＯ Ｙｉｎｇ—ｘｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｃｈｏｎｇｑｌｎｇ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｗａｎｚ，ｈｏｕ ４０４０００，ＣＪＩｏｎｇｑ／ｎｇ）
２００８年１１月 第３１卷第６期
四川师范大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｉｅｈｕａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
Ｎｏｖ．，２００８ Ｖ０１．３１，Ｎｏ．６
基于全光纤Ｍａｔｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的 波长解调技术研究
罗映祥
（重庆三峡学院物理与电子工程学院，重庆万州４０４０００）
３ｌ卷
Ｐ３（Ａ）＝÷［１一ｃ０８＿二＇ｌＴｎ△ｚ］Ｐｌ， （７）
二
＾
其中，Ｐ。为输入光功率。而Ｒ、Ｐ３分别为两输出臂 的输出光功率；ｎ为光纤的等效折射率，Ｌ。和厶分 别为两臂光纤的长度，Ａ为光波长．由（６）和（７）式
可知，Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的两端输出归一化光功
率与波长的关系如图２所示．图２的模拟结果所取 参数为：ｒｔ＝１．４４８，￡。一厶＝０．０５ ｍｍ，宽光源波长