第七章-光调制技术2教材

第七章（2）光调制技术§7.3相位调制一、概述利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。其开发应用已有一百多年的历史，广泛应用于高分辨率实验室测量装置。•相位调制的灵敏度极高，据报道，可探测10-14m光程差引起的相位变化（对于0.83μm光波），这相当于一个原子核直径的大小。但是，以自由空间作干涉光路的一般干涉仪，由于其体积大，空气易受环境温度、声波及振动的影响，使干涉测量不稳定、准确度低，同时调整也较困难，故限制了它在一般场合下的实用性。光纤干涉仪的优点用光纤代替自由空间作干涉光路的光纤干涉仪有两个突出的优点：一是减少了干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，并可使干涉仪小型化；二是可以用加长光纤的方法使干涉光路对环境参数的响应灵敏度增加。这样，传统的光学干涉仪从实验室中走了出来，并成为高机械强度和精密灵活的生产现场使用的仪表。二、调制原理相位调制光纤传感器的基本传感原理是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。一般说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变下述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。光纤中传导的光，其相位变化取决于外界物理量产生的光纤波导的下面三个参数的变化。①光纤物理长度的变化（轴向应变伸长、热膨胀引起的伸长、泊松比变化引起长度伸长）②光纤折射系数及分布的变化（温度引起、光弹效应）③光纤横截面几何尺寸的变化（压力、通过泊松比产生的横向应变、热膨胀）影响相位变化的因素为简化分析，假定分析折射率沿其截面分布不变化，则光相位调制则只由光纤长度、折射率大小和横截面尺寸产生。光纤中传播光相位变化可以表示为dnLL——轴向长度变化产生的相位移Lnd影响相位变化的因素d——光纤直径变化产生的相位移n——折射率变化产生的相位移其中（ε1为光纤轴向应变）122LLLnLn2ddLd22（λ为光纤中的传播波长）影响相位变化的因素dd此三个因素中产生的相移表达式比较复杂，与有关，其大小取决于光纤的结构。dnL•外施温度对光纤的热影响是最简单的情况。此时可只考虑温度对长度和折射率变化而忽略温度引起的直径变化。则TTnL2以温度为例rad106因此每米光纤升温一开的光相位移为折射率温度系数KTn/.510680对纯硅材料，热胀温度系数K/.71055PZT相位调制器实现纵向、径向应变最简便的方法是：采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在PZT上施加驱动信号。由于PZT筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力，光波相位将随之变化。压电陶瓷圆柱筒(PZT)施加驱动信号在驱动信号电压约30V、频率为kHz范围、PZT筒直径为2.54cm时，可获得每圈几孤度的相位延迟。光纤相位干涉仪若采用这样的PZT相位调制器可以探测到小至0.1rad的相位变化。PZT相位调制器光纤相位调制器产品介绍：基于低成本光纤围绕PZT设计，典型应用于开环调制，传感模拟和干涉相位调制。该器件的性价比要超过目前世界上所有同类产品，且结构紧凑尺寸小，可配各种光纤接头，易电驱动及安全装简单；这些特点都是源自于我们国外厂家独一无二的多层光纤围绕技术。三、相位调制实用技术1、迈克尔逊干涉仪单色光经分束器分为光强相等的两束光：一束射向固定反射镜，然后反射到分束器，被其透射部分，由探测器接收；另一束入射到可移动反射镜上，然后反射回分束器，经分束器反射的部分也传到探测器；当两路光程差小于激光器的相干长度时，传到探测器的两束光会产生干涉。迈克尔逊干涉仪示意图激光器固定反射镜探测器可移动反射镜调制器迈克尔逊干涉仪这是一种基本形式的干涉仪。除激光器的电源以外，所有的部件都安装在一个平台式的基座上。全光纤迈克尔逊干涉仪为了克服空气受环境条件影响所导致的空气光程的变化，可考虑用全光纤干涉仪结构。图表示迈克尔逊全光纤干涉仪的结构。图中以一个3dB耦合器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件。这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适于现场测量，更接近实用化。02k式中:k0为空气中的光传播常数，2ΔL为两相干光的光程差。002nk两相干光的位相差为可见，可移动反射镜每移动ΔL=λ/2长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，变化一个周期。如果使用He-Ne632.8nm激光，它能检测的位移大致为10-7μm，即0.63×10-13m的位移。全光纤迈克尔逊干涉仪2.马赫－泽德(曾德尔)干涉仪图是马赫—泽德干涉仪的原理图。它与迈克尔逊干涉仪有一些相同之处。同样，从激光器输出的光束先分后合。两束光由可动反射镜的位移引起相位差，并在光探测器上产生干涉。这种干涉仪也能探测小至10-14m的位移。马赫－泽德干涉仪示意图固定反射镜光源探测器可移动反射镜与迈克尔逊干涉仪之区别1、它没有或很少有光返回到激光器，返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。2、由图可以看到，从分束器2向上还有另外两束光，一束是上面水平光束的反射部分，另一束是垂直光束的透射部分。如果需要，也可以用这两束光的干涉光强获得第二个输出信号。这在一些应用上是很方便的。第二个输出信号马赫—泽德全光纤干涉仪作为一个工程实用的传感器，最好采用全光纤干涉仪。图表示马赫—泽德全光纤干涉仪的基本结构，以这个基本结构为基础还有很多变形结构。它的两个臂都使用光纤，且光的分路与合路也都是用3dB光纤耦合器。其优点是体积小，且机械性能稳定。当然，重要的是要解决好光纤耦合器的工艺和稳定性问题。需要保证两光纤臂间的正交状态保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所谓“正交状态”，是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为90°。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。参考臂可采用PZT圆筒图中参考臂可采用PZT圆筒，通过闭环反馈激励来保证正交条件。这种结构的缺点是，PZT的相位调节范围只有2π，因此当所需校正的相位漂移超出该范围时，系统将有一个瞬态输出。相位漂移主要是由温度变化引起的。因此，该系统要求环境温差不能太大。三、赛格纳克(Sagnac)光纤干涉仪图为赛格纳克干涉仪的原理图。它是利用赛格纳克效应构成的一种干涉仪。激光器输出的光由分束器分为反射和透射两部分，这两束光由反射镜的反射形成传播方向相反的闭合光路；然后在分束器上会合，被送入光探测器中，同时也有一部分返回激光器。塞格纳克干涉仪光源探测器塞格纳克干涉仪的特点这种干涉仪的特点是，激光束分为反射和透射两束沿相反方向传播，最后汇合到分束器回到探测器。在这种干涉仪中，任何一块反射镜在垂直表面的方向上移动，两束光的光程变化皆相等，因此，根据双光束干涉的原理，不会在探测器上探测到光强之变化。但是，当将此装置置于一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速度Ω转动时，由于塞格纳克效应，两束传播方向相反的光就会有不同的延迟。赛格纳克效应的转动光程差当封闭的光路相对于惯性空间有一转动角速度Ω时，顺时针光路和逆时针光路之间将形成与转速成正比的光程差ΔL，其数值满足关系ΔL＝(4A/c)Ωcosφ式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积；φ为角速度矢量与面积A的法线间的夹角。当光路平面垂直于Ω时，上式简化为ΔL＝(4A/c)Ω这种闭合光路的正、反向光路光程差随转速改变的现象称作赛格纳克效应。图给出这一效应的图解说明，可以看出当光路以Ω顺时针转动时，从光路上一点发出的顺时针光束在绕光路一周重新回到点时要多走一段光程，而反时针光束却少走一段光程，于是形成了光程差。赛格纳克效应的转动光程差这种光程差的量值甚微，例如采用A＝100cm2的环形光路对地球自转的速度为ΩE＝7.3×l0-5rad/s，相应的ΔL仅为10-12cm。只有利用环形干涉仪或环形激光器才有可能通过检测双向光路的微小频差得到这一角速度。CA08式中Ω―旋转角速度，A―光路围成的面积，C―光速，λ0—真空光波长。这样，通过检测光强变化，可知旋转速度，这种技术是设计导航系统中环形光纤陀螺的基础。若平台以顺时针方向以速度Ω转动，则在顺时针方向传播的光较反时针方向延迟大，此相位延迟是可表为：塞格纳克干涉仪的特点四、Fabry—Perot干涉仪下图是法布里—珀罗干涉仪的原理图。它由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达95％以上。由激光器输出的光束入射到干涉仪，在两个相对的反射镜表面作多次往返，透射出去的平行光束由光探测器接收。这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是，前几种干涉仪都是双光束干涉，而法布里—珀罗干涉仪是多光束干涉。参考镜测量镜传感器Fabry—Perot干涉仪结构法布里—珀罗干涉仪的原理根据多光束干涉的原理，探测器上探测到的干涉光强的变化为2sin141220RRII式中，R是反射镜的反射率；φ是相邻光束间的相位差。由上式可知，当反射镜的反射率R值一定时，透射的干涉光强随φ变化。当中φ=2nπ(n为整数)时，干涉光强有最大值。可见，R越大，干涉光强变化愈显著，分辨率愈高，这是此技术的最大特点，它是最灵敏的位移测量装置。2sin)1(41220RRII当φ=π,3π,5π…,(2m+1)π时，干涉光强有最小值：[(1-R)/(1+R)]2I0；透射的干涉光强最大与最小之比为[(1-R)/(1+R)]2。可见，当R一定时，干涉光强随φ而变；当φ=0,2π,4π…,2mπ时，干涉光强有最大值I0；法布里—珀罗光纤干涉仪法布里—珀罗光纤干涉仪如图所示。它与一般法布里—珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替了空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替了以传感器控制反射镜移动调相。光纤法布里—珀罗滤光技术根据光学原理，假设有一束平行光以θ角倾斜入射到法布里—珀罗标准具上，则当波长满足下条件时m00,...2,1cos20mmdnmd是法布里—珀罗标准具厚度；n’是标准具平行板内的介质折射率；φ是反射光的相位跃变。透射光或反射光的强度达到极大值，其中从上式可以看出，当外界物理因素使标准具的厚度d或介质折射率n'改变时，透射带或反射带的波长λ0(m)将会随之改变。这样，标准具就成了一个有多个透射带(或反射带)的滤光器。利用这一原理，可制成法布里珀罗颜色探头。法布里珀罗颜色探头,...,cos2120mmdnm图是一种带有微型计算机的波长调制光纤传感器。由光源发出白光，光由大芯径光纤送入标准具传感探头；法布里珀罗颜色探头法—珀标准具传感探头然后由光纤收集反射光并送入棱镜分光计；通过分光，在电荷耦合器件探测阵列上检测到不同波长的光强度。一旦被测物理量发生变化，法布里—珀罗标准具的间隔厚度就会随之变化，从而引起了反射带峰值所对应的波长移动，微型计算机通过程序的运行把变化结果表示出来。法布里珀罗颜色探头光强信息输入到微型计算机，经处理后得到测量结果。五、相位压缩原理及微分干涉仪上面提到的马赫—泽德、迈克尔逊、赛格纳克、法布里—珀罗干涉仪是四种普通的干涉仪，它们都有几个共同的缺点：对温度敏感，需要长相干长度的光源、信号处理电路复杂。另外，由于它们的干涉项是两束或多束干涉光和位差的余弦函数，这就限制了它们的线性输出范围。一般的双光束干涉仪为了得到最大的灵敏度，常工作在正交状态，这就意味着把干涉项的余弦函数转变成了正弦函数。相位压缩原理的提出如果把输出相