内容发布更新时间 : 2024/5/23 0:35:55星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

实验一 光纤干涉及温度变化传感实验

光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的技术之一，与传统传感器相比，它具有频带宽，抗电磁干扰，灵敏度高，体积小，可绕性好，传感组件与电子设备可以隔离较远和能与光纤传输线路相兼容等优点。一般来说，单通道光纤传感影响因素较多，且不易排除，而利用干涉的原理进行测量可以克服这一弱点。现在逐渐发展起来的应用光纤干涉技术的有马赫-曾德尔光纤干涉仪、塞格纳克光纤干涉仪等。光纤干涉仪是一种主要用于检测应用的光纤传感系统，其测量精度比普通光纤传感器的测量精度更高，其用途广泛，不仅有传统干涉仪的功能，还可用于测量温度变化、应力变化、折射率变化、微振动和微位移等。

一、实验目的

1. 掌握光纤的结构和光纤端面的一般处理方法，以及光源与光纤的耦合方法。通过对光纤输出端光斑的观察，了解光场分布模式。 2. 了解光纤马赫—曾德尔干涉仪的结构和特点。 3. 测量温度变化与干涉条纹移动数的关系。

二、实验仪器

光学隔振平台、半导体激光器（波长650nm、功率4mW含二维调整架）、二维可调光分束镜、七自由度光纤耦合调整架（包含聚焦透镜调整架和光纤夹）、半导体致冷温控仪（10~60℃）、CCD摄像头、监视器、光纤座、光纤、光纤刀、光纤涂覆层剥离钳、白屏、磁性表座等。

三、实验原理

马赫—曾德尔光纤干涉仪，一般由一个半导体激光器发出的激光束，经分束镜后一分为二，再分别输出到两个七自由度光纤耦合调整架中的聚焦透镜上进行聚焦，形成干涉光路。调整光纤的方向、距离和位置，使经过处理的光纤端面正好位于透镜焦点处，以使尽量多的激光进入光纤。进入光纤并符合传输条件的激光从光纤的另一端输出，将两条光纤的输出端并拢，形成两个相干点光源，在白屏上二束激光光斑重叠。假设两束光为平面简谐电磁波，其表达式分别为

E1?E10cos(?t??1)，E2?E20cos(?t??2) （41-1）

两束光都是由同一半导体激光器输出的，它们在重叠区发生相干叠加，合成波表达式为

1

????E?E1?E2?E0cos(?t??) （41-2）

222（41-2）式中E0?E10?E20?2E10E20cos??，????2??1。

经过不同路径的两束光有固定的相位差，光强与振幅成平方关系，在重叠区的光强为

I?I1?I2?2I1I2 cos?? （41-3）

两路光在重叠处会形成亮暗相间的平行干涉条纹。此干涉条纹非常细密，以肉眼看很难观察清楚。本实验采用CCD摄像头对干涉条纹进行放大处理，调整摄像头距光纤出光端面的距离和位置，在监视器上可观察到对比适当、宽窄合适的干涉条纹。实验原理如图41-1所示。

1.半导体激光器2.二维可调光分束镜 3. 七自由度光纤耦合调整架（包含聚焦透镜调整架和光纤夹）、4.半导体致冷温控仪5. 光纤座6.CCD摄像头7监视器、8.光纤

图41-1 实验原理图

四、实验内容及步骤

1. 将激光器置于光学平台上，打开电源。调整激光器的俯仰角，使激光束基本平

行于光学平台，固定激光器。

2. 在距离激光器约10cm处，放上分束镜，并调整入射光束与分束镜之间的夹角，

使透射光和反射光的光强大致相等，固定分束镜。

3. 在两束光的光路上分别放上七自由度光纤耦合调整架，使激光束正入射到聚焦

透镜上，并固定耦合调整架。取下光纤夹，将一张白纸放在聚焦透镜后，前后移动白纸，并从光纤夹安装孔中观察激光打在白纸上的情况，记下焦点处的大致位置。

4. 从光纤盘中裁下1~1.5m长的光纤两根，用剥皮钳分别剥下光纤两端约10mm

长的塑料涂覆层，用笔式光纤刀切割光纤，形成平整的光纤端面。注意不要触摸切割后的光纤端面。

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5. 将经过切割处理的光纤放到光纤夹的细槽中，并使光纤伸出4~8mm，压上弹簧

压片，插入耦合架中，使光纤端面大致位于激光焦点处并固定。

6. 调整耦合调整架，使激光耦合进光纤。观察光纤输出端的情况，可看到有红色

激光输出，使输出激光打在白屏上。

7. 反复调整耦合架并观察输出光强和光斑形状的变化，尽量使之最亮并对称（尽

量是基模）。光斑的形状即反映了光场的模式。

8. 按以上方法将另一根光纤同样安装耦合好，并将出光端合并，等长地放在光纤

座上并固定。

9. 在光纤出光端的前方约10cm处放置CCD摄像头并使两光束进入摄像头。打开

监视器电源，可观察到干涉条纹的图像，调节两光路使光纤输出端光强大致相等以及调节CCD以得到清晰的条纹图像。

10. 将其中的一条光纤作为测量臂，固定在半导体致冷片上，压上盖板，准备测

量（致冷片长度为30mm）。

11. 待条纹稳定一段时间后，缓慢调节制冷片的温度并记录下条纹的移动情况。

为了减少误差可多次测量取平均值，求出仪器灵敏度。

12. 使光纤弯曲反复通过致冷片表面，在致冷片上的长度分别为30mm的2、3倍，

重复步骤11的操作，求出灵敏度与敏感长度的关系，计算光纤的热膨胀系数。

五、注意事项

1 使用激光器时注意不要将眼睛直视出射光。

2．在将光纤放入光纤夹前，一定要剔除光纤夹中的残留断光纤。

3、在进行条纹计数时，保持周围环境稳定，空气的扰动会使得条纹移动剧烈而且无规律。 六、讨论及思考题

1．如何判断激光器发出的激光束基本平行于光学平台？

2．在调整光束与分束镜之间的夹角，使透射光和反射光光强大致相等时，为什

么两光束光强比依赖于夹角？

3．要得到清晰的干涉条纹，两路光的光强要接近相同，为什么？

4．我们采用的光纤为光纤通讯用单模光纤，但在这里我们看到的光斑光强分布

并不一定是一个单模高斯分布，为什么？ 5．计算光纤材料石英的热膨胀系数。 *6．为形成稳定的干涉条纹，请设计改进方案。 * 7．设计干涉条纹自动计数方案。

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