CN108692749B - 基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量装置及方法 - Google Patents

基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振干涉的马赫‑曾德干涉仪光程差测量装置及方法，包括包括光源(1)、起偏器(2)、第一至第六保偏光纤(3)(5)(6)(7)(8)(10)、第一、第二保偏耦合器(4)(9)、沃拉斯顿棱镜(11)，第一、第二光电探测器(12)(13)、数字采集卡(14)和处理系统(15)。将光源(1)输出光由起偏器(2)起偏，经过第一保偏耦合器(4)被分成两束线偏振光，两束线偏振光分别进入马赫‑曾德干涉仪两臂即第二、第三保偏光纤(5)(6)，输出偏振方向分别对应于第四、第五保偏光纤(7)(8)的快轴和慢轴方向的两组偏振光，通过调节第四、第五保偏光纤(7)(8)的长度，使得两组偏振光的相位差为π/2；采用正交相位解调法计算出相位。

Description

基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于偏振干涉技术的光纤马赫-曾德干涉仪光程差的测量装置及方法。
背景技术
光纤马赫-曾德干涉仪作为光纤传感器的一种，具有灵敏度高、抗电磁干扰、防火防爆和耐腐蚀等优点，通过测量两路光程差实现传感测量，主要应用于温度和应力传感；引入偏振态后，也常用来测量晶体的电光系数、线偏振度、椭圆度等特性。
2007年Tu Xiaoguang等人(Tu Xiaoguang,Zhao Lei,Chen Ping,et al.“Electro-Optical Effect Measurement of Thin-Film Material Using PM FiberMach-Zehnder Interferometer.”Chinese Journal of Semiconductors.1012(2007))提出采用保偏光纤马赫-曾德干涉仪测量薄膜材料的电光系数，将施加了外电压的薄膜材料插入样品臂，由外界电场引入了相位变化，与另一参考臂相比产生了相位差，光电二极管探测出干涉信号光强的规律性变化，采用强度解调的方法实现了对相位差的解调，从而计算出材料的电光系数。但是这种方法为保证测量到的光强与光程差的一一对应关系，只能在四分之一周期的线性区内进行测量，一旦超过该范围会降低传感器的灵敏度，甚至出现干涉级次误判，导致信号严重失真无法解调。2007年Yuan L等人(Yuan L,Wen Q,Liu C,etal.“Twin multiplexing strain sensing array based on a low-coherence fiberoptic Mach–Zehnder interferometer.”Sensors&Actuators A Physical.152(2007))采用低相干干涉法解决测量区域仅在线性区的问题，在传感臂上微小应变将导致相位变化，采用多个3dB耦合器组成应变传感阵列，利用光路匹配技术实现光程差匹配，光电二极管探测出干涉信号，解调出光程变化，计算出应变量。但是这类方法采用的宽带光相干长度较小，需要进行光程差匹配才能产生干涉信号，其解调系统较为复杂，响应速度较慢。
发明内容
在对传统的马赫-曾德干涉仪的研究基础上，本发明提出了一种基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量装置及方法，通过改变保偏光纤的长度调节偏振态，确保了两组干涉信号相位的正交，实现不同波长窄线宽光源的光纤光程差高精度实时测量。
本发明提出了一种基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量装置该装置，包括光源1、起偏器2、第一至第六保偏光纤3、5、6、7、8、10、第一、第二保偏耦合器4、9、沃拉斯顿棱镜11，第一、第二光电探测器12、13、数字采集卡14和处理系统15；其中：
光源1的输出端连接起偏器2的输入端；所述起偏器2的输出端经第一保偏光纤3连接所述第一保偏耦合器4的输入端；经所述第一保偏耦合器4的输出端分成两路，这两路上的第二、第三保偏光纤5、6构成马赫-曾德干涉仪两臂：一路由第三、第五保偏光纤6、8成45°角连接后，再连接所述第二保偏耦合器9；另一路经第二、第四保偏光纤5、7成45°角连接后，再连接所述第二保偏耦合器9；所述第二保偏耦合器9的输出端经第六保偏光纤10连接所述沃拉斯顿棱镜11的输入端；所述沃拉斯顿棱镜(11)分别有两个输出端，分别连接所述第一、第二光电探测器12、13，所述第一、第二光电探测器12、13的输出端连接所述数字采集卡14；所述数字采集卡14连接所述处理系统15；
所述光源1，采用窄线宽激光器，用于提供脉宽小于0.1nm的相干光信号；
所述起偏器2，用于对光源1发出的相干光信号进行起偏，偏振方向与保偏光纤主轴一致；
所述第一至第六保偏光纤3、5、6、7、8、10，用于传输偏振光；
所述第一、第二保偏耦合器4、9，用于将相干光信号进行分路或合路，传输两个正交的线偏振光，并保持各自的偏振态不变；
所述沃拉斯顿棱镜11，用于将入射光分成两束正交的线偏振光出射；
所述第一、第二光电探测器12、13，分别接收两组线偏振光干涉信号，并将光信号转化为电信号；
所述数字采集卡14，对所述第一、第二光电探测器12、13的电压信号进行采集，得到采集信号；
所述处理系统15，对采集信号进行处理，最终解调出相位信息。
本发明的一种基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量方法，该方法具体实现过程如下：
将光源1输出光由起偏器2)起偏，经过第一保偏耦合器4被分成两束线偏振光，两束线偏振光分别进入马赫-曾德干涉仪两臂即第二、第三保偏光纤5、6，输出偏振方向分别对应于第四、第五保偏光纤7、8的快轴和慢轴方向的两组偏振光，通过调节第四、第五保偏光纤7、8的长度，使得两组偏振光的相位差为π/2；
两组偏振光由第二保偏耦合器9耦合后，在沃拉斯顿棱镜11处发生干涉，形成两组正交干涉信号；
将上述的两组正交干涉信号转化为电信号；
上述电信号进入处理系统15，采用正交相位解调法进行解调，得到相对相位差，根据相对相位差结果解调出绝对相位差；再根据绝对相位差计算得到光程差，具体包括以下处理：
将两路光电探测器探测到的干涉信号表示为
Figure GDA0002178277500000031
Figure GDA0002178277500000032
其中，I1是对应于经保偏光纤L2和L4中的光强强度，I2是对应于经保偏光纤L3和L5中的光强强度，
Figure GDA0002178277500000041
是快轴方向两路光的相对相位差，
Figure GDA0002178277500000042
是慢轴方向两路光的相对相位差，
Figure GDA0002178277500000043
作为相对相位差在(-π,π)之内周期变化；
基于
Figure GDA0002178277500000044
的正交相位关系，对f1、f2进行预处理，去掉常数项I1+I2以及系数
Figure GDA0002178277500000045
得到：
Figure GDA0002178277500000046
Figure GDA0002178277500000047
令
Figure GDA0002178277500000048
则有：
Figure GDA0002178277500000049
Figure GDA00021782775000000410
Figure GDA00021782775000000411
其中，g1表示快轴方向两路光的干涉信号的交流变化量，即对相位差
Figure GDA00021782775000000412
求正弦函数，g2表示慢轴方向两路光的干涉信号的交流变化量，即对相位差
Figure GDA00021782775000000413
求余弦函数，
Figure GDA00021782775000000414
表示由快轴和慢轴方向的两路正交干涉信号解调出在(-π,π)之内周期变化的相对相位差；
在相位变化小于或等于2π时，根据
Figure GDA00021782775000000415
利用四象限反正切方法得到待测相对相位差为
Figure GDA00021782775000000416
在相位变化大于2π时，待测相对相位差为
Figure GDA00021782775000000417
其中，k表示干涉条纹变化的方向和数值且k为整数；数值由干涉条纹变化数决定，正、负对应条纹冒出或消失决定。
通过待测相位差
Figure GDA0002178277500000051
求解光程变化量，可以得出其光程变化量为
Figure GDA0002178277500000052
与现有技术相比，本发明在装置中采用了结构简单的解调系统，解调速度快，且不局限在线性区内，可以实现光程差信息的高精度实时测量；
同时能够检测相位的变化趋势和干涉信号条纹移动的峰值数量，实现对光纤光程差的测量。
附图说明
图1为基于偏振干涉技术的光纤马赫-曾德干涉仪光程差测量装置；
图2为两路光电探测器接收的正交干涉信号光的强度模拟图；
图3为正交干涉信号解调出在(-π,π)之内周期变化的相对相位差；
图4为相对相位差结果解调出的绝对相位差；
图5为绝对相位差计算出来的光程差。
附图标记：1、光源，2、起偏器，3、第一保偏光纤L1，4、第一保偏耦合器，5、第二保偏光纤L2，6、第三保偏光纤L3，7、第四保偏光纤L4，8、第五保偏光纤L5，9、第二保偏耦合器，10、第六保偏光纤L6，11、沃拉斯顿棱镜，12、第一光电探测器，13、第二光电探测器，14、数字采集卡，15、处理系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。
如图1所示，为本发明基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量装置。
窄线宽激光器光源1，采用窄线宽激光器，能够提供高质量的相干光；
保偏光纤：可以保持其内部传输的光的偏振态，用来传输偏振光；
起偏器：用来对光源发出的信号光进行起偏，偏振方向与保偏光纤主轴一致，保证其在保偏光纤内以线偏光传输；
保偏耦合器：用来将窄线宽光源发出的光进行分路或合路，能稳定地传输两个正交的线偏振光，并保持各自的偏振态不变；
沃拉斯顿棱镜：将入射光分成两束正交的线偏振光出射；
光电探测器：分别接收两组干涉信号，并将光信号转化为电信号；
数字采集卡：对两个光电探测器的电压信号进行采集，并送入处理系统；
处理系统：对数据采集卡送入的采集信号进行处理，最终解调出相位信息。
窄线宽激光器光源1输出的光由起偏器2起偏，经过第一保偏耦合器4分成两束线偏振光分别进入马赫-曾德干涉仪两臂即保偏光纤L2和L3，并将保偏光纤L2和L4光轴成45°角连接，保偏光纤L3和L5成45°角连接，使输出的偏振光的偏振方向分别对应于保偏光纤L4和L5的快轴和慢轴，通过调节L4和L5的长度使这两组干涉信号相位差为π/2，这样形成cos和sin两组正交干涉信号，由第二保偏耦合器9耦合进一起，在沃拉斯顿棱镜11处发生干涉，并且由沃拉斯顿棱镜11将快轴和慢轴两组干涉信号分开，由不同光电探测器12和13分别接收，将光信号转化为电信号，由数字采集卡14采集电信号送入处理系统15进行解调。
实施例2：第二种基于偏振干涉技术的光纤马赫-曾德干涉仪光程差测量方法的具体实施方式
上述基于偏振干涉技术的光纤马赫-曾德干涉仪光程差测量装置的解调过程如下：
窄线宽激光器光源1输出的光由起偏器2起偏，经过第一保偏耦合器4分成两束线偏振光分别进入马赫-曾德干涉仪两臂即保偏光纤L2和L3，并将保偏光纤L2和L4光轴成45°角连接，保偏光纤L3和L5成45°角连接，使输出的偏振光的偏振方向分别对应于保偏光纤L4和L5的快轴和慢轴，通过调节L4和L5的长度使这两组干涉信号相位差为π/2，这样形成cos和sin两组干涉信号，由第二保偏耦合器9耦合进一起，在沃拉斯顿棱镜11处发生干涉，并且由沃拉斯顿棱镜11将快轴和慢轴两组干涉信号分开，由不同光电探测器12和13分别接收，将光信号转化为电信号，由数字采集卡14采集电信号送入处理系统15进行解调。
采用正交相位解调法来计算出干涉信号的相位，采集卡采集的两路干涉信号分别为
Figure GDA0002178277500000071
基于正交相位关系，并对其进行预处理得到
Figure GDA0002178277500000072
如图2所示，即为模拟的光电探测器接收的两路正交信号的干涉条纹。再将二者相除得到
Figure GDA0002178277500000073
通过对其进行四象限反正切计算，将待测相位
Figure GDA0002178277500000074
测出来，这里由于四象限反正切函数解调局限于(-π,π)内，只能解调出一个周期，即2π以内的相位信息，如图3所示，为由正交干涉信号解调出在(-π,π)之内周期变化的相对相位差
Figure GDA0002178277500000075
在相位变化大于2π时，需要其他信息来判断总光程的变化量。考虑到干涉信号每冒出或消失一个条纹，相位变化为2π或-2π，由此将沃拉斯顿棱镜11输出的干涉光信号的相位变化量记为2kπ。其中k的数值由条纹变化数决定(这里k为整数)，正负由条纹冒出或消失决定，代表了干涉条纹变化的方向和数值。
综合这些判断依据，计算出沃拉斯顿棱镜11输出的干涉光信号中的相位变化量为
Figure GDA0002178277500000076
如图4所示，为相对相位差结果解调出的绝对相位差，其光程变化量为
Figure GDA0002178277500000081
如图5所示，为绝对相位差计算出来的光程差，最终结果证明该方法能够实现对光纤光程差的测量。

Claims (2)

1.一种基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、起偏器(2)、第一至第六保偏光纤(3)(5)(6)(7)(8)(10)、第一、第二保偏耦合器(4)(9)、沃拉斯顿棱镜(11)，第一、第二光电探测器(12)(13)、数字采集卡(14)和处理系统(15)；其中：
光源(1)的输出端连接起偏器(2)的输入端；所述起偏器(2)的输出端经第一保偏光纤(3)连接所述第一保偏耦合器(4)的输入端；经所述第一保偏耦合器(4)的输出端分成两路，这两路上的第二、第三保偏光纤(5)(6)构成马赫-曾德干涉仪两臂：一路由第三、第五保偏光纤(6)(8)成45°角连接后，再连接所述第二保偏耦合器(9)；另一路经第二、第四保偏光纤(5)(7)成45°角连接后，再连接所述第二保偏耦合器(9)；所述第二保偏耦合器(9)的输出端经第六保偏光纤(10)连接所述沃拉斯顿棱镜(11)的输入端；所述沃拉斯顿棱镜(11)分别有两个输出端，分别连接所述第一、第二光电探测器(12)(13)，所述第一、第二光电探测器(12)(13)的输出端连接所述数字采集卡(14)；所述数字采集卡(14)连接所述处理系统(15)；
所述光源(1)，采用窄线宽激光器，用于提供线宽小于0.1nm的相干光信号；
所述起偏器(2)，用于对光源(1)发出的相干光信号进行起偏，偏振方向与保偏光纤主轴一致；
所述第一至第六保偏光纤(3)(5)(6)(7)(8)(10)，用于传输偏振光；
所述第一、第二保偏耦合器(4)(9)，用于将相干光信号进行分路或合路，传输两个正交的线偏振光，并保持各自的偏振态不变；
所述沃拉斯顿棱镜(11)，用于将入射光分成两束正交的线偏振光出射；
所述第一、第二光电探测器(12)(13)，分别接收两组线偏振光干涉信号，并将光信号转化为电信号；
所述数字采集卡(14)，对所述第一、第二光电探测器(12)(13)的电压信号进行采集，得到采集信号；
所述处理系统(15)，对采集信号进行处理，最终解调出相位信息。
2.一种基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量方法，其特征在于，该方法的具体实现过程如下：
将光源(1)输出光由起偏器(2)起偏，经过第一保偏耦合器(4)被分成两束线偏振光，两束线偏振光分别进入马赫-曾德干涉仪两臂即第二、第三保偏光纤(5)(6)，输出偏振方向分别对应于第四、第五保偏光纤(7)(8)的快轴和慢轴方向的两组偏振光，通过调节第四、第五保偏光纤(7)(8)的长度，使得两组偏振光的相位差为π/2；
两组偏振光由第二保偏耦合器(9)耦合后，在沃拉斯顿棱镜(11)处发生干涉，形成两组正交干涉信号；
将上述的两组正交干涉信号转化为电信号；
上述电信号进入处理系统(15)，采用正交相位解调法进行解调，得到相对相位差，根据相对相位差结果解调出绝对相位差；再根据绝对相位差计算得到光程差，具体包括以下处理：
将两路光电探测器探测到的干涉信号表示为：
Figure FDA0002178277490000021
Figure FDA0002178277490000022
其中，I1是对应于经保偏光纤L2和L4中的光强强度，I2是对应于经保偏光纤L3和L5中的光强强度，
Figure FDA0002178277490000023
是快轴方向两路光的相对相位差，
Figure FDA0002178277490000024
是慢轴方向两路光的相对相位差，
Figure FDA0002178277490000025
作为相对相位差在(-π,π)之内周期变化；
基于
Figure FDA0002178277490000026
的正交相位关系，对两路光电探测器探测到的干涉信号f1、f2进行预处理，去掉常数项I1+I2以及系数
Figure FDA0002178277490000027
得到：
Figure FDA0002178277490000031
Figure FDA0002178277490000032
令
Figure FDA0002178277490000033
则有
Figure FDA0002178277490000034
Figure FDA0002178277490000035
Figure FDA0002178277490000036
其中，g1表示快轴方向两路光的干涉信号的交流变化量，即对相位差
Figure FDA0002178277490000037
求正弦函数，g2表示慢轴方向两路光的干涉信号的交流变化量，即对相位差
Figure FDA0002178277490000038
求余弦函数，
Figure FDA0002178277490000039
表示由快轴和慢轴方向的两路正交干涉信号解调出在(-π,π)之内周期变化的相对相位差；
在相位变化小于或等于2π时，根据
Figure FDA00021782774900000310
利用四象限反正切方法得到待测相对相位差为
Figure FDA00021782774900000311
在相位变化大于2π时，待测相对相位差为
Figure FDA00021782774900000312
其中，k表示干涉条纹变化的方向和数值且k为整数；数值由干涉条纹变化数决定，正、负对应条纹冒出或消失决定；
由待测相位差
Figure FDA00021782774900000313
求解光程变化量，得出其光程变化量为
Figure FDA00021782774900000314
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