CN109901341A - 基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于宽带光纤准直器的分波前马赫‑曾德干涉仪及方法，属于光纤干涉仪技术领域，包括依次设置的第一光纤、第一光纤准直器、第二光纤准直器和第二光纤，其中第一光纤准直器连接在第一光纤的后方，第一光纤准直器与第二光纤准直器的中心轴线在一条直线上，且第一光纤准直器和第二光纤准直器之间设有透明膜，第二光纤连接在第二光纤准直器的后方，使用光纤准直器实现对光纤端面出射的宽带发散光束的准直，由于宽带平行高斯光束的直径相对于单模光纤的模场直径被显著扩大，可以极大抑制衍射与散射损耗。当把透明膜沿垂直于光线传播方向插入扩束后的光束，可以得到可见度很大，损耗很小的高质量干涉光谱。

Description

基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪及方法

技术领域

本发明涉及一种基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪及方法，属于光纤干涉仪技术领域。

背景技术

光纤马赫-曾德干涉仪是最常用的光纤干涉仪之一，在光学相干层析成像，光开关，调制器，滤波器，以及物理、化学、生物传感等领域具有广泛的应用。然而，与光纤菲佐干涉仪、光纤法布里-波罗干涉仪相比，光纤马赫-曾德干涉仪具有两个独立的干涉臂，易受外部干扰，不利于维持长期稳定。近些年，对外界扰动不敏感的在线光纤马赫-曾德干涉仪的研究，国内外都有众多非常吸引人的设计方案被提了出来。

然而，这些光纤马赫-曾德干涉仪在实际应用中仍然具有许多缺点或障碍。绝大多数设计需要非常精细的制作，但它们不能保证良好的再现性；一些设计基于光纤芯模与包层模式的干涉，产生非常复杂的干涉光谱，条纹分布极不稳定；有的设计对外界折射率不敏感，应用范围小；有的结构极其脆弱，操作难度大，而且不能重复利用；有的插入损耗极大，导致光谱分辨率不能令人满意。

需要强调的是，插入损耗大是众多外界扰动不敏感的光纤马赫-曾德干涉仪面临的一个重大难题。由于插入损耗大，为了提高干涉仪光谱的信噪比，必须加大光谱采样波长间隔，导致干涉光谱的分辨率低。虽然已经有灵敏度非常高的光纤马赫-曾德干涉仪被设计出来，但是该干涉仪的光功率损耗超过95％，受到低分辨率的限制，干涉仪被用于折射率测量时，传感能力并不强。而且也存在光谱质量差，结构脆弱的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪及方法，解决了现有技术中出现的问题。

本发明所述的基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪及方法，包括依次设置的第一光纤、第一光纤准直器、第二光纤准直器和第二光纤，其中第一光纤准直器连接在第一光纤的后方，第一光纤准直器与第二光纤准直器的中心轴线在一条直线上，且第一光纤准直器和第二光纤准直器之间设有透明膜，第二光纤连接在第二光纤准直器的后方。

所述的透明膜的两个透光面与第一光纤准直器和第二光纤准直器的中心轴线垂直，并且透明膜部分遮挡第一光纤准直器和第二光纤准直器的端面。

所述的第一光纤准直器和第二光纤准直器为宽带光纤准直器，宽带光纤准直器为渐变折射率格林透镜或球面透镜。

所述的第一光纤和第二光纤为单模光纤。

一种基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪及方法的实现方法，所述的方法包括以下步骤：

①第一光纤出射的宽带发散光束入射到第一光纤准直器，第一光纤准直器把宽带发散光束转变为宽带平行高斯光束，并入射到透明膜；

②透明膜的两个透光面与平行高斯光束的传播方向垂直，可以把宽带平行高斯光束的波前分割，波前被分割的宽带平行高斯光束入射到第二光纤准直器；

③经过第二光纤准直器的高斯光束被会聚进入第二光纤，构造出一个分波前光纤马赫-曾德干涉仪。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明所述的基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪及方法，使用光纤准直器，实现对光纤端面出射的宽带发散光束的准直，由于宽带平行高斯光束的直径相对于单模光纤的模场直径被显著扩大，可以极大抑制衍射与散射损耗。当把透明膜沿垂直于光线传播方向插入扩束后的光束，可以得到可见度很大，损耗很小的高质量干涉光谱。

由于使用光纤准直器对光纤端面的发散光束进行准直，使得单模光纤端面的巨大发散损耗得到很好的抑制。另外，由于平行高斯光束的直径相对于单模光纤的模场直径被显著扩大，可以极大抑制衍射与散射损耗。基于宽带光纤准直器搭建的光纤马赫-曾德干涉仪的插入损耗得到极大改善，有利于获得高分辨率光谱。此外，宽带光纤准直器的工作带宽超过390nm，从而保证该光纤马赫-曾德干涉仪具有非常大的动态范围与灵敏度。实验和理论证明，该光纤马赫-曾德干涉仪是基于多光束干涉，产生两种类型的平滑干涉光谱，光谱质量高，并具有很好的稳定性与鲁棒性，保证其可以被重复利用。

干涉系统结构简单，鲁棒性好，稳定性好，能够重复利用；由于损耗很小，为获得高分辨率的干涉光谱提供保障；利用工作带宽大的宽带光纤准直器，有利于获得高灵敏度的干涉仪；透明膜及宽带光纤准直器都可以按照标准批量制造，保证了干涉仪光谱具有非常好的再现性，也可以批量制作。

附图说明

图1为基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪及方法原理图；

图2为利用COMSOLMultiphysics模拟的，在空气中将一片PET薄膜插入高斯光束后的电场分布图；

图3为PET膜插入高斯光束过程中，光纤马赫-曾德干涉仪的透射光谱变化图；

图4为光纤马赫-曾德干涉仪的相对透射谱图；

图中：1、第一光纤；2、第一光纤准直器；3、透明膜；4、第二光纤准直器；5、第二光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

实施例1：

如图1-4所示，本发明所述的基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪及方法，包括依次设置的第一光纤1、第一光纤准直器2、第二光纤准直器4和第二光纤5，其中第一光纤准直器2连接在第一光纤1的后方，第一光纤准直器2与第二光纤准直器4的中心轴线在一条直线上，且第一光纤准直器2和第二光纤准直器4之间设有透明膜3，第二光纤5连接在第二光纤准直器4的后方。

为了进一步说明上述实施例，透明膜3的两个透光面与第一光纤准直器2和第二光纤准直器4的中心轴线垂直，并且透明膜3部分遮挡第一光纤准直器2和第二光纤准直器4的端面。

为了进一步说明上述实施例，第一光纤准直器2和第二光纤准直器4为宽带光纤准直器，宽带光纤准直器为渐变折射率格林透镜或球面透镜。

为了进一步说明上述实施例，第一光纤1和第二光纤5为单模光纤。

为了进一步说明上述实施例，作为优选，透明膜3采用PET膜，但是本发明不局限于PET膜，所有透明的膜体结构都可以适用。

本实施例的工作原理为：

如图1所示，第一光纤1出射的宽带发散光束入射到第一光纤准直器2；第一光纤准直器2把宽带发散光束转变为宽带平行高斯光束，并入射到透明膜3；透明膜3的两个透光面与平行高斯光束的传播方向垂直，可以把宽带平行高斯光束的波前分割；波前被分割的宽带平行高斯光束入射到第二光纤准直器4，并被会聚进入第二光纤5，构造出一个分波前光纤马赫-曾德干涉仪。

如图2所示，此处以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜来代表透明膜3，解释透明膜3对宽带平行高斯光束波前的分割。在空气中将一片PET薄膜插入宽带平行高斯光束，PET膜的两个透光面与光线传播方向垂直。宽带平行高斯光束在PET膜的边沿处将发生衍射，利用COMSOLMultiphysics模拟的衍射光电场分布如图2所示。从图中可以看出，PET膜确实引起了光场衍射，产生衍射条纹。衍射条纹级别越高，具有越大的发散角。第二光纤准直器4只能把具有较小发散角的衍射光会聚进入第二光纤5，具有较大发散角的衍射光将引起光强损耗。

本发明定义衍射光束的衍射级别，如图2所示：如果衍射光束分布在PET膜边沿的上方，则衍射级为正；反之，衍射级为负。第j阶衍射光束的电场可表示为：

E_j＝A_j·exp[iφ_j(n_j,λ,l_j)],j＝±1,±2…(1)

其中，Aj是电场的幅度，是相位，nj是折射率，λ是光波长，lj是光线长度。如果j大于零，则nj是空气的折射率nair。反之，nj是PET膜的折射率nPET。光纤马赫-曾德干涉仪的干涉光强度I表示为：

把需要指出的是，在公式(2)中，忽略了由在PET膜内的多次反射导致的法布里-波罗干涉的影响。原因是空气和PET膜之间的折射率差异很小。由多次反射产生的干涉条纹具有非常小的可见度。当PET膜仅仅遮挡宽带平行高斯光束横截面的一半时，多光束干涉造成的影响将更小。

实验证明，第二光纤准直器4至少可以把-2、-1、1、2四级衍射条纹会聚进入第二光纤5，所以该光纤马赫-曾德干涉仪是基于多光束干涉，将形成两种类型的干涉条纹。

以工作带宽为1260-1650nm的宽带光纤准直器为例，介绍干涉仪的光谱分布特点。按照图1所示原理，把一片厚度为100μm的PET膜沿垂直于光线传播方向逐渐插入高斯光束，PET膜的两个透光面与光线传播方向垂直。随着PET膜遮挡宽带高斯光束横截面比例的增加，第二光纤5输出的干涉光谱如图3所示。随着PET膜遮挡高斯光束横截面的比例从零逐渐增加，在图3中光谱从上往下分布。其中，图3最上方的光谱，表示PET膜所占高斯光束横截面比例为0，即经两宽带光纤准直器耦合后的光源光谱。

把图3中最下方的光谱减去最上方的光谱，可以得到具有较大可见度的光纤马赫-曾德干涉仪相对透射谱，如图4所示。可以看出，在宽带光纤准直器的工作带宽范围内，干涉仪具有平滑的干涉光谱。另外，在图4中，有两类干涉条纹。第一类条纹分布密集；第二类条纹是第一类条纹的包络。这种现象与基于COMSOLMultiphysics的仿真结果相吻合。对于第一类干涉条纹，最大可见度超过26dB，损耗小于2.6dB，显示出很高的干涉光谱质量。

实施例2：

一种基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪及方法的实现方法，包括以下步骤：

①第一光纤1出射的宽带发散光束入射到第一光纤准直器2，第一光纤准直器2把宽带发散光束转变为宽带平行高斯光束，并入射到透明膜3；

②透明膜3的两个透光面与平行高斯光束的传播方向垂直，可以把宽带平行高斯光束的波前分割，波前被分割的宽带平行高斯光束入射到第二光纤准直器4；

③经过第二光纤准直器4的高斯光束被会聚进入第二光纤5，构造出一个分波前光纤马赫-曾德干涉仪。

采用以上结合附图描述的本发明的实施例的基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪及方法，使用光纤准直器，实现对光纤端面出射的宽带发散光束的准直，由于宽带平行高斯光束的直径相对于单模光纤的模场直径被显著扩大，可以极大抑制衍射与散射损耗。当把透明膜3沿垂直于光线传播方向插入扩束后的光束，可以得到可见度很大，损耗很小的高质量干涉光谱。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪，其特征在于：包括依次设置的第一光纤(1)、第一光纤准直器(2)、第二光纤准直器(4)和第二光纤(5)，其中第一光纤准直器(2)连接在第一光纤(1)的后方，第一光纤准直器(2)与第二光纤准直器(4)的中心轴线在一条直线上，且第一光纤准直器(2)和第二光纤准直器(4)之间设有透明膜(3)，第二光纤(5)连接在第二光纤准直器(4)的后方。

2.根据权利要求1所述的基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪，其特征在于：所述的透明膜(3)的两个透光面与第一光纤准直器(2)和第二光纤准直器(4)的中心轴线垂直，并且透明膜(3)部分遮挡第一光纤准直器(2)和第二光纤准直器(4)的端面。

3.根据权利要求1所述的基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪，其特征在于：所述的第一光纤准直器(2)和第二光纤准直器(4)为宽带光纤准直器，宽带光纤准直器为渐变折射率格林透镜或球面透镜。

4.根据权利要求1所述的基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪，其特征在于：所述的第一光纤(1)和第二光纤(5)为单模光纤。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于宽带光纤准直器的分波前马赫-曾德干涉仪的实现方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

①第一光纤(1)出射的宽带发散光束入射到第一光纤准直器(2)，第一光纤准直器(2)把宽带发散光束转变为宽带平行高斯光束，并入射到透明膜(3)；

②透明膜(3)的两个透光面与平行高斯光束的传播方向垂直，可以把宽带平行高斯光束的波前分割，波前被分割的宽带平行高斯光束入射到第二光纤准直器(4)；

③经过第二光纤准直器(4)的高斯光束被会聚进入第二光纤(5)，构造出一个分波前光纤马赫-曾德干涉仪。