實(shí)驗(yàn)-馬赫曾德.docx

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1、-、實(shí)驗(yàn)十三雙光纖Mach-Zehnder干涉?zhèn)鞲袑?shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)采用雙光纖技術(shù)，一方面通過雙光纖分光路干涉，構(gòu)成光纖Mach-Zehnder干涉?zhèn)鞲袦y(cè)量系統(tǒng)；另一方面，在雙光纖的出射端，構(gòu)成楊氏雙孔干涉系統(tǒng)。通過本實(shí)驗(yàn)，可對(duì)光纖干涉相位調(diào)制的物理過程有一個(gè)完整的了解，同時(shí)，借助于雙光纖楊氏空間干涉系統(tǒng)，可研究干涉條紋的空間分布等相關(guān)特性。此外，借助于光纖雙光路的光程調(diào)制器，可獲得光相位的一些具體調(diào)制方法。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握基于雙光纖干涉的基本原理；2.重點(diǎn)了解采用光纖形成光路的馬赫-曾德（Mach-Zehn

2、der）干涉系統(tǒng)中，光纖光程變化對(duì)條紋移動(dòng)的影響；3.簡要了解基于雙光纖干涉的馬赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉測(cè)溫以及應(yīng)變測(cè)量等基本知識(shí)。二、實(shí)驗(yàn)原理1．光纖楊氏干涉英國物理學(xué)家楊（T.Yong），最初所做的干涉實(shí)驗(yàn)如圖13-1所示。圖13-1雙孔楊氏干涉實(shí)驗(yàn)用強(qiáng)光照射針孔S，以它作為點(diǎn)光源發(fā)射平面波。在離S一定距離處放置另外兩個(gè)小針孔S1和S2，它們從由S發(fā)出的球形波陣面上分離出兩個(gè)很小的部分作為相干光源，由這兩個(gè)小孔發(fā)出的光波在空間相遇的區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。因?yàn)獒樋譙、S1、S2很小，所以

3、產(chǎn)生的干涉條紋圖樣很弱，不易觀察。后來采用狹縫代替針孔，得到了同樣形狀但明亮得多的干涉圖樣。然而，有人認(rèn)為無論是雙孔干涉還是雙縫干涉產(chǎn)生的干涉圖樣可能是由于光經(jīng)過孔或縫的邊緣時(shí)發(fā)生的復(fù)雜變化，而不是真正的干涉，后來菲涅耳做了雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)，使人們確信光存在干涉性。本實(shí)驗(yàn)采用光纖作為產(chǎn)生相干光的光源來實(shí)現(xiàn)雙孔干涉（如圖13-2所示），可以獲得非常明亮的、條紋間距很寬的干涉圖樣。該干涉條紋用眼睛在毛玻璃上能清晰地觀察到。圖13-2雙光纖楊氏干涉實(shí)驗(yàn)裝置2．光纖Mach-Zehnder干涉儀兩光纖所構(gòu)成的光路受

4、到干擾時(shí)，會(huì)導(dǎo)致空間干涉條紋的移動(dòng)。因此，利用這一特性，可以構(gòu)成光纖Mach-Zehnder干涉儀。雙光路干涉光纖Mach-Zehnder干涉儀的工作原理如圖13-3所示。從激光器輸出的光經(jīng)分光棱鏡分成兩束。這兩束光經(jīng)透鏡耦合后分別注入到兩單模光纖，一臂作為參考光纖臂，另一臂則作為傳感用的相位調(diào)制光纖臂。圖13-3（a）給出的稱為空間干涉式光纖Mach-Zehnder干涉儀。該干涉儀的兩個(gè)光纖出射光場(chǎng)直接在空間干涉，形成均勻的干涉條紋。圖13-3(b)給出的稱為全光式光纖Mach-Zehnder干涉儀。它

5、與空間干涉式光纖Mach-Zehnder干涉儀的不同處是：兩光纖匯合后，采用3dB耦合器使兩路光合光，然后分別輸出。此時(shí)，兩輸出光信號(hào)有一個(gè)固定的相位差。圖13-3光纖Mach-Zehnder干涉儀工作原理圖3．光纖干涉儀中的相位調(diào)制當(dāng)一真空中波長為的光經(jīng)過光纖時(shí)，若被調(diào)制光纖的長為L，則對(duì)應(yīng)的相位為（13-1）式中　——光源波長；　n——光纖芯折射率；　L——光纖長度。由此可知，纖芯折射率的變化和光纖長度L的變化都能導(dǎo)致光相位的變化，即（13-2）（１）應(yīng)力應(yīng)變對(duì)相位的調(diào)制與測(cè)量當(dāng)光纖受到縱向的機(jī)械應(yīng)力

6、作用時(shí)，光纖的長度L和光纖芯的折射率n都會(huì)發(fā)生變化，這些變化將導(dǎo)致光纖中的相位發(fā)生變化。用于應(yīng)變測(cè)量的公式為（13-3）式中　　，——光纖的光彈系數(shù)；——光纖材料的泊松比；——光纖的縱向應(yīng)變。將表13-1所列的參數(shù)代入式（13-3），可計(jì)算出長度為1m的光纖，每變化一個(gè)微應(yīng)變對(duì)應(yīng)有1.8個(gè)干涉條紋的移動(dòng)。表13-1光纖參數(shù)表物理量參數(shù)0.110.270.211.460.6328（2）溫度對(duì)相位的調(diào)制與測(cè)量在光纖Mach-Zehnder干涉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，光纖的一臂可用作溫度測(cè)量傳感器。當(dāng)測(cè)量臂光纖受到溫度場(chǎng)的

7、影響時(shí),光相位發(fā)生變化,從而引起干涉條紋的移動(dòng)。干涉條紋的數(shù)量能反映出被測(cè)溫度的變化。此時(shí)，用作溫度測(cè)量的光纖段，其相位的變化是溫度的函數(shù)，主要由兩個(gè)因素表征：一是物理線性熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致幾何長度的伸縮；二是由于溫度變化會(huì)導(dǎo)致光學(xué)折射率發(fā)生變化。其計(jì)算公式為（13-4）式中　　L——溫度在T０時(shí)的光纖段長度；——與溫度相關(guān)的折射率（n=1.46，T0=250C）；——線性熱膨脹系數(shù)，其值為5.5×10-7/0C；——光學(xué)折射率溫度系數(shù)，波長=632.8nm時(shí)，CT=0.662×10-5/0C。將上述值代入式

8、（13-4）中，得（13-5）式（13-5）表明，在1m長的光纖上，溫度每變化10C，則有15根條紋移動(dòng)。所以，我們通過對(duì)條紋計(jì)數(shù)就能獲得溫度。三、實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：He-Ne激光器，四維光纖耦合調(diào)節(jié)架，鎧裝光纖光路部分，帶有一維微位移調(diào)節(jié)器的空間干涉條紋顯微觀測(cè)系統(tǒng)；應(yīng)變（位移）光纖相位調(diào)制系統(tǒng)、溫度光纖相位調(diào)制系統(tǒng)，以及數(shù)字干涉計(jì)量儀。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1．干涉條紋觀測(cè)如圖13-3所示，由氦-氖激光器發(fā)出的