光纖白光干涉測量技術

摘要

光纖干涉型傳感器是光纖傳感器中的一個重要分支，而白光干涉測量技術是一種被廣泛應用的光學干涉測量技術。白光干涉測量技術應用于光纖干涉型傳感器，能夠測量光纖干涉儀的絕對光程差，且動態(tài)測量范圍大，測量分辨率高。本論文分別闡述了掃描白光干涉測量技術和光譜域光纖白光干涉測量技術的原理與研究現(xiàn)狀，分析和總結了不同的光纖白光干涉測量的結構和特點。

關鍵詞：光纖傳感器；光纖干涉儀；白光干涉測量術； 

1、緒論

光纖傳感技術是20世紀70 年代末新興的一項技術，近年來，光纖傳感技術在當代科技領域及實際應用中占有十分重要的地位。光纖具有體積小、質量輕、抗電磁干擾、防腐蝕、電絕緣性好、靈敏度高等優(yōu)點，可以構成傳感網(wǎng)絡。光纖傳感器的主要工作原理[1]是將來自光源的光信號經(jīng)過光纖送入調制器，待測物理量與光發(fā)生相互作用后，導致光的部分光學性質發(fā)生變化（例如光的波長、強度、頻率、偏振態(tài)、相位等），稱為被調制的光信號，信號光再經(jīng)過光纖送入光探測器通過解調后獲得被測參數(shù)。

光纖傳感器通�？梢苑譃閺姸日{制型光纖傳感器，光纖光柵傳感器（波長調制型），以及干涉型光纖傳感器（相位調制型）。干涉型光纖傳感器的主要結構為光纖干涉儀，包括法布里-珀洛（Fabry-Perot）干涉儀，馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉儀，邁克耳遜（Michelson）干涉儀和薩格奈克（Sagnac）干涉儀。外界被測物理量的變化改變光纖干涉儀的光程差，導致干涉信號的相位的變化，從而實現(xiàn)了相位調制。通過干涉測量技術將干涉型光纖傳感器輸出的干涉信號的相位解調出來，從而可以得到被測物理量的絕對值或者變化量。光纖白光干涉原理與技術的發(fā)展既取決于基礎理論上的深刻認識, 又受益于技術上重大進步的啟迪, 在社會發(fā)展需求的牽引下, 歷經(jīng)了幾十年的研究與積淀, 在傳感技術、計量與測量學、生物學和醫(yī)學與臨床應用等領域取得了較大的進步, 獲得了廣泛的應用。在該技術發(fā)展過程中, 以下是具有里程碑意義的事件。

1955 年, E .Wolf 和Blanc-Lapierre 分別獨立建立了部分相干光理論, 引進了關聯(lián)函數(shù)[2] ;對關聯(lián)函數(shù)的深入認識與系統(tǒng)研究, 奠定了白光干涉的理論基礎1983 年, Brian Culshaw 課題組[3] 首次報道了基于白光干涉原理在光纖傳感中的應用;開啟了光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g的研究方向。1991 年，Huang等[4]首次展示了基于白光干涉的二維層析成像方法;成為光學相干層析成像術(OCT)技術的研究開端。2003 年,E .Wo lf[5] 對部分偏振光的相干特性進行分析時, 指出了干涉的基本作用。2005 年, P .Refregier 等[6] 提出了一種測量相干特性具有的一般不變性的新方法, 稱為內稟相干不變性理論;深化并拓展白光干涉理論的內涵, 被用于解決信號處理過程中偏振衰退的問題, 進一步導致了光纖白光干涉偏振傳感解調新技術的發(fā)展。

2、光纖白光干涉測量技術

白光干涉測量技術也稱為低相干測量方法，是一種被廣泛應用的光學干涉測量技術。根據(jù)光纖白光干涉系統(tǒng)的不同結構，光纖白光干涉測量技術可以分為兩類，一類是基于掃描干涉儀的掃描光纖白光干涉測量技術，另一類是光譜域光纖白光干涉測量技術。掃描光纖白光干涉測量技術需要一套接收干涉儀在白光干涉系統(tǒng)的接收端掃描傳感光纖干涉儀的光程[7-8]。當傳感光纖干涉儀和接收干涉儀的光程差相等時干涉條紋出現(xiàn)最大值。光譜域光纖白光干涉測量技術是通過測量干涉光譜來測量光纖干涉儀的光程差。它的測量原理是用寬帶光源輸出一束寬帶光注入干涉儀，用光譜儀在干涉儀的輸出端檢測干涉儀的光譜輸出，通過分析干涉儀輸出的白光光譜，就可以測量出干涉儀的光程差[9-10]。

2.1  掃描光纖白光干涉測量技術

掃描光纖白光干涉測量系統(tǒng)通常由傳感干涉儀（Sensing Interferometer, SI）和本地接收干涉儀（Local Receiving Interferometer, LRI）組成，如圖1所示。

圖1.掃描白光干涉測量儀的原理與結構