光纖干涉儀原理

光纖Mach-Zehnder干涉儀是利用耦合器的分光、合光特性，將輸入光分為大小相等的兩束，經(jīng)兩干涉臂傳輸，在輸出端兩臂會(huì)合輸出，在空間形成干涉。

本產(chǎn)品可用作教學(xué)實(shí)驗(yàn)觀察光纖干涉條紋，也可用于傳感器方面。通過(guò)條紋變化得到外界對(duì)相位產(chǎn)生影響的變化量。

測(cè)量再現(xiàn)性對(duì)光纖連接器端面檢測(cè)儀的測(cè)量精度有很大的影響。以頂點(diǎn)偏心為例，目前，絕大部分廠商生產(chǎn)的光

纖連接器端面檢測(cè)儀的測(cè)量再現(xiàn)性精度大約在±5μm附近。這些數(shù)據(jù)可以從各廠家的網(wǎng)頁(yè)方便的查到。有的廠家以測(cè)量再現(xiàn)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ來(lái)衡量。按照誤差理論的計(jì)算方法，此時(shí)的測(cè)量再現(xiàn)性最大誤差可達(dá)±3σ，大約也在±6μm附近。

一般不可能要求測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度高于測(cè)量再現(xiàn)性精度。所以再現(xiàn)性精度是判定測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度最重要指標(biāo)之一。

光纖連接器端面檢測(cè)儀的測(cè)量再現(xiàn)性精度主要由光纖連接器端面檢測(cè)干涉儀的測(cè)量再現(xiàn)性精度（由PZT的位相移動(dòng)精度，CCD攝像頭的精度和圖像卡的A/D轉(zhuǎn)換器的精度，測(cè)量電路的噪聲，測(cè)量環(huán)境，如振動(dòng)，溫度的變化決定），以及載物臺(tái)光纖連接器固定夾具的定位精度來(lái)決定。此外，一般由于光纖連接器插入固定夾具的旋轉(zhuǎn)方向角度的不確定性（除APC光纖連接器），載物臺(tái)的傾斜調(diào)整精度也會(huì)影響測(cè)量再現(xiàn)性精度。

對(duì)于干涉儀的測(cè)量再現(xiàn)性，可以固定光纖連接器于載物臺(tái)的固定夾具上，在不拔出光纖連接器的狀態(tài)下反復(fù)進(jìn)行測(cè)量。然后，對(duì)測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行處理，從而評(píng)價(jià)干涉儀本身的測(cè)量再現(xiàn)性。一般來(lái)說(shuō)，基于現(xiàn)代干涉儀測(cè)量技術(shù)和干涉條紋解析技術(shù)而開發(fā)的干涉儀具有很高的測(cè)量再現(xiàn)性。不過(guò)，由于光學(xué)設(shè)計(jì)及光路布置不當(dāng)，有些廠家的干涉儀對(duì)振動(dòng)很敏感，從而影響干涉儀的測(cè)量再現(xiàn)性精度。

對(duì)于光纖連接器固定夾具的定位精度，可以多次插入/拔出被測(cè)光纖連接器，對(duì)同一光纖連接器反復(fù)進(jìn)行測(cè)量。然后，對(duì)測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行處理，從而評(píng)價(jià)光纖連接器固定夾具的定位精度。必須指出的是，由于大多采用某種標(biāo)準(zhǔn)器，如標(biāo)準(zhǔn)光纖連接器來(lái)進(jìn)行載物臺(tái)的傾斜調(diào)整，載物臺(tái)的傾斜調(diào)整精度也會(huì)受到固定夾具的定位精度的影響，因此，提高固定夾具的定位精度是提高整個(gè)光纖連接器端面檢測(cè)儀的測(cè)量精度的關(guān)鍵。為了提高固定夾具的定位精度，富士寫真光機(jī)株式會(huì)社開發(fā)了一種高精度，操作簡(jiǎn)單，可靠性高的光 干涉現(xiàn)象是光學(xué)的基本現(xiàn)象，利用光纖實(shí)現(xiàn)光的干涉，是光干涉現(xiàn)象的重要應(yīng)用。由于光纖取代透鏡系統(tǒng)構(gòu)成的光路具有柔軟、形狀可隨意變化、傳輸距離遠(yuǎn)、可適用于各種有強(qiáng)電磁干擾、易燃易爆等惡劣環(huán)境，從而可以構(gòu)造出各種結(jié)構(gòu)的干涉儀和許多功能器件，如光纖陀螺、光開關(guān)、光定位器件等，有廣泛的應(yīng)用前景。光纖Mach-Zehnder干涉儀可以用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生利用此裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅可以加深對(duì)光干涉現(xiàn)象的理解，明了影響光干涉的因素，而且可以鍛煉動(dòng)手調(diào)節(jié)光路的能力，啟發(fā)創(chuàng)新意識(shí)。

載物臺(tái)的傾斜調(diào)整是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。如果載物臺(tái)的傾斜調(diào)整精度不高，將極大地影響球面頂點(diǎn)偏心，APC角度及定位鍵角度的測(cè)量精度。圖4為傾斜調(diào)整和球面頂點(diǎn)偏心測(cè)量精度的關(guān)系概要。如圖4（a）所示，當(dāng)載物臺(tái)傾斜調(diào)整完整時(shí)，干涉儀光學(xué)系統(tǒng)的光軸將與被測(cè)定光纖連接器的插芯的中心軸平行。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)被測(cè)定光纖連接器時(shí)，光纖連接器端面的球面頂點(diǎn)（環(huán)形干涉條紋的中心如A點(diǎn)或B點(diǎn)）將繞光纖的中心O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個(gè)以O(shè)點(diǎn)為中心的圓。測(cè)定的頂點(diǎn)偏芯值OA或OB將與實(shí)際的頂點(diǎn)偏芯相同。也就是說(shuō)，無(wú)論旋轉(zhuǎn)光纖連接器到什幺角度，測(cè)定的頂點(diǎn)偏芯值的變化將不會(huì)太大。相反，如圖4（b）所示，當(dāng)載物臺(tái)傾斜調(diào)整不完整時(shí)，干涉儀光學(xué)系統(tǒng)的光軸將會(huì)與被測(cè)定光纖連接器的插芯的中心軸交叉成一個(gè)角度。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)被測(cè)定光纖連接器時(shí)，光纖連接器端面的球面頂點(diǎn)（環(huán)形干涉條紋的中心如A點(diǎn)，B點(diǎn)，C點(diǎn)或D點(diǎn)）會(huì)繞一個(gè)與光纖的中心O不相同的中心O*旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個(gè)以O(shè)*為中心的圓。顯然，在不同位置測(cè)量的頂點(diǎn)偏芯值OA，OB或OC將與實(shí)際的頂點(diǎn)偏芯OD不相同。也就是說(shuō)，旋轉(zhuǎn)光纖連接器后，測(cè)定的頂點(diǎn)偏芯值將會(huì)有很大的變化。從這個(gè)現(xiàn)象也可以得到一個(gè)檢驗(yàn)載物臺(tái)傾斜調(diào)整是否完整的方法。即，旋轉(zhuǎn)光纖連接器，依次測(cè)定頂點(diǎn)偏芯值，如果測(cè)定的頂點(diǎn)偏芯值變化不大，則載物臺(tái)傾斜調(diào)整是完整的。反之，則載物臺(tái)傾斜調(diào)整是不完整的。為了提高載物臺(tái)傾斜的調(diào)整精度，富士寫真光機(jī)株式會(huì)社開發(fā)了一種高精度，操作簡(jiǎn)單的載物臺(tái)傾斜調(diào)整技術(shù)（已申請(qǐng)多國(guó)專利）7,8，可以達(dá)到大大高于一般調(diào)整方法的調(diào)整精度。

評(píng)價(jià)光纖連接器端面的球面半徑和光纖高度，首先必須測(cè)量連接器端面的形狀。干涉儀具有測(cè)量精度高，速度

快，成本低等優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)量表面形狀的一個(gè)有效手段。是光纖連接器端面檢測(cè)干涉儀的系統(tǒng)概要。由光源射出的光線經(jīng)半透鏡反射到米羅干涉物鏡后，光線聚焦于被檢測(cè)光纖連接器的端面，經(jīng)端面反射后與米羅干涉物鏡的反射面反射的光線一同透過(guò)半透鏡，成像于CCD攝像頭。這時(shí)在CCD攝像頭上可以觀察到干涉條紋。 CCD攝像頭測(cè)得的圖像經(jīng)圖像卡傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行解析處理。就可以得到我們所需要的測(cè)量結(jié)果。由計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)控制卡及控制回路控制的PZT(壓電陶瓷組件)用于移動(dòng)米羅干涉物鏡以產(chǎn)生位相移動(dòng)。

解析干涉條紋可以應(yīng)用傅立葉變換法2，3，4,也可以應(yīng)用位相移動(dòng)法5，6。傅立葉變換法具有簡(jiǎn)單，快速，低成本等優(yōu)點(diǎn)，但精度較低，一般用于簡(jiǎn)易型測(cè)量?jī)x。對(duì)于光纖連接器端面形狀的測(cè)量，一般采用解析精度較高的位相移動(dòng)法。

必須指出的是位相連接是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程。選擇不同的位相連接算法，計(jì)算速度和安定性將會(huì)不同。

光纖Mach-Zehnder干涉儀可以用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生利用此裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅可以加深對(duì)光干涉現(xiàn)象的理解，明了影響光干涉的因素，而且可以鍛煉動(dòng)手調(diào)節(jié)光路的能力，啟發(fā)創(chuàng)新意識(shí)。

a暗室；b防止震動(dòng)；c室內(nèi)清潔，無(wú)灰塵；d實(shí)驗(yàn)桌面平整；e室溫.

輸出端總光強(qiáng)大于300μW

輸出光的線偏振度大于98%

可觀測(cè)的條紋數(shù)多于25條

PZT引起的條紋移動(dòng)多于2條

注意人身安全：

激光光強(qiáng)較大，不要讓激光直接打到眼睛上；

激光電源紅黑插頭間電壓約1470伏，操作時(shí)一定要小心高壓。

儀器安全：

激光器的電源插孔，紅對(duì)紅，黑對(duì)黑，不可接反；若激光器接通電源3秒后，激光管中無(wú)激光輸出，則關(guān)掉電源，重新檢查是否正確接好電路，檢查無(wú)誤后，再次開電源，切不可在無(wú)光情況下，長(zhǎng)時(shí)間開通電源，以免燒毀電源；關(guān)閉激光管時(shí)，應(yīng)先關(guān)掉激光管電源，后拔電源插頭。

調(diào)節(jié)過(guò)程中注意保護(hù)光纖，以免不小心將其碰折，一定要保證輕拿輕放。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)精密度要求極高，一定注意保護(hù)微調(diào)架，調(diào)節(jié)微調(diào)架時(shí)要輕調(diào)，不可用力過(guò)大，以免弄壞微調(diào)架。移動(dòng)微調(diào)架時(shí)應(yīng)托著底部，不能拿上部。

6、故障及維修

接通激光器電源3秒后無(wú)光輸出?？赡茉颍杭す馄鞯碾娫醇t黑插也接反；激光器的泵浦沒(méi)有正常工作。維修方法：檢查激光器電源插孔是否正確對(duì)接。若正確對(duì)接，則重新接電源，觀察3秒后看是否有光輸出。

耦合進(jìn)光纖的光功率太小?？赡茉蚣敖鉀Q方法：

激光器與透鏡沒(méi)準(zhǔn)直好；解決方法：對(duì)光路重新進(jìn)行準(zhǔn)直；

起偏器與透鏡的通光孔端面落有灰塵；解決方法：把通光孔表面的灰塵擦去或重新更換新的。

光纖接頭的前端面落有灰塵；解決方法：用脫脂棉沾酒精輕輕擦拭，除掉表面的灰塵。

壓電陶瓷不能正常調(diào)節(jié)相位，即不能使干涉條紋產(chǎn)生正常移動(dòng)?？赡茉颍杭釉趬弘娞沾缮系碾娫措妷捍嬖趩?wèn)題。解決方法：檢查加在壓電陶瓷上的電源電壓是否正確，若不正確則進(jìn)行改正。

接收屏上接收的干涉條紋光斑為橢圓形?？赡茉颍狠敵龆嗣鏇](méi)有磨平。解決方法：重新研磨輸出端面。