光电检测与显示实验一光纤M-Z干涉仪及光纤传感实验.doc

光电检测与显示实验一 光纤M-Z干涉仪及光纤传感实验实验一 光纤M-Z干涉仪及光纤传感实验（一）MZ光纤干涉仪实验一、实验目的1 了解马赫曾特（MZ）干涉仪的原理和用途；2 调试MZ干涉仪并进行性能测试。二、实验仪器 He-Ne 激光器1套；光纤干涉演示仪1套；633nm单模光纤1根。注意：1 本实验不需要打开M-T干涉仪观察窗下方的开关！2 任何人不得切割单模光纤！三、实验内容1MZ干涉仪的原理和用途马赫曾特干涉仪是一种重要的光学和光子学器件，广泛应用于干涉计量、光通信等领域。基于干涉仪对波导及其周围介质折射率的相位敏感特性，M-Z被广泛用作传感器和光调制器。光纤传感技术是上世纪70年代末新兴的一项技术，与传统传感器相比，光纤传感器具有以下特点：频带宽；不受电磁干扰；灵敏度高；体积小；损坏阈值高；可非接触测量；电子设备与传感器可以间隔很远；能形成传感网络等；光纤检测技术的核心把光纤传感器，光纤干涉仪是基于光干涉技术用于检测的光纤传感器系统，其测量精度比普通光纤传感器更高，不仅可以代替传统的干涉仪功能，还能用于教学，测量压力、应力、温度、磁场、折射率、位移等物理量的微小变化，用途非常广泛。以光纤取代传统MZ（马赫-曾特）干涉仪的空气隙，就构成了光纤型MZ干涉仪。这种干涉仪可用于制作光纤型光滤波器、光开关等多种光无源器件和传感器，在光通信、光传感领域有广泛的用途，其应用前景非常美好。光纤型MZ干涉仪实际上是由分束器构成。当相干光从光纤型分束器的输入端输入后，在分束器输出端的两根长度基本相同的单模光纤会合处产生干涉，形成干涉场。干涉场的光强分布（干涉条纹）与输出端两光纤的夹角及光程差相关。令夹角固定，那么外界因素改变的光程差直接和干涉场的光强分布（干涉条纹）变化相对应。图1 光纤M-T干涉仪结构图2. 实验操作2.1 调节氦氖激光管的俯仰和左右，利用直尺，使出射激光基本与试验台面平行，与光纤调节架的轴线共轴；2.2 调节氦氖激光管的前后位置，尽量贴近聚焦透镜；2.3 把剥离好的单模光纤小心放置在圆柱形卡槽内，把长方形垫片放好，然后放入五维调节架的中间位置；2.4 先手动调节光纤头的位置，使之位于激光聚焦点上，然后拧紧固定旋钮；2.5 单模光纤的FC头插入右侧的固定架（FC头正好从另一侧探出），放好观察白屏；2.6 调节五维调节架的各个旋钮，在暗室条件下，当观察屏上可以看到明亮的圆形红色光斑时，用功率计的光电探头取代观察屏，调整功率计的档位，使显示合理；2.7 边观察功率计示数，边调节五维调节架的各个旋钮，使输出光最强；2.8 轻轻从右侧固定架上取下FC头，插入M-T干涉仪右侧光纤耦合口，从干涉仪左上侧观察窗处观察环形干涉条纹；2.9 如果条纹不清晰，或者亮度不够，说明步骤2.6完成的不好，重新调节，直到从观察窗口可以看到明亮清晰的干涉条纹按图2所示仔细将光耦合进光纤分束器的输入端，此时可用光能量指示仪监测，固定好位置；使其在会合处产生干涉条纹，分析观察到的现象。 光纤耦合架 光纤耦合端面 输出光 图2 聚光器件耦合原理示意图He-Ne激光器显示屏幕M-T干涉仪五维微调架（二）光纤温度传感原理实验一、实验目的 1了解传感的意义； 2操作光纤温度传感原理实验。二、实验仪器 He-Ne 激光器1套；光纤干涉演示仪一套；633nm单模光纤1根。三、实验内容1传感的意义和传感器定义在信息社会中，人们的一切活动都是以信息的获取和信息的交换为中心的。传感器是信息技术的三大技术之一。随着信息技术进入新时期，传感技术也进入了新阶段。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已被全世界所公认，因此，传感技术受到各国的重视，特别是倍受发达国家的重视，我国也将传感技术纳入国家重点发展项目。传感器定义 能感受规定的被测的量，并按照一定规律转换成可用的输出信号的器件或装置称为传感器。光纤传感器有两种，一种是通过传感头（调制器）感应并转换信息，光纤只作为传输线路；另一种则是光纤本身既是传感元件，又是传输介质。光纤传感器的工作原理是，被测的量改变了光纤的传输参数或载波光波参数，这些参数随待测信号的变化而变化。光信号的变化反映了待测物理量的变化。温度是冶金、钢铁、焊接、化工等行业进行质量控制和确保顺利生产的重要参数，传统的测温方法有热电偶法和光学高温计法、 热电偶法是接触式测温，如用铂铑热电偶，钨铼热电偶等，探头置于被测环境中，温差电压经电路转换后在仪表上直接显示温度，高温烧结炉多用这种方法。这些温度传感器尽管操作方便，性能稳定，但是因为接触式测温，热电偶冷热端距离远，体积大，而且采用稀有的贵重金属，造价昂贵，使用寿命短。光学高温计法是接触式测温，通过比较辐射源的色温和灯丝色温来测定温度，或者发射一激光束，通过被测体的反射束来测温，而光纤温度传感器较其它测温仪具有测量精度高，抗电磁干扰，体积小，可自由弯曲等优点，可应用于易燃易爆，空间狭小，直接瞄准有困难的场合，因而受到了广泛地重视。光纤温度传感器一般分为两类：一类是利用光导纤维本身具有的某种敏感功能而使光纤起测量温度的作用，属于功能型，光纤既感知信息，又传输信息；另一类是光导纤维只起到传输光的作用，必须在光纤端面加装其它敏感元件才能构成新型传感器的传输型传感器。这两类的传感器工作原理和设计思想非常巧妙，研究工作都较为深入。光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面出另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料受温度影响，折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈函数关系。其物理本质是利用光纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、偏振态、波长和模式等，对外界环境因素，如温度，压力，辐射等具有敏感特性。它属于非接触式测温。2实验操作测量臂 光纤耦合架 光纤耦合端面 参考臂 图3 温度传感原理示意图 He-Ne激光器分束器图象显示温控箱五维微调架本实验中传感量是温度，温度改变了光波的相位，通过对相位的测量来实现对温度的测量。具体的测量技术是，运用干涉测量技术把光波的相位变化转换为强度（振幅）变化，实现对温度的检测。光纤M-Z型干涉仪进行对温度传感的测量，利用干涉仪的一臂作参考臂，另一臂作测量臂（改变温度），配以检测显示系统就可以实