第三章、激光干涉測量.

1、第三章、激光干涉測量干涉測量技術(shù)是以光波干涉原理為基礎(chǔ)進(jìn)行高精密測量的一門技術(shù)。20世紀(jì)60年代激光的出現(xiàn)，才使干涉測量技術(shù)得到了長足的發(fā)展。因為激光出現(xiàn)以前，所用以光源單色燈經(jīng) 過濾光片濾光作為單色光源，其相干長度只有幾mm,且干涉條紋比較模糊，只能微小變化的測量。激光的出現(xiàn)，由于激光束的高亮度和很長的相干長度（He-Ne激光器，相干長度幾十Km），使得干涉測量的測量精度、可測量長度都有了質(zhì)的提高。激光干涉測量的應(yīng)用范圍 很廣，可用于長度、位移、角度、形狀、介質(zhì)折射率（通過折射率的變化還可以測量壓力、 溫度等）變化。激光干涉測量的原理就是將入射激光束分成兩束，一束為參考光束，一束為測量光束,

2、NM測量兩束光的光程差厶八n丄 八njlj二k ' = I或n的信息。7j42本章主要介紹激光干涉長度測量、激光干涉微小間隙測量以及光纖干涉?zhèn)鞲衅魉鶚?gòu)成的 溫度、壓力測量。首先介紹激光干涉長度測量。§ 3.1激光干涉長度測量(3-1-1)一、激光干涉測長的基本原理干涉測長儀是一種利用 增量法”的測長儀器。最基 本的測長儀光路采用 Michelson（邁克爾遜）干涉儀，參 考反射鏡Mi固定不動，目標(biāo)反射鏡 M2與被測對象固 聯(lián)，當(dāng)目標(biāo)反射鏡隨被測對象移動時，兩路光束的光程 差發(fā)生變化，因為兩光束來自于同一相干光源（同一臺 激光器），兩光束產(chǎn)生的干涉條紋也將發(fā)生明暗交替的 變化（

3、因為兩反射鏡Mi、M2不可能完全垂直，故應(yīng)為 等厚干涉）。假設(shè)目標(biāo)反射鏡從M2移至M2，則二光束 的光程差變化量為：=2 n(g L-IJ-2 n(lm-lc)=2 nL當(dāng)用光電探測器接收干涉條紋的明暗變化時，兩光束的光程差每變化一個波長（ 丸），干 涉條紋就明暗變化一次，所測得的干涉條紋變化次數(shù) 2汨、=2 nL/，n為介質(zhì)折射率，在 空氣中，n1，故L /2。二、激光干涉測長系統(tǒng)的組成激光干涉測長系統(tǒng)主要由激光干涉系統(tǒng)和干涉條紋計數(shù)處理系統(tǒng)組成。（一）、激光干涉儀系統(tǒng)因為He-Ne激光器輸出的激光頻率和功率穩(wěn)定性都較高，且價格低，經(jīng)濟(jì)實用，所以， 一般以He-Ne激光器為激光干涉儀光源，在

4、干涉測量光路中，為了確保出射光路與反射回的 光路平行，大多采用直角棱鏡反射器，典型的干涉儀光路圖如下。對于雙棱鏡光路a），入射、反射光在空間上完全分離，可以避免反射光束返回激光器，i其缺點是兩塊棱鏡需配對加工，且加工精度要求很高，為此改進(jìn)為b）單棱鏡光路。為了提高測量精度，可以采用如圖c）的雙光程光路，這樣在測量過程中，光程差的變化量2=4nL = k，= L / 4，測量精度比傳統(tǒng)的 Michelson（邁克爾遜）干涉儀提高一倍。在提高 測量精度的同時，也給光路調(diào)整帶來了困難，為了既可以提高測量精度，又調(diào)整方便，可將 多個光學(xué)元件組合在一起，這就形成了整體式光路布居d）。一個立方體分光器，部

5、分表面鍍以全反膜，整個系統(tǒng)的一體化，提高了抗干擾能力。（二）、干涉條紋計數(shù)與測量結(jié)果處理激光干涉測長儀采用電子計數(shù)時，為了提高測量精度，必須判別可移動目標(biāo)反射鏡的前 進(jìn)與后退，也就說儀器必須可逆計數(shù)。此外，為了提高儀器的分辨率，還要對干涉條紋進(jìn)行 細(xì)分。為了達(dá)到這些目的，干涉儀必須具有兩個相位差為90。的信號輸出，既兩個電信號中,一個為正弦信號，另一個為余弦信號，這就需要在干涉儀光路中加入一個90°。1、移相器常用的移相方法有：機(jī)械移相法、階梯板移相法、金屬膜移相法、分偏振移相法。下邊 分別介紹。 機(jī)械移相法：產(chǎn)生90。相移信號的最簡單的方法就是將參考反射鏡Mi傾斜一定角度，當(dāng)Mi傾

6、斜6時，條紋間隔大約為10mm，調(diào) 節(jié)兩個光電接收器D1、D2的距離為條紋間距的1/4 （10/4=2.5mm）,便可得到相位差為90°的兩個電信號。該方法 的缺點是反射鏡的微小失調(diào)都會改變條紋間隔，使輸出信號的 相位差發(fā)生變化，從而導(dǎo)致計數(shù)錯誤。 階梯板移相法在參考反射鏡Mi上半邊鍍一層厚度為d的透 明介質(zhì)，產(chǎn)生 入/8的階梯，使光束的左、右兩 部分光波場產(chǎn)生入/4的初始相位差， 金屬膜移相法利用金屬膜表面的反射與透射產(chǎn)生附加相位差的原理，在分束器BS的分光面上，作成金屬膜分幅移相器，如上圖。移相程度取決于鍍層的厚度及膜材料，若將所鍍金屬膜的 厚度對應(yīng)反射光束與透射光束產(chǎn)生 45。

7、的相位差，對于光電接收器Di,移相器產(chǎn)生的相位 為45。，而光電接收器D2,移相器的附加相位為0,故Di與D2的相位差為90° 分偏振法移相入射光為線偏振光，偏振方向與光線所組成的平 面成45°角（保證垂直和平行反射面方向的光矢量 振幅相等，既所分成的兩束光光強(qiáng)近似相等），在 參考光路中加入入/4波片（快軸與線偏振光的偏振 方向成45°角），所以出射的參考光束為圓偏振光 （位相差為90°,且振動方向相互垂直的兩線偏振 光的合成光）。而測量光束為線偏振光。原偏振光 束與線偏振光束經(jīng)合束器合束，入射屋拉斯棱鏡， 將圓偏振的參考光束和線偏振的測量光束均分成相互

8、垂直的線偏振光（水平偏振和垂直偏振）， 進(jìn)行干涉產(chǎn)生干涉條紋，而參考光束所分成的兩 相互垂直的偏振光有相位差90°，測量光束所分成 的兩線偏振光相位差為0°,故Di、D2接收到的信 號有90°相位差。2、干涉條紋計數(shù)及運動方向判別原理干涉測長儀在實際測量位移量時， 測量反射鏡M2可能需要正、反兩個方向運動，或者由 于外界振動等因素使測量反射鏡在正向運動過程中，偶有反向移動出現(xiàn)，所以干涉條紋計數(shù) 系統(tǒng)還應(yīng)能判別測量反射鏡 M2的移動方向。如果計數(shù)系統(tǒng)不能判別 M2的移動方向，則正方 向產(chǎn)生的脈沖個數(shù)（條紋移動個數(shù)）與反方向產(chǎn)生的脈沖個數(shù)想加，總計數(shù)N不代表真正的位移

9、量。如何實現(xiàn)M2移動方向的判別呢？下面介紹判向計數(shù)原理。判向計數(shù)原理方框圖如下圖:可逆計數(shù)器干涉條紋通過移相系統(tǒng)，兩路干涉條紋系統(tǒng)產(chǎn)生n /2的位相差，經(jīng)光電接收器（光電二極管）轉(zhuǎn)變?yōu)槲幌嗖顬?0。的兩個電信號（余弦信號和正弦信號），通過放大、整形成為正方 波和負(fù)方波，經(jīng)過分路，其中一路通過倒相器，這樣兩路信號變成了四路信號，經(jīng)過微分運 算，就會得到具有一定時序關(guān)系的尖脈沖序列。時序關(guān)系如下圖。M2 正 向 移 動 各 脈 沖 相 位 關(guān) 系時 序 為14233 t微分M2 反 向 移 動 各 脈 沖 相 位關(guān)系時 序 為1324+sin 3 t微分+sin 3 t-cos 3 t微分可逆計數(shù)

10、器通過判別脈沖順序是1, 2, 3, 4;還是1, 2, 4, 3;從而確定M2是正向移動還是反向移動，正向移動+1 ,反向移動-1,這樣便可得到真實的條紋移動個數(shù)N。同時，該電路使得初始的一個干涉條紋信號，變成了相位相差n /2的 4個脈沖信號，實現(xiàn)了干涉條紋的4倍頻計數(shù)，既M2移動入/8就得到一個脈沖計數(shù)，也就是說，測量精度可 以從入/2提高到入/8（三）、干涉長度測量中折射率的補償在激光干涉測量中，環(huán)境因素的變化導(dǎo)致空氣折射率的改變，從而直接影響測量精度， 空氣折射率的補償效果好壞在高精度干涉測量中起著瓶頸的作用。通過測量空氣介電常數(shù)來 測定空氣的相對折射率，所使用的傳感器就是一系列簡單

11、的平板電容器，平板間的的介電常 數(shù)；r就決定了電容器的電容大小，通過測量電容值來測量相對介電常數(shù)，從而也就測定了相 對折射率。在綜合修正的補償系統(tǒng)中，一般是在量程中布置有限幾個電容傳感器，采用計算 機(jī)控制多點測量來擬合折射率在全量程的變化曲線，利用多項式插值可得量程內(nèi)任一點的空 氣折射率值n（IJ，以提高測量精度。1平板電容法測量介質(zhì)折射率對空氣相對介電常數(shù)&的測量可采用電容傳感器（如圖3-1平板電容器所示）圖3-1電容器；0 ；rSd(31 )平行極板電容傳感器的電容值 C為:式中 S，d分別為電容器的極板面積和極板間距，K=£oS/d為一 常量?？梢?，在S和d不變的情況下

12、，電容C與空氣相對介電常 數(shù)$成正比，測量電容C即可測量空氣相對介電常數(shù)由于真空介電常數(shù)$0的數(shù)值非常小，為提高測量靈敏度，需要采用較大的 極板面積和較小的極板間距.但極板間距不能過小，否則，其間的 空氣介質(zhì)流動性受到影響而不反映測量環(huán)境的空氣情況.為使S和d在測量過程中保持不變，電容器應(yīng)選用零膨脹系數(shù)的材料制作電容C的測量方法通過一個微處理器自動跟蹤鎖定 量原理見圖1。LC并聯(lián)回路的諧振頻率，對電容的變化進(jìn)行測量，測圖丨諧振法測重電容痰理圖被測電容C和一個電感L組成LC并聯(lián)諧振回路，位于運算放大器A的反饋回路中丄和 C的數(shù)值決定了電路的初始諧振頻率并聯(lián)電阻Rp為電容C的寄生電阻，r為電感線圈

13、L的電 阻。系統(tǒng)的反饋控制裝置包括相位差計、A/D、微處理器、D/A、壓控振蕩器（VCO）等，通過總使壓控振蕩器的輸出Vs與放大器A的輸出V。之間的相位差為零，而跟蹤鎖定不同的電容 值時諧振回路的諧振頻率。VCO的輸出信號Vs的頻率由微處理器控制下的 D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果確定。模擬相位差計的輸 出信號Vf反映出V。與Vs之間的相位差的大小，經(jīng)放大和 A/D轉(zhuǎn)換送入微處理器當(dāng)V。與 Vs之間的相位差為180°時，Vf=0.如果運算放大器具有理想的特性，則有j 週CLRP2(1 rRp) oZrVsR(3 - 2)7#式中co0 =1/jLC為振蕩回路固有角頻率；3為信號Vs的角頻率.由于r/

14、Rp< 1在=磯時，阻抗為2(3 - 3)Zr ： (j 0 L°r)CLRp/ j(L CRpr)對阻抗Zr的分析分為兩種情況：當(dāng)電感 L的品質(zhì)因數(shù)QL=o L/r接近于無窮大，即r0 時，Zr=Rp，相當(dāng)于純電阻，并且不受C與L值的影響.Vo與Vs之間的相位差為180°當(dāng)電容 C的品質(zhì)因數(shù)Qc=3 CR接近于無窮大，即 Rp-刈寸，阻抗Zr二L - P L/C，它不僅不是RC純電阻，而且受C與L值的影響.可見電感L的品質(zhì)因數(shù)對ZR的影響遠(yuǎn)大于電容C的品質(zhì)因 數(shù)對Zr的影響，實際電路中應(yīng)選用r 0的電感線圈.當(dāng)C發(fā)生變化時諧振回路失諧，使 Vf工（微處理器作為一個積

15、分運算器，通過 VCO調(diào)節(jié) Vs的頻率，直至 Vf=0,使電路重新達(dá)到諧振狀態(tài)，然后微處理器計算出電容的變化量 C.因為3=1八LC，所以(3-4)。/ 0 f ；f。/ f。- - C/(2C)即諧振頻率的變化 直接取決于 C經(jīng)標(biāo)定后，微處理器可給出與 成正比的數(shù)字輸 出.從式（5-4 ）可見，通過增加諧振頻率f。，可以獲得高的40/ 靈敏度.但過高的f0會使 VCO的精度降低.因此選擇f0時，應(yīng)綜合考慮靈敏度和所需要的測量分辨率， 因此選擇f0時, 應(yīng)綜合考慮靈敏度和所需要的測量分辨率.三、典型的干涉測距儀1、械移相測距儀測距儀光路圖如下圖。穩(wěn)頻He-Nq激光器輸出的偏振激光束經(jīng)過主軸方向

16、與偏振方向成45°角的入/4波片，變成圓偏振光，這樣反射回來的圓偏振光再經(jīng)過入/4波片，又變成線偏振光，且偏振方向旋轉(zhuǎn)90°,以防反射光返回激光諧振腔影響激光器的正常工作。經(jīng)過倒置望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束后的激光束入 射邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)。#經(jīng)M、M反射鏡反射的光波再次經(jīng)過分束鏡 BS,又合成一束光進(jìn)行干涉，兩束光的光程差為：人=2（L2 - L1）。穩(wěn)頻偏振（去耦）入/4 倒置望遠(yuǎn)He-Ne激光器波片鏡擴(kuò)束邏輯電路雙向計數(shù)器DiD2#則兩束出射光的光場為：巳二Eiosint,E2 二E2osin（-i."：）且EgE2E。對于可見光，1015Hz，任何光電器件都不能對此時時響

17、應(yīng)，所能檢測到的只能是時間平均值。兩光束的合成光強(qiáng)為：I= I1I22（I1I2）1/2cos（ / J =2Eo2E（2cos（2：/） =2l01cos（2/ ）移動M使其變化丸2=光程差厶發(fā)生變化，對應(yīng)的條紋變化數(shù)為：厶”=2丄2/-，從而得到 丄2 YN /2。適當(dāng)調(diào)節(jié)狹縫S、S2，使二干涉場的相位差為二/2或90°，（因為兩束光均為平行光束，且 M、 M不可能完全垂直，故為等厚干涉，干涉圖樣為相互平行的明暗干涉條紋，調(diào)節(jié)狹縫S、S2的位置，例如Si正好對準(zhǔn)亮條紋，S對準(zhǔn)兩個亮條紋的1/4處，二者相位差則為90°），使得 后序的邏輯電路判斷出 M是正向移動還是反向移

18、動，正向移動雙向計數(shù)器加1,方向移動減1, 從而得到真實的條紋變化數(shù)。若將兩個電信號分別輸入示波器的 X、丫軸，L2變化時，示波器上就會出現(xiàn)李薩如圖形， L2每變化 /2，示波器上的光點移動一個圓周，光點軌跡的移動方向取決于 M的移動方向 測量分辨率至少可以達(dá)到 /8。2、分偏振法移相測距儀（45°萬向）穩(wěn)頻偏振入/4 倒置望遠(yuǎn)邏輯電路雙向計數(shù)器前面介紹的測距儀中，隨然加入了 /4波片可以消除反射光對激光器的影響，但是由于 14，不可能完全的消除反射回諧振腔的光波。這就出現(xiàn)了下面的無反作用干涉測距儀。光 路圖如上圖。它有兩個具有90°相移的條紋系統(tǒng)。穩(wěn)頻激光器輸出的線偏振光

19、經(jīng)過光軸與偏振方向成 45°的扎14波片后，變?yōu)閳A偏振光（假設(shè)為右旋偏振光），然后，經(jīng)分束鏡BS分成參考光束和 測量光束（兩光束光強(qiáng)近似相等）。其中入射BS2的為參考光束（仍為右旋偏振光），另一束入 射逆反器M,經(jīng)過兩次光密到光疏介質(zhì)的全反射，相互垂直的偏振光產(chǎn)生180°的相位差（每經(jīng)過一次光密到光疏介質(zhì)的全反射，相互垂直的偏振光產(chǎn)生90°的相位差），這樣經(jīng)過逆反器M的光束仍為圓偏振光，只是圓偏振光的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了變化，由原來的右旋偏振光變?yōu)樽?旋偏振光。左旋的測量光束和右旋的參考光束經(jīng)合束鏡 BS合束，形成線偏振光，只是線偏振 光的偏振面隨兩光束的光程差的變化（

20、逆反鏡 M的移動）而旋轉(zhuǎn)，逆反鏡 M每移動九/ 2，偏 振面就旋轉(zhuǎn)360° （一周），偏振面旋轉(zhuǎn)的方向取決于逆反器 M的移動方向。調(diào)整光電探測器 D、D2前的檢偏器的透射光軸，使二者的透光方向（偏振方向）相互垂直，則光電探測器D、D2所輸出的電信號位相差為90°。將電信號饋入邏輯電路，依此根據(jù)脈沖順序確定逆反器的移 動方向，進(jìn)行計數(shù)，得到偏振面旋轉(zhuǎn)的周數(shù)。需要注意的是，逆反器每移動 /4，光電探測器D就接收到一個光脈沖（偏振面旋轉(zhuǎn)180°）,若計數(shù)器計數(shù)為N,則逆反器移動的距離應(yīng)為： .丄二N /4 （而不是 /2），分辨率比邁克爾遜干涉儀提高一倍。四、光束調(diào)制遙

21、感測距上面介紹的干涉測距儀都是通過測量移動逆反鏡過程中干涉條紋的變化數(shù)，來間接得到 逆反鏡的移動距離 L的。這種方法的優(yōu)點是測量精度高，但是對于長距離測量，例如 幾Km 幾十Km就不可能通過移動逆反鏡來進(jìn)行實際的距離測量，這就發(fā)展起來了遙感測距技術(shù)。 在光束調(diào)制遙感測距中，所用激光器一般為半導(dǎo)體激光器，因為半導(dǎo)體激光器容易實現(xiàn)調(diào)制， 利用輸出光強(qiáng)隨注入電流的線性變化，這樣注入一正弦變化的電流，就能得到正弦變化的光 強(qiáng)輸出。在光束調(diào)制遙感測距中，利用振幅調(diào)制或偏振調(diào)制的輸出光束進(jìn)行長距離測量lT(t)M設(shè)強(qiáng)度為It （t）的振幅調(diào)制光束從激光光源 S發(fā)射到D逆反鏡R,被測距離為RS=L光電探測器

22、所接收到的反射TTA WIT(t)IR(t)IR(t)光為厲，光束傳播的時間為，在一級近似下，lR（t） =rT（t - ），其中：-恒定衰減常數(shù)。實際上，在傳播過程中，衰減常數(shù)：是隨傳播時間變化的，并會引起 調(diào)制波形失真，特別是方波，失真最嚴(yán)重，如右圖。若米 用正弦波強(qiáng)度調(diào)制（失真最?。?，發(fā)射的光強(qiáng)為：IT （t - 10（1 ms in 1:t）,其中m -調(diào)制深度；'、-調(diào)制角頻率反射回來的光強(qiáng)為:lR(t) - ： 101 ms in" t -比較所發(fā)射的光束與反射回來的光束的相位，就會得到二者的相位差門，根據(jù)的大小可以導(dǎo)出以調(diào)制周期T =2J為單位的渡越時間，或以調(diào)

23、制波長u=cT/： ng 所表示 的幾何距離L。,2L： ng /c,其中：:入 一-所用光波波長沿光路傳 播的群折射率的平均値 典型的下變頻比較相位法測距裝置如下圖。sin門t同時輸入為厲=.T（t - ）八1。1 ms in小-.，調(diào)制信號sin “t與輔助調(diào)制信號11#混頻輸出為：與輔助振蕩信號混頻器M ,由于混頻器為低通輸出，只輸出門D-門-門的信號，:sin沁si ntcosDt;光電倍增管 PM的輸出信號為:si n（t-）， sin E經(jīng)混頻器 M混頻輸出為：:sin? （t - ） sinMcosDt -門）。為了便于測量，一般取"30MHzQd 12KHz，將混頻信

24、號cosi't與cosC't）輸入相位比較器，得到Oj至此按理說由可以得到測量值L。但是具有多值性（2n兀）。為了消 除這種多值性，一般使用三個已知長度U1、U2、U3作為調(diào)制波長（第一次調(diào)制波長為U1，第二次 調(diào)制波長為比，第三次調(diào)制波長為U3）。為了求出L值，須求解下列方程組：2L 汕5 h（ 1）2L 二 r2u2 l2（2）2L = 3 丄（3） ri、"、r3為對應(yīng)波長的整數(shù)波長數(shù)， 匚丄為加到整數(shù)波長上的分?jǐn)?shù)波長數(shù)，可以從相位比 較器的輸出獲得，： ： 360°）= h /360°。上述三個方程中，有四個未知數(shù) L、ri、2、"

25、;，必須加入第四個條件才能求解，這個條件 就是ri、m r3是相互關(guān)聯(lián)的整數(shù)（都是調(diào)制波長的整數(shù)倍）。為了方便起見，調(diào)制波長的選擇為：20U| =21u3 =50m;400U| =401u2 = 1000m；=u1 =2.5m; u3 = 50/21 2.38m;u2 = 1000/401 2.49m對于3, 0<L<50m3=1,以后每增加 50m3 的值加 1 （例如 50m 蘭 L<100m, r3 =A+1）；對于 r2,0<L<1000mr2=r1，以后每增加 1000m2的值加（例如 1000m 空 L ： 2000m,r2 話 1 ）。為了求出1、2

26、、3的實際值，必須首先知道測量距離L的Km數(shù)P，知道了 Km數(shù)P,可求 出2=P+n,由方程（1）、（2）可得：1比+h = Qu? +I2二1 = 一匕，帶入方程（1），可得5 u22L 二 Pu2 12 “1 5=401（Pu2 I2 -IJ hu1 - u2例如P=0, （L在01000m之間），2L=401（Pu2 l2-h） l1，可以粗略計算，給出2L的百米 數(shù)（我認(rèn)為是求整到有效數(shù)字百米，例如2L=465m求整應(yīng)為400m）；下邊的數(shù)值可根據(jù)221（13 -I1） I1求得，在這里21（13 -I1）也應(yīng)是求整至2.5m的整數(shù)倍上例如21（13 -IJ =7.4m =2.5*2

27、2.4m =5.0m；最后的數(shù)值由 h 給出。激光遙感測距測量精度可達(dá)幾 mm測量范圍幾Km到幾十Km§ 3.2激光干涉測量微小間隔微小位移、微小間隔的測量，要求精度非常高，一般的機(jī)械測量無法滿足要求，而以激 光為光源，以光的干涉為基礎(chǔ)，就可以以光的波長為測量單位，對微小位移進(jìn)行精密測量， 可以大大提高測量精度。1、標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)長度的檢測工廠或質(zhì)量檢測部門常用的長度標(biāo)準(zhǔn)一塊規(guī)或叫端規(guī)，由于長期使用，會出現(xiàn)磨損，需要用 標(biāo)準(zhǔn)的塊規(guī)進(jìn)行比較測量，以確定其是否準(zhǔn)確。測量光路如下圖。測量過程這樣進(jìn)行，將待測塊規(guī) A和標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)S并排放在一標(biāo)準(zhǔn)平面（一般用一塊光學(xué)12平晶）Q上，表面光學(xué)接觸，待測塊

28、規(guī) A和標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)S間 的位移量為d。在他們上面再放一塊光學(xué)平晶 P,平晶P 的下表面與塊規(guī)A、S的上表面構(gòu)成了一個楔型空氣層。 當(dāng)激光束自上而下照射時，兩表面所反射回來的光波會 產(chǎn)生干涉，在讀數(shù)顯微鏡里就會觀察到等厚干涉條紋。 若待測塊規(guī)A的兩端面很好的平行，將觀測到直而平行 的等間距干涉條紋，且等厚干涉條紋和標(biāo)準(zhǔn)平晶P與塊規(guī)的接觸線平行。測出干涉條紋的間距e，就可以得到楔 角a。因為相隔一個干涉條紋間隔的空氣層的厚度為d2干涉條紋QAS-/2，則#從上式可以看出，條紋間隔e“二h * =兩塊塊規(guī)的咼度差-o當(dāng)條紋間隔e較小時（干涉條紋很密），應(yīng)測量一定間隔內(nèi)的條紋個數(shù)，從而求出條紋間隔 e,

29、這樣比單獨測量相鄰兩 干涉條紋的間隔要準(zhǔn)確的多。使用激光干涉方法測量塊規(guī)的高度差，測量精度可以達(dá)到零點幾微米，甚至更高，這是 其他方法無法達(dá)到的。前面只介紹了如何測量標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī) S與待測塊規(guī)A間的高度差，如果是加工標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)的生 產(chǎn)廠家，還需知道是S高，還是A高。方法很簡單：在 A端輕輕給光學(xué)平晶P以壓力，觀察 干涉條紋間距的變化，若干涉條紋間隔 e變?。ǜ缮鏃l紋變密），說明.:h增大，以此可以確定S比A高，反之A比S高。2、激光干涉法測量光學(xué)平板（光學(xué)平晶）兩表面的不平行度（楔角）除此之外，還要測量待測塊規(guī) A兩端面是否平行，前面介紹過，當(dāng) A的兩端面相互平行 時，干涉條紋平行于 P與塊規(guī)的接觸

30、線；若干涉條紋與接觸線不平行，則說明塊規(guī) A兩端面 不平行（條紋密端與 S的高度差大）。測量光路如右圖。已知屏 到待測光學(xué)平晶間的距離為 D, 光學(xué)平晶的厚度為d,測量干涉 環(huán)中心到屏的小孔中心的距離 就可以得到待測光學(xué)平晶兩表 面的夾角a。測量原理圖為下 圖。He-Ne激光束經(jīng)透鏡會聚成球面波，經(jīng)過屏的中心小孔，入射待測光學(xué)平晶，經(jīng)光學(xué)平晶的前后表面所反射的球面波 在觀察屏上形成同心圓的干涉條紋。若待測光學(xué)平晶的兩表面完全平行，則干涉條紋應(yīng)為以 屏上小孔中心S為圓心的同心環(huán)，否則，同心干涉圓環(huán)中心S就會偏離小孔中心S,這就說明待測光學(xué)平晶兩表面有一夾角a ,依據(jù)干涉同心圓環(huán)的中心 0偏離開小

31、孔中心S的距離艮，就可以計算出待測光學(xué)平晶兩表面的夾教a。在下圖中，I 待測平晶前表面反射光波的波振面，對應(yīng)小孔中心S的虛象點S-i ,11-S-S,=2D，小孔中心S相對應(yīng)平晶后表面的虛象點S2的位置取決于待測平晶的厚度 d、 折射率n和楔角a，且位于經(jīng)過S向后表面所作垂線的延長線與波振面 I、II的交叉點0 與前像點S1的連線的交點處。從圖中可以看出，S-SS2二n， Si - -S2 = 2d /n（由折射定律可知，光線從光密到光疏，折射角比入射角小，等效為平晶厚度變小 ）。因為na很小，S；A2Dn> ,所以i23 A _ 2Dn ： _ n D ：Si S2 2d/n d，故有

32、:= 't1 -'t1 亠 n"(i 晉)2n D：d(,nDd1)2 22n 2DdRsd2n2D2由此可以看出，v工，即_：i=二，干涉儀可視為平晶楔角a的放大器，放大倍率為假 設(shè) D=1m, d=2.4mm, n=1.55，n2D/d 103，若 a =5*10-6 弧度，這樣F=2D0 =1000*5*10-3=10mm而一般的機(jī)械測量能測量到 0.1mm上述測量裝置就可以測量到 待測平晶兩平面的最小夾角到 5*10-8弧度。至于夾角的方向，可根據(jù)干涉條紋圓環(huán)中心O的方位來確定a的方向。3、棱鏡角度的測量在前面所介紹的激光干涉測距儀中，經(jīng)常用到棱鏡，棱鏡的角度

33、是否合乎要求，需要對讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡MB八入射激光束入射激光束BSAABS15#4入射激光束讀數(shù)顯微鏡*若溫度從 to上升到t，通過讀數(shù)0.幾)，每移動一個條紋，空氣層厚其進(jìn)行測量。我們可以利用等厚干涉對棱鏡角度進(jìn)行測量。測量光路如上圖。選一塊有標(biāo)準(zhǔn)角度的棱鏡 A和一塊光學(xué)平晶B,構(gòu)成一個與被測棱鏡相對應(yīng)的角，在將 被測棱鏡按上圖放于光學(xué)平晶 B上, He-Ne激光束入射被測棱鏡，標(biāo)準(zhǔn)角度棱鏡 A的后表面 與待測棱鏡 W的表面構(gòu)成一空氣楔角，在讀數(shù)顯微鏡里就會觀測到等厚干涉條紋，測出干涉 條紋的條紋間隔e，就可以測出待測棱鏡角度與標(biāo)準(zhǔn)角度的角度差a =入/ (2e)。為了提高測量精度，一般

34、測量幾個條紋的間距Ne=(N 1)，/(2Ne)，N-條紋個數(shù)4、激光干涉法測量物體的膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)是材料的一個很重要的參數(shù)，利用激光干 涉的方法可以很精確的測量材料的膨脹系數(shù)。 測量裝置 如右圖。A、B為兩塊光學(xué)平晶平板，中間所放圓環(huán)為 已知低膨脹系數(shù)的石英或銦鋼環(huán)， 環(huán)與A、B光學(xué)接觸， 待測物體W至于腔內(nèi)，且 W上下表面研磨成光學(xué)表面。 因為待測物上表面與平晶A的下表面不可能完全平行， 故二者會形成一楔型空氣層。當(dāng)用平行激光束照射時， 在讀數(shù)顯微鏡中就會觀測到圖中的等厚干涉條紋。 將測 量腔體放入一緩慢升溫的環(huán)境中，當(dāng)溫度上升時，由于 石英環(huán)(或銦環(huán))與被測物體W的膨脹系數(shù)不同，中間

35、的空氣層厚度會發(fā)生變化，干涉條紋就會向一個方向移動, 顯微鏡視場中某一刻線的條紋個數(shù)為 N(當(dāng)然也可以讀到 度增大入12，對應(yīng)空氣層的變化量為：4二N，/2 (為環(huán)c的咼度變化量 Lc與W的咼度變化量 S 之差)即L二N /2- J，而Lc可根據(jù)環(huán)c的高度與對應(yīng)膨脹系數(shù)及溫度茶差出。這樣就可得到W的膨脹系數(shù)。Lw(tto)§ 3.3玻璃內(nèi)應(yīng)力的激光干涉測量我們在日常生活中，處處離不開玻璃制品，小到日常使用的玻璃杯、日光燈管、電視機(jī) 顯象管等、大到飛機(jī)、航天飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃等。這些玻璃制品，雖然在熔制過程中經(jīng)過了退 火處理，以消除其內(nèi)應(yīng)力，但總會還有一些殘存應(yīng)力存在，稱之為永久應(yīng)力，這種

36、殘存應(yīng)力 大到一定程度，就會影響使用性能，例如，光學(xué)實驗中使用的透鏡，殘存應(yīng)力會使得其產(chǎn)生 慧差，導(dǎo)致焦點增大，飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃殘存應(yīng)力大到一定程度，在飛行過程中，承受不住外 界空氣的沖力或內(nèi)外壓力差，造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重災(zāi)難。所以在特殊應(yīng)用玻璃應(yīng)進(jìn)行殘存應(yīng) 力的檢測。一、玻璃內(nèi)應(yīng)力干涉測量原理檢測的原理基于殘存應(yīng)力的存在會產(chǎn)生雙折射，通過測量所產(chǎn)生雙折射的大小，測量玻 璃內(nèi)的殘存應(yīng)力的大小。所謂雙折射，就是光波場在具有雙折射特性的材料中傳播時，分成振動方向相互垂直的 兩束偏振光，一束為 0（Ordinary ）光（尋常光），尋常光線無論入射方向如何，出射光線總 是在入射面內(nèi)，且折射角的正弦與出射

37、角的正弦之比恒為常數(shù)，即符合折射定律；另一光束正單軸晶體折射率橢球副單軸晶體折射率橢球為e（Extraordinary） 光（非常光），一般情況下，即使入射角為 0°，折射角也不為0°，即不 遵守折射定律。我們以單軸晶體的折射率橢球來理解雙折射現(xiàn)象。0光不管向哪個方向傳播，振動方向總是垂直于由波矢 K與光軸所組成的主截面，且折 射率恒為no；而e光，入射方向不同，傳播特性不同，當(dāng) e光沿光軸方向入射時，其折射率 與0光相同，當(dāng)沿其他方向入射時，貝U不同于 0光，其折射率如圖所示，且e光的電矢量振 動方向始終位于由波矢K與光軸所組成的主平面內(nèi)。光學(xué)玻璃的殘存應(yīng)力，同樣使其產(chǎn)生

38、雙折射現(xiàn)象，根據(jù)光應(yīng)力定律：nO -n = g G c2；2 O二光程差 一cd（J -為 （其中c常數(shù)，d厚度）ne -n =C2；1 Cc 2、玻璃內(nèi)應(yīng)力激光干涉測量技術(shù)玻璃內(nèi)應(yīng)力的激光干涉測量技術(shù)是集光、電為一體的測量方法，光程差測量精度可以達(dá) 到0.3nm以下。測量原理圖如下。18起偏器P的透光振動方向為丫方向，檢偏器A的透光振動方向為X方向，即P丄A,光電 晶體E加電場后的快慢軸方向分別為 X、丫方向，與P、A的透光方向成4角，M為待測玻 璃板。測量過程為：1、未加入待測玻璃板MXA 僅在電光晶體上加一直流電壓 Vd,經(jīng)過起偏器P后，激光束變成沿丫方向振動的線偏振光，入射電光晶體E后

39、,分解為振動方向分別為X、丫的振動方向相互垂直的兩束線偏振光，經(jīng)過電光晶體 E后，兩束光的相位差為d »Vd/V二，其中，V：電光晶體的半波電壓，晶體的材料、尺寸大小一旦確定，半波電壓V二就是一個定值?，F(xiàn)在來分析檢偏器A的透射光強(qiáng)為何？入射電光晶體的光場為：Ep = E0 cos t，分解為沿X、Y振動的光波場Ex、Ey，經(jīng)過電光晶體E后，二者產(chǎn)生了一相位差 %，貝U出射的二光波場可寫成:Ex 二 Epcos45° = .2Ep/2,Ey 二 Epsin45°e，D = 2Epei ；D /2能夠透射檢偏器A的光波場應(yīng)該振動方向為X方向，也就是說，將從電光晶體 E

40、出射的 光波場沿X方向合成（投影），合成的光波場為：Ex =ExCOs45° _Ey cos（180。_45°）二號（1 _e，D）Ei透射光強(qiáng)為：J 二 Ex E；二寸（1D）（ld D）二號（Icos D） 去掉直流電壓（VD=O）,在電光晶體上加一頻率為f的正弦波電壓信號，Vf -Vo sin2二ft，貝U E；、Ey 的相位差為0sin2二ftVn貝U,透射光強(qiáng)為：I；卩-cos伍/ sin2ift）為了便于分析，將余弦項按級數(shù)展開,2 V 一并忽略高次項，得到：I IoI X -2= S| |_丄（兀 Ylsin2%ft）2+"_2 I 2! VJT十（

41、晉52"19#利用三角函數(shù)的倍角公式cos2> =I-2sin2，就得到透射光強(qiáng)的表達(dá)公式:I -cos2 二 2 ft2Vo）2 I -cos（2：2ft） IV 二#從上式可以看出：當(dāng)電光晶體上只加一正弦波電壓信號時，透射光強(qiáng)為一頻率為2f的倍頻信號，所以在示波器上，可以觀察到一頻率為2f的交變信號。2. 加入待測玻璃板M后測量過程將待測玻璃樣品放入測量光路中，偏振光通過M時，同樣會分解成沿主應(yīng)力方向 Gf2方向的相互垂直的兩偏振光，且兩相互垂直的偏振光間會產(chǎn)生一相位差 M =光程差?，F(xiàn)在的問題是如何求出，為此應(yīng)先確定待測玻璃樣品的主應(yīng)力方向,二2在電光晶體上加一正弦信號

42、VoSin2ft，旋轉(zhuǎn)M，觀察示波器上的掃描信號，當(dāng)JM的兩主應(yīng)力a2的方向分別與起偏器 P和檢偏器A平行時；示波器上為倍頻正弦 信號，這是因為M的加入只是給透射光引入了一固定相移。Ex = 1 Ep（1 _e®）ei<lM = I x = ExE：=仏（1 _cos申）=“（兀 V）2 1-cos2 ft228V-1,二2方向與x',y'方向平行,然后將M仍以光軸為軸再旋轉(zhuǎn)450角，此時主應(yīng)力二再在電光晶體上施加一直流電壓 VD,并逐漸增大直流電壓 VD,直至示波器上出現(xiàn)倍頻信號，此時，待測樣品M與電光晶體E所產(chǎn)生的相位差的總合 d = 0（E和M的快慢軸方向

43、相互垂直）或°二匚I二二（E和M的快慢軸方向一V°° sin2 二ft，對于°MD "Vlx=“H-cos 丨=匕（二）2-8$2 二 2ftl28V_.JT若示波器的丫輸入為直流耦合，掃描信號如右圖。M - - D =二 VDV 二對于 ° 二 M D -二，=T x = 5 1 cos 丄匕 4 -（二蟲）2 1 - cos2二 2 ft ° M D ， x 28 V,一示波器仍采用直流耦合，倍頻信號應(yīng)在掃描基線 （接地掃描線）之上，見右圖。M = D而 當(dāng)°M *D =°或二時lxJ。2 2

44、6;晉s2 (1 -c 2 兀2 ft、丨 s (2 )21#示波器上的信號為基頻信號與倍頻信號的混合信號#22§ 3.4激光光纖干涉測量光纖是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的，并很快被廣泛應(yīng)用。由于光導(dǎo)纖維具有可彎曲性， 且體積小、重量輕、光信號長距離傳輸損耗小、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點，再加上光學(xué) 干涉測量的諸多優(yōu)點，使得光纖關(guān)涉測量在航空航天（溫度、壓力、光纖陀螺等）、石油（井下溫度、壓力測量）、電力（高壓輸電線路的電壓、電流測量）、醫(yī)療（血流速、血壓測量） 等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。一、光纖干涉測量的概念將光纖代替干涉儀中的部分復(fù)雜光路，而發(fā)展起來的以單模光纖為基礎(chǔ)的干涉系統(tǒng)。傳 統(tǒng)

45、的幾種干涉儀都可以由光纖組成而成為光纖干涉儀。光纖干涉儀即可以得到與傳統(tǒng)分立式 干涉儀相比擬的性能，又克服了傳統(tǒng)分立式關(guān)涉儀所涉及到的穩(wěn)定性問題和抗環(huán)境干擾問題, 從而增強(qiáng)了光纖干涉儀的實用性。光纖干涉儀就是利用被測物理量改變光纖內(nèi)傳導(dǎo)的光波場 的光學(xué)特性，比如，壓力、應(yīng)力、溫度、電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度等都可以改變光纖的折射率， 而折射率變化就會產(chǎn)生相位差，再通過光波場的干涉，將由物理量所引起的微小相位差變化 量、頻率變化量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢灾苯訙y量的光強(qiáng)變化，從而得到被測物理量的大小。二、 光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)形式光纖干涉儀根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式基本上可分為四種 Michelson （邁克爾遜）光纖關(guān)涉儀個條紋對應(yīng)

46、2 n的相位差變化），從而得它是基于傳統(tǒng)的 Michels on干涉儀發(fā)展起來 的。光路圖如右圖。激光束入射光纖，經(jīng)3dB耦合 器分成光強(qiáng)緝私相等的兩光束，分別進(jìn)入 Michelson干涉儀的參考光束臂（光纖）Mi和測量 光束臂（光纖）M2。被測物理量置于測量光纖端， 影響測量光纖中光波場的相位、 頻率等，再由反射 鏡Mi、M2將激光束反射回至3dB耦合器，進(jìn)行干 涉后，再耦合到光電探測器，測量由被測物理量所 引起的光波場特性的變化（例如干涉條紋變化，每 到被測物理量。Michels on光纖干涉儀很適合于點測量，可以用來測量震動、位移、應(yīng)力、溫 度等，缺點是反射光會反饋到激光諧振腔內(nèi)，影響激

47、光器的穩(wěn)定性。Mach-Zehnder （馬赫-澤德）光纖干涉儀激光束經(jīng)3dB耦合器分成強(qiáng)度近似相 等的兩光束分別入射參考光纖和測量光 纖，被測物理量作用于測量光纖，使光波 場的特性發(fā)生變化，參考光束與測量光束 在另一 3dB耦合器中相遇并發(fā)生干涉，再 將干涉光波場送至光電探測器 Di、D2,將 被測物理量所引起的相位變化通過干涉條 紋轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化。由于該干涉儀的結(jié)構(gòu) 特點，在該干涉儀中只有少量或沒有光波 反射回激光諧振腔，故不影響激光器的工 作穩(wěn)定性。且該干涉儀輸出的兩路干涉信號位相相反，這非常便于后續(xù)電路做辯向、細(xì)分等處理，從而使該種光纖干涉儀成為應(yīng)用最 多的結(jié)構(gòu)，可用于測量位移、高電壓

48、、大電流、磁場、應(yīng)力等物理量。Sagnac（薩格奈克）光纖干涉儀激光束經(jīng)3dB耦合器分成光強(qiáng)比為1： 1的兩光 束，分別輸入到一個多匝單模光纖圈的兩端，兩路光 反向傳播再回到3dB耦合器，在耦合器中相遇并發(fā)生 干涉，將干涉信號送入光電探測器。當(dāng)閉合光纖圈靜 止時，兩束光傳播的路程完全相同，故其相位差為0; 而當(dāng)光纖圈相對于慣性空間以 角速度轉(zhuǎn)動時，則兩 光路產(chǎn)生非互易性光程差，其干涉條紋的多少就反映 了光程差的大小，也就反映出了角速度3的大小。最 典型的應(yīng)用就是光纖激光陀螺儀，光纖激光陀螺儀與 其他陀螺儀相比，具有靈敏度高、無機(jī)械轉(zhuǎn)動、體積 小、成本底等優(yōu)點，是航空、航天及其他導(dǎo)航系統(tǒng)中優(yōu)選的

49、慣性導(dǎo)航儀。Fabry-Porot （法布里-珀羅）光纖干涉儀光纖干涉儀應(yīng)用舉例He-Ne Laser F-P腔光電探測器信號處理1、F-P光纖干涉氣體成分分析系統(tǒng)F-P腔的兩平行端面分別鍍有高反射膜， 被測氣體可從氣體注入口注入 F-P腔內(nèi)，如果 氣體成分、濃度不同，就會引起干涉條紋的變 化，從而得到其相應(yīng)的測量值。對于 F-P標(biāo)準(zhǔn) 具多光束干涉增強(qiáng)的條件為：2ndcos - m m 干涉條紋的級次，為正整 數(shù)，dF-P腔的長度，n-腔內(nèi)折射率，B- 腔面法線與入射光線的夾角。在上述光路中，二=0= cos71 =1=簡化為 2nd =m，。D 為定He-Ne氣體注入值，n發(fā)生變化就會導(dǎo)致干

50、涉條紋變化，測量干涉條紋的變化量，就可以得到折射率 n的變化量，而n的變化又是由氣體的成分、溫度、 壓力等物理量引起的，所以，通過測量折射率 n的變化量，就可以獲得氣體成分、壓力、溫 度等參數(shù)。Fabry-Porot光纖干涉儀屬于多光束干涉類型。由 光纖傳播的激光束，經(jīng)聚焦透鏡進(jìn)入F-P腔，入射光束 在F-P腔內(nèi)多次反射，形成多光束干涉，由于F-P腔的 參數(shù)受被測物理量的調(diào)制而產(chǎn)生干涉圖樣，由光電探測 器探測出干涉圖樣，就可以獲得被測物理量的數(shù)值。一 般是利用F-P腔的腔長或腔內(nèi)折射率的變化來感知被 測物理量（如溫度、壓力位移、氣體濃度等）。2、Mach-Zehnder光纖干涉儀測量溫度、壓力

51、測量光纖置于被測溫度（壓力）場中，參考光 纖置于恒溫（恒壓）場中，當(dāng)被測溫度（壓力）變 化時，測量光纖的折射率n就會產(chǎn)生變化量厶n，從 而引起相位變化=：nlj =干涉條紋變化，通過測 量干涉條紋的變化，得到對應(yīng)的相位變化量n 二?。?滬）3、干涉型光纖應(yīng)變傳感器如圖所示，在被測梁AB的上、下兩面 分別往返貼上光纖。激光器發(fā)射的光分成兩 束后分別導(dǎo)入這兩根光纖，會合于輸出端， 在屏幕上形成干涉條紋。若在B端使一外力 （如圖），被測梁發(fā)生彎曲形變， 上部光纖 伸長、下部光纖縮短，兩傳輸光的光程差發(fā) 生變化，于是屏上的干涉條紋發(fā)生移動，可 用條紋的移動數(shù)目度量梁的彎曲程度。 這種 傳感器體積小，靈

52、敏度高，若梁長 30cm,厚0.5cm,激光波長0.6328m，則梁的端 頭位置變化10m時，干涉條紋就會移動一條 4、干涉型聲波光纖傳感器聲波光纖傳感器示意圖如右圖所示。激光器射出的激光分別導(dǎo)入敏感臂光纖和參考臂光 纖。敏感臂光纖受聲波壓力作用，長度和直徑均發(fā)生變化，在其中傳播的光的相位因而發(fā)生 變化，并與另一路由參考臂光纖傳出的光互相干涉，再通過光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c聲壓成正比的 電信號.檢測器輸出的信號為片+20 Jp/蝕偏一呦:式中 ?疋丿號光檢測器的靈敏度；PS、Pr， 分別是信號光強(qiáng)和參考光強(qiáng)；1是干涉效率；：0是無聲波時信號光和參考光的相位差，通常因聲壓引起的很 小，當(dāng) 0 = 2時，

53、輸出i的變化為&=勿0 Vp幾坤這就是與聲壓成正比的聲傳感器的輸出。這種傳感器信噪比比較高。當(dāng)傳感器與聲波作用的 光纖長Im,輸入功率為Imw,檢測器帶寬為1Hz時，傳感器的檢測下限與人類對1kHz的可聽極限（20Pa）相當(dāng)。5、金屬封裝的光纖F-P干涉型溫度傳感器金屬毛細(xì)血管此傳感器的依據(jù)是利 用溫度改變Fabry- perot干 涉儀的干涉條紋來測量外 界溫度。其結(jié)構(gòu)如圖所示。該傳感器采用溫度敏 感的金屬材料作為法珀腔 的腔體，利用高精度位移 機(jī)構(gòu)將光纖兩端插入金屬 毛細(xì)管中形成低精細(xì)度的光纖法珀腔。光纖在金屬管的兩端通過膠粘的方 式固定。 當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時將直接導(dǎo)致金屬毛細(xì)管

54、的熱膨脹， 帶動 插入金屬管內(nèi)的光纖移動， 從而引起光纖法珀腔的腔長變化。 采用這種 方案，避免了膠直接作用于光纖法珀腔腔體上，消除了由于涂膠不勻引 起的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象， 簡化了封裝工藝。 同時， 金屬毛細(xì)管的長度即 為該溫度傳感器的標(biāo)距， 它將決定傳感器的靈敏度。 該傳感器的核心結(jié) 構(gòu)為光纖法珀干涉腔（F - P腔）。 在使用低相干光源時， 由于低相干光 源都具有一定的光譜寬度，因此可看成是多個波長，廣 2>./ n的迭加。光入射到F- P腔后，不斷地在F- P腔的2個端面之間進(jìn)行反射和透射，形 成多光束干涉。當(dāng)F- P腔的腔長是傳輸光半波長的整數(shù)倍時， 反射光強(qiáng) 最大。 通過對峰值波

55、長移動量的測量即可得到待測溫度的變化情況， 該 傳感器具有靈敏度與傳感器的標(biāo)距成正比的特性，可以通過改變標(biāo)距的方 法方便地調(diào)整傳感器的靈敏度。6、電場光學(xué)傳感器-干涉禺4電犠壤想取翻集成光路器件可構(gòu)成多種結(jié)構(gòu) 來進(jìn)行電場測量，最常見的是在LiNbOs 襯底上制造的Mach - Zehnder干涉儀波導(dǎo)器件， 具有大的電光系數(shù)，因而靈敏度高， 很適合于傳感應(yīng)用。電磁場傳感器 如圖4所示，它具有很好的線性、 微伏級靈敏度和大于 80dB的動態(tài) 范圍，干涉儀兩臂長度相差丄，產(chǎn)生固有的 900 相位差，以獲得最佳線性。對稱放置于干涉儀波導(dǎo)臂兩邊的電極與偶極子天線相連接，以調(diào)制與電場成正比的光輸出。Li

56、NbOs波導(dǎo)制成X切、Y向傳輸，以使熱電效應(yīng)引起的溫度不穩(wěn)定性最小，并獲得高的電壓測量靈敏度。四、 光纖布拉格光柵傳感器1、 光纖布拉格光柵 （FBG） 原理及制作方法1）光纖布拉格光柵 （FBG） 原理FBG 是 Fiber Bragg Grating 的縮寫， 即光纖布拉格光柵。 在纖芯內(nèi)形 成的 空間相位周期性分布的光柵， 其作用的 實質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個窄 帶的 （透射或反射）濾波器或反射鏡。 利用這一特性可制造出 許多性能獨特 的 光纖器件。 這些器件具有反射帶寬范圍大 、 附 加損耗小、 體積小， 易與 光纖耦合， 可與其它光器件兼容成一體， 不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異 性能。 目前應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域（光纖激光器、 光纖濾波器）和光 纖傳感器領(lǐng)域（位移、 速度、 加速度、 溫度的測量）。2）光纖光柵制作方法光纖光柵制 作分為兩個步驟， 光敏光纖制備和成柵， 成柵過程還涉及 紫外光源選取。a）光敏光纖的制備采用適當(dāng)?shù)?光源和光纖增敏技術(shù)， 可以在幾乎所有種類的光纖上不同 程度的 寫人光柵。 所謂光纖中的 光折變是指激光通過光敏光纖時， 光纖的 折射率將隨光強(qiáng)的 空間分布發(fā)生相應(yīng)的 變化， 如這種