光纤干涉仪

基本结构与工作过程

光纤干涉仪是一类把光波相位差转换为可检测光强信号的装置。其基本光路包含四个环节：光源发出的光经分束环节分成两路；两路光分别在两条光路（臂）中传输；两路光在合束环节重新叠加；叠加后的光由光电探测器接收并送入信号处理单元。

在光纤化实现中，分束与合束由光纤耦合器完成，两臂均为光纤。其中一臂作为参考臂，其光程基本不受被测物理量影响；另一臂作为传感臂，直接感受被测量（如温度、应变、压力、振动等）的作用。

相位差与干涉信号

光在长度为 $L$ 的光纤中传播时，累积的相位为

其中 $\beta$ 为传播常数（单位 rad/m），$n$ 为光纤纤芯有效折射率（无量纲），${\lambda }_0$ 为真空波长（单位 m），$L$ 为光纤长度（单位 m）。

被测物理量作用于传感臂时，会同时改变 $n$ 和 $L$，从而改变该臂的相位。两臂相位之差为

下标 $s$、$r$ 分别表示传感臂与参考臂。

两路光在合束处叠加，合成光强与相位差的关系为

其中 $I_1$、$I_2$ 为两臂各自到达合束处的光强（单位 W/m² 或探测器读数的相对值）。当 $I_1=I_2=I_0$ 时，上式简化为

可见相位差的变化被转换为光强的变化，探测器把光强转换为光电流，即完成“相位—强度—电信号”的转换。

迈克尔逊型光纤干涉仪

迈克尔逊型光纤干涉仪用光纤耦合器替代传统分光镜，两根光纤分别作为参考臂和传感臂。光经耦合器分束进入两臂，在两臂末端的光纤反射端面被反射，返回耦合器后合束，由探测器接收。由于光在每臂中往返一次，相位累积为单程的两倍，即

该式是在两臂长度与传播常数差异较小、可作一阶近似，并以共同基准长度 $L$ 和传播常数 $\beta$ 表示两臂有限差 $\mathrm{\Delta }L$、$\mathrm{\Delta }\beta$ 的条件下成立。这种结构只需一个耦合器，两臂末端各有一个反射端面，属于反射式（往返）光路。

马赫-泽德型光纤干涉仪

马赫-泽德（M-Z）光纤干涉仪属于双光束干涉仪。实用型 M-Z 干涉仪利用两个光纤定向耦合器分别实现分光与合光，构成全光纤化结构，以提高抗干扰能力。光从激光器出发，经第一个耦合器分为探测臂（传感臂）和参考臂，两臂末端经第二个耦合器汇合后形成干涉条纹。与迈克尔逊型不同，M-Z 型为透射式，光在每臂中单程传输，相位差为

该式同样是在两臂长度与传播常数差异较小、可作一阶近似，并以共同基准长度 $L$ 和传播常数 $\beta$ 表示两臂有限差 $\mathrm{\Delta }L$、$\mathrm{\Delta }\beta$ 的条件下成立。

技术关系与适用范围

光纤干涉仪属于相位调制型光纤传感器，其被测量通过改变传感臂的 $n$ 或 $L$ 来调制相位，再经干涉转换为强度信号。干涉输出对相位差呈余弦关系，因此存在非线性，且相位差每变化 $2\pi$ 输出重复一次，需注意相位模糊与工作点选择问题。

干涉仪要求两路光具有足够的相干性，光源相干长度应大于两臂光程差；同时两臂应尽量保持共模（如温度、振动）一致，以抑制共模干扰。全光纤化结构（如 M-Z 型用两个耦合器）可减少空间光路带来的对准与扰动问题，提高抗干扰能力。