迈克耳孙光纤干涉仪

基本结构与光路

迈克耳孙光纤干涉仪是相位调制型光纤传感器的一种实现形式，用光纤和光纤耦合器替代传统空间光迈克耳孙干涉仪的分光镜与空气光路。其基本组成包括：光源（通常为激光器）、光纤耦合器、参考臂光纤、敏感臂（传感臂）光纤、两个光纤反射端面以及光电探测器与信号处理单元。

光路由耦合器分成两支：一支为参考臂，对外界被测作用不敏感或受保护；另一支为敏感臂，直接感受被测量。两臂末端各有一个反射端面，光到达端面后被反射，沿原光纤返回耦合器。返回的两束光在耦合器处再次相遇并叠加，形成干涉，由耦合器的另一端口送往光电探测器。

干涉条件与光程差

干涉结果取决于两束返回光的光程差。设参考臂光纤长度为 $L_r$、敏感臂光纤长度为 $L_s$，光纤有效折射率为 $n_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}$。由于光在每臂中往返一次，两臂的往返光程分别为 $2n_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}{L}_r$ 和 $2n_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}{L}_s$，双臂反射往返光程差为

当敏感臂受到被测作用时，其长度和/或有效折射率发生变化，光程差随之改变。两束光在耦合器处叠加后的干涉光强可写为

其中 $I_1$、$I_2$ 分别为两臂返回光到达探测器处的光强，$\phi$ 为两束光的相位差。相位差与光程差的关系为

$\lambda$ 为光源在真空中的波长。可见，被测作用通过改变敏感臂光程，调制相位差 $\phi$，进而调制干涉光强 $I$。探测器把 $I$ 的变化转换为电流或电压信号，经信号处理后即可解调出被测量。

相位调制的物理机制

敏感臂光程 $n_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}{L}_s$ 的变化可来自两方面：一是光纤受力、受热等引起几何长度 $L_s$ 变化；二是光纤材料折射率或波导结构变化引起有效折射率 $n_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}$ 变化。两者都会改变往返光程，从而改变干涉相位。因此该结构本质上把被测量转换为光程差（相位差）的变化，属于相位调制型光纤传感器。

技术关系与特点

与传统空间光迈克耳孙干涉仪相比，光纤化带来的主要变化是：分光与合束由光纤耦合器完成，光路封闭在光纤中，抗外界杂散光和环境扰动能力较强，结构紧凑，便于把敏感臂布置到被测现场。由于采用反射式双臂结构，光两次经过敏感臂，同样的臂长变化产生两倍的光程变化，有利于提高相位灵敏度。

该结构对光源波长稳定性、耦合器分光比、两臂偏振态一致性以及反射端面质量有要求：两臂返回光的偏振态若不一致，干涉对比度会下降；光源波长漂移会直接引入相位误差。因此实际使用中常需采取稳频、偏振控制和参考臂隔离等措施。

适用范围

迈克耳孙光纤干涉仪适用于把温度、应变、压力、位移、振动等能引起光纤长度或折射率变化的物理量转换为相位变化的测量场合，尤其适合需要高相位灵敏度和反射式探头布置的传感系统。其输出为干涉光强信号，通常需要配合相位解调或条纹计数等方法才能得到被测量的连续变化。