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马赫曾德干涉仪马赫——曾德干涉仪。
马赫——曾德干涉仪（Mach-Zehnder; inter-ferometer）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；它用分振幅法产生双光束以实现干涉，被广泛用作传感器和光调制器。
一、实验目的1．掌握马赫曾德干涉仪的原理和结构；2. 组装并调节马赫曾德干涉仪，观察干涉条纹。
3. 学会调节两束相干光的干涉；二、实验原理与仪器He-Ne 激光器、平面反射镜1和平面反射镜2 、分束器、合束器、扩束滤波准直系统、可变光阑、光强衰减片、白屏。
图1 实验装置及光路图图1为马赫曾德的实验装置图，：由He-Ne激光器发出的激光由扩束镜（显微物镜）、针孔滤波和透镜准直后形成宽口径平面波，经可变光阑后，光斑直径变为1厘米后，再经分束器形成两路：透射光和反射光。
透射光被反射镜2反射后垂直入射到原始物平面Po上的物体上，经衍射后的物光经过合束器到达距离z=20厘米处的CCD记录面P H上。
经过分束器后的反射光作为参考光被反射镜1和合束器反射到P H面上与物光干涉产生干涉条纹，被CCD 记录下来传输到计算机中。
三、实验内容和步骤1 光学器件的共轴调节调节激光器水平，调整各器件的高度的俯仰，使其共轴。
在调节透镜时要注意反射光点重合。
2 平行光调节利用调平的激光器，通过调节扩束准直系统，得到平行光。
加入可变光阑，使平行光中心通过光阑的中心。
通过针孔滤波和透镜准直获得宽口径平面波后搭建MZ干涉仪，保证两束光在合束器后完全重合并产生平行直条纹的干涉图样。
3.首先在激光束的传播方法放置分束器，将He-Ne激光器的主光束平分得到两个分光束。
调整分束器角度，得到两条严格垂直的分光束。
在光路1中放置反射镜1，将分光束1的传播方向改变，该反射镜与分光器位于同一列螺纹孔。
反复调节反射镜的位置和反射角度，得到严格平行并且等高的两束光线。
在光路2中放置反射镜2，如果调节的方法正确，主分光束的反射光和另外一条分光束可以刚好在空间相交，该交点基本可以刚好满足严格的等过程。
光纤马赫曾德尔干涉仪结构的优化与应用研究光纤马赫曾德尔干涉仪是一种重要的光学仪器，其结构优化与应用研究对于提高其性能和应用范围具有重要意义。
本文将从理论和实践两个方面对光纤马赫曾德尔干涉仪的结构优化与应用研究进行探讨。
一、1.1 光纤马赫曾德尔干涉仪的基本原理光纤马赫曾德尔干涉仪是基于马赫-曾德尔干涉原理的一种光学仪器，它通过利用光的相干性和频率差异来实现空间分辨率的高精度测量。
该仪器主要由光源、分束器、反射镜和检测器等组成。
其中，光源是用来产生激光束的设备，分束器是用来将激光束分成两路的装置，反射镜是用来控制激光束方向的工具，检测器则是用来接收和处理激光束信号的部件。
二、2.1 光纤马赫曾德尔干涉仪的结构优化为了提高光纤马赫曾德尔干涉仪的性能和应用范围，需要对其结构进行优化。
具体来说，可以从以下几个方面入手：(1)优化分束器的设计：分束器是光纤马赫曾德尔干涉仪中非常重要的组成部分，其设计直接影响到激光束的质量和数量。
因此，可以采用一些新的设计方案，如采用数字信号处理技术来控制分束器的输出信号等。
(2)优化反射镜的设计：反射镜在光纤马赫曾德尔干涉仪中起到了控制激光束方向的作用。
为了提高反射镜的精度和稳定性，可以采用一些新的材料和技术，如采用超精密加工技术来制造反射镜表面等。
(3)优化检测器的设计：检测器是光纤马赫曾德尔干涉仪中最敏感的部分，其设计直接影响到测量结果的准确性和可靠性。
因此，可以采用一些新的传感器技术和算法，如采用多通道检测技术来提高检测器的灵敏度等。
三、3.1 光纤马赫曾德尔干涉仪的应用研究除了结构优化外，还需要对光纤马赫曾德尔干涉仪的应用进行深入研究。
具体来说，可以从以下几个方面入手：(1)研究新型光源：光源是光纤马赫曾德尔干涉仪中最重要的组成部分之一，其性能直接影响到测量结果的准确性和可靠性。
因此，需要研究一些新型光源，如掺铒玻璃灯、半导体激光器等。
(2)研究新型材料：为了提高光纤马赫曾德尔干涉仪的性能和应用范围，需要研究一些新型材料，如纳米材料、超薄材料等。
1.什么是“机电一体化”？以打夯机为例，内含机械与电器，问这是不是机电一体化产品？答：机电一体化又称机械电子工程，是机械工程与自动化一种，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics前半部分与电子学Electronics 后半部分组合而成。
打夯机不属于机电一体化产品。
由于打夯机只是一般机械加电器，它属于硬连接或者称为机械连接只能应用在就地或者小范围场所使用，不能满足大面积和远程控制。
而机电一体化就不一样样了，它不光有硬连接、机械连接尚有软连接。
机电一体化属于同步运用机械、电子、仪表、计算机和自动控制等多种技术为一体一种复合技术。
它不光可以就地操作，小范围应用，还可以大面积使用操作，远程监测、控制。
2.机电一体化技术构成是什么？答：机械技术、微电子技术、信息技术3.产品实现机电一体化后，可以获得那些成效？答：产品实现机电一体化后可以获得成效：产品性能提高、功能增强、构造简化、可靠性提高、节省能源、改善操作、提高灵活性等。
4.数字量传感具有哪三种类型？他们有什么区别？数字传感器按构造可提成三种类型：1.直接式数字量传感器——其辨别率决定于数字量传感器位数。
被测物理量→数字编码器→信息提取装置→数字量输出2.周期计数式数字传感器它构造示意图如下图1所示。
此种构造位移辨别率对低精度周期计数式数字传感器而言，仅由周期信号发生器性质决定。
例如，光栅当长1mm有100条刻线时，其辨别率即为0.01mm;对高精度周期计数式数字传感器而言，还要考虑到电子细分数。
如在100倍电子细分数下，此光栅辨别率就是0.1μm。
此种构造属于增量式构造，构造特点(位移方向规定)决定它不仅备有辨向电路，并且周期计数器还具有可逆性质。
图1 周期计数式数字量传感器构造方框图3.频率式数字传感器其构造示意图如下图2所示。
按振荡器形式，可将此种数字传感器提成带有晶体谐振器和不带晶体谐振器两种。
前者，按被测量作甩点，又分作用在石英谐振器上石英晶体谐振式数字传感器和作用在谐振器中储能元件上带有晶体谐振器调频式数字传感器。
实验报告马赫曾德干涉仪实验报告马赫-曾德干涉仪2011-03-17 11:20 P.M.班级08级物理系*班组别_1_姓名_Ayjsten_学号1080600*日期_ 2010.03.02指导教师_ _【实验题目】马赫-曾德干涉仪马赫-曾德干涉、针孔滤波器、相干长度。
【实验目的】1.熟悉所用仪器及光路的调节，观察两束平行光的干涉现象。
2.观察全息台的稳定度。
3.通过实验考察激光的相干长度。
【实验原理】针孔滤波器激光从发出，经过各种透镜的反射折射，会产生很多杂散光，如光学元件表面本身不够平整，表面落有灰尘等，而激光的干涉性又好，元件表面的问题导致激光产生大量散射光。
针孔滤波器原理图见图?，如图所示，聚光镜汇聚光的同时还产生很多散射光，而这些散射光的光线与没有受到干扰的光束的方向不同，只有没有受到干扰的光束才能通过针孔，从而过滤掉了其他的干扰光。
针孔的直径很小，一般约，从针孔后面看，就可以把它当做一个能产生球面波接近理想的光源。
这对于光学研究有重要的意义。
全息工作台基本要求是工作台的稳定性要好。
振动的一般来源是地基的震动，所以必须对全息台进行减震处理。
专用全气浮工作台是最好的减震台。
简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫和重的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。
记录全息图时，室内不要通风，工作人员不要大声讲话并与工作台保持较远的距离。
如全息记录时，物光和参考光交角为θ，干板中央处的干涉条纹间距为d=λ/sinθ(λ为激光波长)。
如果干板以大于d/2的振幅上下震动，则明暗部分将混乱。
所以在记录全息的过程中，工作台的稳定性必须考虑。
马赫-曾德干涉马赫-曾德干涉是用分振幅法产生双光束以实现干涉的干涉仪。
具体光路图见下图?所示。
马赫-曾德干涉中，在分束镜2处汇聚的两路激光一般是存在一个夹角的，调整分束镜2使夹角减小，则白屏上观察到的干涉就更明显。
由分束镜分开后的两路光路长度，要求是等长的。
若相差超出实验用的激光器的最大相干长度，则不能出现干涉。
双马赫—曾德尔型干涉仪定位技术研究潘岳;王健【摘要】在干涉型分布式光学振动传感系统中,双马赫—曾德尔技术具有较高的定位精度和较低的成本,更受关注.现搭建了双马赫—曾德尔分布式光纤传感系统,并对其进行了定位实验,阐述了检测系统的组成和原理.对基于互相关算法的定位性能进行研究,测试了其单点定位和多点定位功能,指出其定位局限性.另外重点分析了影响该系统定位稳定性的因素,提出一种数据处理算法,以提高其定位稳定性.实验结果表明,经过该算法数据处理之后,系统定位稳定性和可靠性得到极大提高.%Dual Mach-Zehnder technology has been paid much attention in interferometric distributed optical vibration sensors due to its superior positioning performance and lower cost. A dual Mach-Zehnder fiber-optic distributed sensing system was set up and experimented) and the composition and working principle of the detection system was also expatiated. The performance of positioning based on the cross-correlation algorithm was studied, its limitations of positioning was pointed out when testing the fuction of single-point positioning and multipoint positioning. In addition, the factors impacting the stability of the system position were analysed in detail, and a data-processing algorithm was proposed to improve its stability. Experimental results show that the stability and reliability of system position have been greatly improved after data-processing.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2012(034)003【总页数】6页(P54-59)【关键词】分布式光纤传感器;定位技术;马赫—曾德尔干涉仪;互相关算法【作者】潘岳;王健【作者单位】杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018;聚光科技(杭州)股份有限公司,浙江杭州310052【正文语种】中文【中图分类】TP212引言针对光纤干涉型分布式传感系统可用于微弱行为探测的重大前景，国内外提出了很多不同结构的干涉型分布式光纤传感技术［1］，包括：双萨克纳克［2－3］、萨克纳克和马赫－曾德尔［4－5］、萨克纳克和迈克耳逊［6］、双马赫－曾德尔［7－9］等混合组成的干涉型分布式传感结构。
第6期1997年11月 光学技术O PT ICAL T ECHN O LO G YN o.6N o v.1997用于位移精密测量的光外差马赫-泽德干涉仪 郭广平 计欣华 秦玉文 杜家吉 王自明 (北京航空材料研究院六室,北京100095) (天津大学力学系,天津300072) 摘 要:本文介绍了我们研制的用于位移精密测量的光外差马赫-泽德干涉仪。
由于在光路设计中采用了共光路的布置,共模抑制技术得以实现,环境干扰产生的噪声得到很好的消除,相位检测的稳定性和精度大大提高。
使用该干涉仪测量了一台在光学相移器内PZT微位移驱动装置的电压-位移关系。
测量结果具有良好的线性和重复性,与预期相符。
根据测量数据分析,该光外差干涉仪具有3nm的位移测量精度。
关键词:光外差,马赫-泽德干涉仪,共光路,位移测量,纳米。
Mach-Zehnder heterodyne interferometer for high-precisiondisplacement measurementGuo Guangping(Beijing Institut e of A ero nautical M ater ials,Beijing100095)Ji Xinhua Qin Yuwen Du Jiaji Wang Zimin(D epar tment o f M echa nics and Eng ineering M easur ement,T ianjin U niv ersit y,T ianjin300072)Abstract:A M ach-Zehnder Heter odyne Inter fero meter for hig h pr ecisio n displacement measur e-ment is developed and demo nstr ated.By using t he commo n-pa th optical ar r ang ement,the optica l co m-mon-mo de r ejection technique has been r ealized.No ises ca used by envir onmental disturbance are elimi-na ted dr amatically.G ood st ability and accur acy of the phase detect ion have been obtained.T he I nt erfer-ometer is used to study the relationship betw een v oltage and displacement fo r a PZ T micro actuator in an optical phase shift er.T he result s ag ree w ith predictions,sho w ing g oo d linearity and r epeatability.T he ex per imental r esults show that the o pt ical het ero dy ne inter fero meter has the accuracy of3mm for dis-placement measur ement.Keywords:optical hetero dyne,inter fer ometer,co mmon path,displacement measurement. 一、前 言位移测量的光学干涉方法大致可分为两类:一类是零差干涉(homody ne),即常规干涉,两束干涉光频率相同;另一类是外差干涉(het-erody ne),两束干涉光的频率略有不同。
用光电器件将干涉光场的光强转变为对应的光电流,那么零差干涉实际上将位移信息载入光电流的幅值中,而光外差技术将位移信息载入光电流的相位或频率中。
在零差干涉中光强易受噪声的干扰,精度一般在波长量级。
外差技术采用适当的电子解调技术可消除光强的影响,电子相位检测能达到0.1°(对应1/3600级条纹)以上的精度,因此在精密测量中有巨大的应用潜力。
1960年,Crane首先提出了光外差干涉技术[1]。
之后,光外差技术在位移、振动及形貌测量等方面得到了成功的应用[2～5]。
其中位移测试技术可用于精密加工与定位。
光外差位移测量灵敏度极高,优于0.1nm。
但是,振动、空气19工作单位:北京航空材料研究院六室收稿日期:1997年7月14日扰动等环境噪声对系统有很大干扰,影响了测量精度。
本文设计的外差干涉实时位移测量系统,由于采用了共光路技术,显著减小了环境的干扰,在普通的实验室条件下获得了稳定的测量结果。
位移测量精度达到纳米量级。
使用该测量系统对NEWPORT公司电子散斑仪上的PZT相移器的电压-位移关系进行了测量,得到了令人满意的结果。
二、光外差技术原理两束频率不同的相干光可用复数形式表示为V1(x,y)=a1(x,y)exp i[ 1t+ 1(x,y)]V2(x,y)=a2(x,y)exp i[ 2t+ 2(x,y)](1)那么,干涉场的光强为I(x,y)=(V1+V2)(V1+V2)*=a21(x,y)+a22(x,y)+2a1(x,y)×a2(x,y)cos[ t+ (x,y)](2)其中 = 1- 2是两束光的频率差,即拍频, = 1- 2是待测相位。
在常规干涉法中 =0,所以 转化为与时间无关的光强分布,即干涉条纹。
在光外差干涉中 ≠0,由(2)式可见,干涉光场的任意一点的光强都以拍频 随时间以正弦方式变化,其相位正是待测相位 。
光外差技术采用的拍频较低(一般在100MHz以内),使之处于光电探测器的频率响应范围之内。
干涉光场的光强变化经光电探测器转化为与光强对应的电流(或电压)信号,去掉直流成分得:i∝cos( t+ )(3) 这样,光的相位检测最终转化为拍频电信号的相位检测。
电子鉴相器具有0.1°以上的相位测量精度。
因此,采用光外差技术使得干涉测量的灵敏度与传统的条纹计数法相比提高3个数量级以上,是目前各种相位检测方法中最高的。
光外差测试的参考信号既可以使用电子拍频信号,也可以使用另一光电探测器从干涉光场中取得。
三、实验装置光外差测量系统可分为测试光路与电子设备两部分。
我们采用的测试光路如图1所示。
H e-Ne激光器发出的激光经分光镜B S1后分为两束,分别进行频率调制。
声光调制器A OM1和A OM2的驱动频率分别为39. 89M Hz和40.0M Hz。
光路中的小孔用来选择声光调制器的衍射级次。
本光路均只让+1级衍射光通过,这样,在光电探测器处接收到的光强变化频率为拍频0.1M Hz。
由反射镜M2反射的光经BE2扩束后透过分光镜BS2,其中一部分光经待测移动镜反射、B S2反射,与经过M1—BE1—B S2的光一起射入光电探测器1;另一部分经过M3—参考镜—M3—BS2—M4,与经过M1—B E1—BS2—M4的另一频率的光一起射入探测器2。
探测器1和2的信号分别作为待测信号和参考信号。
当PZT驱动的反射镜M移动的距离为d时,两束光的光程变化为2d,相位差为 =4 d/ 。
测出相位的变化 ,即可得到反射镜M的位移d= /4。
图1 光外差马赫-泽德干涉仪光路M1～M4—反射镜;A OM1～A OM2—声光调制器;M r—参考反射镜;B E1～B E2—扩束镜;BS1～B S2—分光镜;M o—待测反射镜;H1～H2—小孔;D1～D2—光电探测器。
在图1所示的光路中,形成参考信号的光与测量信号的光在B S1—M1—B S2以及B S1—M2—B S2两段较长距离上共光路,振动及空气扰动形成的相位改变对两个光电探测器是相同的,在鉴相过程中相互抵消。
因此系统抗干扰能力大大增强。
尽管光路后一段不完全重20 光 学 技 术 1997年11月合,但距离较短。
实验表明,测量结果的稳定性良好。
图2 光外差干涉仪的电子器件原理图图3(a)—PZT 对阶梯电压的响应; (b)—在阶梯电压下PZT 的电压-伸长的关系。
外差测试系统的电子设备主要包括光频调制、光电转换、相位检测及自动采集等,如图2所示。
两个晶体振荡器频率分别为39.9M Hz 和40.0MHz,经功率放大后驱动声光调制器,同时混频形成100kHz 的稳定拍频信号。
该信号可以作为参考信号。
但从抗干扰的角度考虑,应优先选用光电探测器2的信号作为参考信号。
开关K 是在二者中任选其一作为参考信号。
参考信号由通道R 进入鉴相器。
探测器1测得的光电信号由通道S 进入鉴相器。
鉴相器的输出与两个拍频电信号的相位差相对应的直流电压经A /D 卡被计算机采集并处理,实时输出所测的位移值。
实验所用的PZT 相移器用同一计算机经D /A 卡驱动。
软件控制使整个测量过程自动进行。
四、PZT 相移器的电压-位移特性测量PZT 相移器将反射镜固定在压电陶瓷上,利用压电陶瓷的逆压电特性,通过外加一个电压使其产生微小变形,引起干涉光路中反射镜的移动,从而达到相移的目的。
PZT 相移器使用方便,在相移技术中得到广泛应用。
我们利用上面介绍的光外差位移测试系统对在一台电子散斑仪中使用的PZT 相移器的性能进行了测定。
该相移器在低压段具有很好的线性,我们利用这一点检验外差测量系统的精度。
1.PZT 相移器对阶梯驱动电压的响应相移相位检测技术需要采集相移量各不相同的干涉图至少3幅,因此加阶梯电压是经常采用的一种相移方式。
在我们的实验中,连续加1V 、2V 、3V 、4V 、5V 的阶梯电压。
开始一段为零电压,给出基准位置。
其后,每次加电压保持0.29s 的时间,然后电压恢复到零,保持0.29s 之后加下一个电压。
实验结果如图3(a )所示。
考虑到PZT 的迟滞特性,蠕变持续时间达数十秒以上,测量值统一取阶梯电压施加后0.25s 的读数。
重复5次实验的测量结果见图3(b )。
拟合直线与数据的偏差经统计分析,标准误差为1.7nm 。
2.PZT 相移器对连续增加的驱动电压的响应由微机控制,通过D /A 板向PZT 相移器施加随时间线性增大的电压,每次增量为2.44mV 。
在每次增大电压之间的间隔将外差测量系统的输出同步记录下来。
电压增加的速率为0.95V /s 。
测量结果如图4所示,显然在这种情况下PZT 相移器的电压-位移关系线性度相21 第6期 郭广平等: 用于位移精密测量的光外差马赫-泽德干涉仪当好。
用实验数据拟合出一条直线,统计分析表明,实验数据与拟合直线偏差的标准误差为1.0nm。
