[发明专利]基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、起偏器(2)、第一至第六保偏光纤(3)(5)(6)(7)(8)(10)、第一、第二保偏耦合器(4)(9)、沃拉斯顿棱镜(11)，第一、第二光电探测器(12)(13)、数字采集卡(14)和处理系统(15)；其中：

光源(1)的输出端连接起偏器(2)的输入端；所述起偏器(2)的输出端经第一保偏光纤(3)连接所述第一保偏耦合器(4)的输入端；经所述第一保偏耦合器(4)的输出端分成两路，这两路上的第二、第三保偏光纤(5)(6)构成马赫-曾德干涉仪两臂：一路由第三、第五保偏光纤(6)(8)成45°角连接后，再连接所述第二保偏耦合器(9)；另一路经第二、第四保偏光纤(5)(7)成45°角连接后，再连接所述第二保偏耦合器(9)；所述第二保偏耦合器(9)的输出端经第六保偏光纤(10)连接所述沃拉斯顿棱镜(11)的输入端；所述沃拉斯顿棱镜(11)分别有两个输出端，分别连接所述第一、第二光电探测器(12)(13)，所述第一、第二光电探测器(12)(13)的输出端连接所述数字采集卡(14)；所述数字采集卡(14)连接所述处理系统(15)；

所述光源(1)，采用窄线宽激光器，用于提供线宽小于0.1nm的相干光信号；

所述起偏器(2)，用于对光源(1)发出的相干光信号进行起偏，偏振方向与保偏光纤主轴一致；

所述第一至第六保偏光纤(3)(5)(6)(7)(8)(10)，用于传输偏振光；

所述第一、第二保偏耦合器(4)(9)，用于将相干光信号进行分路或合路，传输两个正交的线偏振光，并保持各自的偏振态不变；

所述沃拉斯顿棱镜(11)，用于将入射光分成两束正交的线偏振光出射；

所述第一、第二光电探测器(12)(13)，分别接收两组线偏振光干涉信号，并将光信号转化为电信号；

所述数字采集卡(14)，对所述第一、第二光电探测器(12)(13)的电压信号进行采集，得到采集信号；

所述处理系统(15)，对采集信号进行处理，最终解调出相位信息。

2.一种基于偏振干涉的马赫-曾德干涉仪光程差测量方法，其特征在于，该方法的具体实现过程如下：

将光源(1)输出光由起偏器(2)起偏，经过第一保偏耦合器(4)被分成两束线偏振光，两束线偏振光分别进入马赫-曾德干涉仪两臂即第二、第三保偏光纤(5)(6)，输出偏振方向分别对应于第四、第五保偏光纤(7)(8)的快轴和慢轴方向的两组偏振光，通过调节第四、第五保偏光纤(7)(8)的长度，使得两组偏振光的相位差为π/2；

两组偏振光由第二保偏耦合器(9)耦合后，在沃拉斯顿棱镜(11)处发生干涉，形成两组正交干涉信号；

将上述的两组正交干涉信号转化为电信号；

上述电信号进入处理系统(15)，采用正交相位解调法进行解调，得到相对相位差，根据相对相位差结果解调出绝对相位差；再根据绝对相位差计算得到光程差，具体包括以下处理：

将两路光电探测器探测到的干涉信号表示为：

其中，I₁是对应于经保偏光纤L₂和L₄中的光强强度，I₂是对应于经保偏光纤L₃和L₅中的光强强度，是快轴方向两路光的相对相位差，是慢轴方向两路光的相对相位差，作为相对相位差在(-π,π)之内周期变化；

基于的正交相位关系，对两路光电探测器探测到的干涉信号f₁、f₂进行预处理，去掉常数项I₁+I₂以及系数得到：

令则有

其中，g₁表示快轴方向两路光的干涉信号的交流变化量，即对相位差求正弦函数，g₂表示慢轴方向两路光的干涉信号的交流变化量，即对相位差求余弦函数，表示由快轴和慢轴方向的两路正交干涉信号解调出在(-π,π)之内周期变化的相对相位差；

在相位变化小于或等于2π时，根据利用四象限反正切方法得到待测相对相位差为

在相位变化大于2π时，待测相对相位差为其中，k表示干涉条纹变化的方向和数值且k为整数；数值由干涉条纹变化数决定，正、负对应条纹冒出或消失决定；

由待测相位差求解光程变化量，得出其光程变化量为