光纖白光干涉原理與應用 節選

第1章緒論 1.1引言 光纖白光干涉技術與方法是光纖技術多領域交叉應用中較為有代表性的一個分支。該項專門技術在寬譜光干涉特性研究、絕對形變光纖傳感測量、光波導器件的結構及其對光波反射特性參量的檢測、光纖陀螺環中光偏振態橫向耦合測量與評估，尤其是在醫學臨床診斷的組織結構形態的光學層析技術等方面，都具有廣泛的應用。 本章首先簡要對光纖白光干涉技術的發展給出一個概略性的描述。從需求牽引與技術本身發展規律的視角出發，分析該技術發展的動力基礎。*后，給出對該項專門技術及其發展趨勢的描繪和展望。 光纖白光干涉原理與技術的發展既取決于基礎理論上的深刻認識，又受益于技術上重大進步的啟迪，在社會發展需求的牽引下，歷經了幾十年的研究與積淀，在傳感技術、計量與測量學、生物學、醫學與臨床應用等領域取得了較大的進步，獲得了廣泛的應用。 在該技術發展過程中，具有里程碑意義的事件包括： (1)1955年，Wolf［1］和BlancLapierre［2］分別獨立建立了部分相干光理論，引進了關聯函數。對關聯函數的深入認識與系統研究，奠定了白光干涉的理論基礎。 (2)1983年，Culshaw領導的小組[3]首次報道了基于白光干涉原理在光纖傳感中的應用，開啟了光纖白光干涉傳感技術的研究方向。 (3)1986年，Takada等[4]提出了采用超輻射半導體激光二極管（superluminescentlightemittingdiode，SLD）寬譜偏振光源來測量沿保偏光纖傳輸的光的橫向耦合特性的方法，奠定了光學相干域偏振測量（opticalcoherencedomainpolarimetry，OCDP）的研究基礎。 (4)1987年，Youngquist等[5]展示了一種光學低相干反射技術（opticallowcoherencereflectometry）的光學評估新技術，后來被簡稱為OLCR。 (5)1991年，Fujimoto等[6]首次展示了基于白光干涉的二維層析成像方法，有力地推進了光學相干層析成像（opticalcoherencetomography，OCT）技術的研究。 (6)2OO3年，發展了頻域光學相干層析成像（Fourierdomainopticalcoherencetomography，FDOCT）技術，該技術與之前的時域OCT技術相比，同時解決了測量靈敏度與掃描測量速度的問題[7~12]。 (7)2003年，Wolf[13]在對部分偏振光相干特性的分析時，指出干涉的基本作用。基于這種考慮，他構造了一種相干與偏振的統一理論，這預言了隨機光場的大量未知特性。 (8)2005年，Réfrégier等[14]提出了一種測量相干特性具有的一般不變性的新方法，稱為內稟相干不變性理論，深化并拓展白光干涉理論的內涵，被用于解決信號處理過程中偏振衰退的問題，進一步導致了光纖白光干涉偏振傳感解調新技術的發展。 1.2白光干涉理論及其發展 白光干涉理論基礎主要源于光的部分相干理論[1，2]，這在Born與Wolf所著的《光學原理》（1999年的第七版）[15]中有較為詳細的闡述。由于普遍的相關函數的引入，介于完全相干和完全不相干光的兩個極端情況之間的空白地帶得以進行充分的研究。這為“白光”——寬譜光源的干涉及其應用奠定了理論基礎。之后發現，所引入的關聯函數服從兩個波動方程：不僅光波擾動本身以波動的形式傳播，而且其關聯也以波動的方式進行傳播。這導致了Wolf后來又進一步發展了部分相干光的光譜相干規律及其光譜相干的傳播理論。 在光纖白光干涉理論的討論中，與空間中光波傳播的情況不同，光波在光纖中傳輸時其偏振態易受到影響，因此光的偏振問題就顯得格外重要。盡管偏振光學中極少嚴格討論部分相干光的偏振態問題，尤其是部分偏振光問題;但是傳統的偏振光的概念及其對光的偏振分析方法仍然可以用于討論部分相干光的部分偏振性質。2003年Wolf[13]在對部分偏振光的相干特性進行分析時，指出干涉的基本作用。因此他構造了一種相干與偏振的統一理論，這預言了隨機光場的大量未知特性。事實上，部分偏振光及部分相干光的理論只有近來才受到人們的關注。發展的理論對相干分析方法做出了新貢獻，并開啟了迷人的光學領域新問題的討論，這個問題就是：在干涉實驗中，必須使光偏振才能獲得*大的相干度嗎？ 2005年，Réfrégier和Roueff[14]為了回答上述問題，提出了一種測量相干特性具有的一般不變性的新方法，給出部分偏振光的內稟相干不變度的概念并建立了內稟相干不變性理論。該理論指出，兩光波電場之間的內稟相干度與每一個光波電場的偏振度緊密相關，偏振度描寫的是每個光波電場自身的統計相關的有序程度，而內稟相干度則是指兩光波電場之間的統計相關的有序程度。因為兩者所描述的對象是不同的，因此兩者不僅能通過內稟相干度的新概念得以分開，而且兩者具有不同的物理意義。內稟相關理論表明部分偏振光的相干分析可分解為具有不同不變特性的四個參數的分析。偏振度與每個電場分量自身間的隨機性相關，而內稟相干度表征的是矢量電場之間的隨機性。正是在內稟相干不變性理論的基礎上，發展了光纖中部分偏振相干的偏振補償測量方法，并將其進一步應用于遠程白光干涉偏振掃描的傳感解調系統中。 1.3光纖白光干涉技術發展歷程 光纖白光干涉技術的發展，可以從以下三個方面進行概括性的闡述：光纖白光干涉傳感技術、光纖白光干涉測量技術和基于白光干涉的光學相干層析技術。 1.3.1光纖白光干涉傳感技術 白光干涉測量（有時稱為低相干測量方法）在經典光學中已有詳盡闡述[15]。它使用低相干、寬譜光源，如超輻射半導體激光二極管(SLD)或半導體發光二極管（lightemittingdiode，LED）作為光源。所以這種傳感方法通常被稱為“白光”干涉測量方法。同所有的干涉原理一樣，光程的改變可以通過觀測干涉條紋來進行分析。 盡管早在1975年就提出了相干原理[16]，并于1976年在光纖通信領域中實現了可能的傳輸方案[17]，但其在光纖傳感技術中的應用卻是由Culshaw的研究小組首次報道于1983年[3]。**個完整的基于白光干涉技術的位移傳感系統是在1984年報道的[18]。此成果顯示出白光干涉測量技術可以應用于任何可以轉換成絕對位移的物理量的測量，并且具有很高的測量精度。1985～1989年，基于白光干涉原理的傳感器被廣泛應用于壓力[19～21]、溫度[22～25]和應變[26，27]測量的研究中。通過一系列研究和技術改進，如發展了光強度噪聲衰減技術[28]掃描范圍擴展延遲技術[5]和測量范圍擴展技術[29]，使得該技術的研究內涵和應用范圍得以迅速發展。 利用低相干技術的光纖傳感器，其*基本的構成如圖1.1所示。相對于傳感干涉儀，串接的第二個解調干涉儀對于獲得干涉條紋的信息來說是必需的。這個串接的結構將取決于處理干涉信號的方法，選用分光計還是第二解調干涉儀的結構，要取決于光譜分析還是相位分析。 圖1.1基于白光干涉式光纖傳感系統的基本構成 自1990年以來，光纖白光測量技術已持續發展，并逐漸形成了一個研究方向，眾多研究者指明了這項技術的優點。白光干涉測量技術為絕對測量提供了更多的解決方案，而這些都是采用高性能相干光源的傳統光纖干涉儀所無法解決的。近二十余年，在信號處理、傳感器設計、傳感器研制、傳感器多路復用等方面，白光干涉測量技術得到了較大發展。在信號處理方面，一些新方案的提出，提高了光纖白光干涉儀的性能；發展了高速機械掃描法技術，掃描速度從21m/s逐步提高到了176m/s[30～32]。電子掃描技術相對于機械掃描方法的優點是更緊湊、精密與快捷，并且避免了使用任何移動裝置[33～37]。光源合成方法是對光纖傳感器信號處理的一大改進，顯著提高了識別并確定干涉傳遞函數中心條紋位置的能力[38，39]。在此之后，其他研究人員的工作，又進一步發展了這項技術[40，41]。另一種改進對中心條紋識別精度的方法是使用多階平方（multi|stage|squaring）信號處理方案[42]。 光纖白光干涉儀的另外一個優點就是可以很容易地實現多路復用。多個傳感器在各自的相干長度內，只存在單一的光干涉信號，因而無需更復雜的時間或者頻率復用技術對信號進行處理。20世紀*后十年的研究工作，主要集中在發展多路復用傳感器結構，以增加應用領域對傳感器數量與容量的需求。這些典型的白光干涉多路復用方案使用了分立的參考干涉儀，并進行時間延時，以匹配遙測傳感干涉儀。傳感干涉儀是完全無源的，而且用于解調的復用干涉信號對光纖連接導線中的任何相位或長度改變不敏感。在分布式傳感器[43]概念的基礎上，為了構成準分布式光纖白光干涉測量系統，研究者進行了許多探索和嘗試。Gusmeroli等[44]發展了低相干多路復用準分布單線路偏振傳感系統，用于結構監測；Lecot等[45]所報道的實驗系統中包含超過100個多路復用的溫度傳感器，用于核電站交流發電機定子發熱量的監測；Jackson等[46]所建立的通用系統是基于空間多路復用，*大可以連接32個傳感器；Sorin和Baney[47]提出了一種新型的基于邁克耳孫（Michelson）干涉儀和自相關器的干涉多路復用傳感陣列方案；Inaudi等[48]建立了一種并行多路復用方案。此外，基于簡單的光纖邁克耳孫干涉儀，分別使用光纖開關和1×N星型耦合器的串行和并行多路復用技術分別報道于文獻[49]和[50]。近來，文獻[51]又提出了一種光纖環型諧振腔方案。使用環型諧振腔的目的是取代文獻[49]中價格昂貴的光纖開關。它的優點是大大減小了多路復用傳感陣列的復雜性和成本。 隨著光纖白光干涉傳感技術的不斷發展，該技術日趨完善，同時也發展了越來越多的應用。Inaudi等[52]發展了低相干大尺度光纖結構傳感器，在瑞士工業建筑業中被廣泛使用，獲得了幾微應變的分辨率，其測量范圍超過幾千微應變。通過采用與通道截取光譜法相似的信號處理方法，絕對外部應力傳感系統展示了低于100的軸向應變分辨率。文獻[54][56]報道了基于白光干涉技術的光纖引伸計用于監測混凝土試樣內部的溫度和測量一維、二維應變。可以預期，這種基于白光干涉技術的絕對應變傳感器將在智能結構和材料中起到越來越重要的作用[57]。 與國外開展的光纖白光干涉技術研究相比，國內的研究起步稍晚。早期研究集中在光纖白光干涉儀構建和白光干涉原理在器件測量的應用方面，如上海大學的張靖華等[58，59]分別開展了利用白光干涉原理實現保偏光纖測量與連接對軸，以及光源功率譜對白光干涉測量影響的研究;華中科技大學王奇等于1993年報道了一種用多模光纖連接的雙法布里-珀羅（Fabry-Perot，F-P)干涉儀傳感系統，可用于溫度和壓力的測量；清華大學李雪松、廖延彪與中國計量科學院李天初等[61]于1996年合作報道了一種白光干涉型邁克耳孫光纖掃描干涉儀，可在150m的測量范圍內，實現測量不確定度為1.5m的測量;浙江大學周柯江等于1997年報道了利用白光干涉技術用于偏振模式分布的測量;上海交通大學張美敦等[64，65]報道了光纖干涉儀的臂長差和基于白光光纖干涉儀的折射率測量方法。 近年來，在傳感與測量研究方面，國內的研究人員廣泛地關注將白光干涉原理與光纖技術相結合的研究，發展了多種新型結構的光纖白光干涉儀、白光干涉信號解調方法、白光光纖傳感器以及應用，實現各種物理量諸如位移、溫度與應變、壓力折射率等的測量傳感器及其應用的研究。上述研究主要集中在高等院校中，如天津大學的張以謨等開展了數字化白光干涉掃描儀及其信號處理和包絡提取[71]、保偏光纖分布式傳感、基于白光干涉原理的光學相干層析技術[等諸多方面的研究；重慶大學饒云江和大連理工大學荊振國等分別發展了基于非本征F