《现代激光技术》课程论文
题 目：激光电流调制技术实现马赫-曾德
干涉仪等臂长
激光电流调制技术实现Mach-Zehnder干涉仪等臂长
摘 要：以马赫曾德干涉仪为基础，红外激光作为调制光源，使用电流调制技术的频率检测法，实现该干涉仪的等臂长。
关 键 词：激光调制；马赫-曾德干涉仪；等臂长
Laser Current Modulation Technology Make Mach-Zehnder
Interferometer Zero Optical Path Difference
BIAN Liang
(School of Instrument science and photoelectric information engineering, Hefei University of Technology,)
Abstract: Based on Mach-Zehnder interferometer ，infrared laser being used as modulation illuminant, using the method of current modulation technology of frequency assay, to zero this interferometer’s optical path difference.
Key words: laser modulation; Mach-Zender interferometer; zero optical path difference
1、引言
光纤Michelson干涉仪和Mach—Zehnder干涉仪能被用来研制光纤传感器，如光纤水听器、磁场计、电流计、灵巧的结构感应计。在某些情况下，为了减小噪音，光纤干涉仪要设计成平衡式结构。平衡式结构就是要求干涉仪两个臂长相等或者接近相等。一般情况下，光纤干涉仪的两条臂具有相同的折射率，因此通常把光纤干涉仪两臂之间的零光程差技术称为等臂长技术。
在光纤傅里叶变换光谱仪中，光源的相干长度很短，为了得到干涉图，必须使光纤干涉仪的两臂平衡。在宽带光源的情况下，相干长度较短，只有在光程差小于相干长度时，才能得到对比度好的干涉图。因此首先要使干涉仪两臂的臂差保持在零光程差附近。在研制光纤白光干涉仪时，干涉仪的平衡是非常关键的，产生干涉的条件是光程差小于光源的相干长度。
光源的带宽越窄，相干长度就越长，而带宽越宽，相干长度就越短。激光的相干长度一般很长，其干涉条纹很容易得到。对于FFTS来说，为了测量吸收光谱，一般采用宽带光源，相干长度一般很短。LED的相干长度一般只有几十微米，有些光源的相干长度更短。只有光程差小于相干长度，才能得到干涉条纹。在干涉型光谱仪中，光谱是干涉图的傅里叶逆变换。因此要记录干涉图信息首先要使干涉仪的两臂等长。在FFTS中采用了全光纤干涉仪，每条臂长几十米甚至几百米，在这种情况下为实现等臂长增加了难度。1983年，Dandridge提出了干涉仪干涉臂平衡技术，采用半导体激光器电流调制技术来使长臂差在lmm左右，用干涉条纹可见度来确定短臂差到微米量级。上海交通大学使用HP8504A精密反射仪来测量光纤干涉仪的臂差。另外一些研究工作者通过等长光纤切割实现了干涉仪的等臂长。
本文介绍了在较为简单的实验室条件下，利用激光电流调制技术实现马赫曾德光纤干涉仪等臂长的方法，使得臂差在1mm以内。
2、激光调制
2．1激光调制技术
激光属于振荡频率在1013~1015Hz的相干电磁波，比无线电波（104~108Hz），微波（109~1011Hz）的频率高几个数量级，一般的电容电感振荡电路、晶体管振荡电路或者磁控管等调制方法已经无法直接对激光进行调制。
对激光进行调制，必须考虑光与物质相互作用中，介质中电偶极子振荡机制，利用介质极化率实部（折射率）的变化，对激光进行调制。
根据不同的光与物质相互作用类型，可以表现为电场、声场、磁场对光的控制作用，相对应为电光调制、声光调制和磁光调制。按着调制器件和激光器的关系，调制可以分为内调制和外调制。外调制：在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，会使光波的某个参量发生变化。内调制：以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光器的输出特性。即直接调制，本文所用到的激光电流调制频率检测法即为内调制直接调制。
2．2激光电流调制频率检测法
激光电流调制频率检测法，是实现臂差测量的方法之一，通过臂差测量和控制，改变光纤干涉仪臂长使得所需要的干涉仪等臂长。激光二极管的注入电流改变di，激光的发射频率改变dv，激光输出功率改变dI，输出功率的变化用共模抑制法可以消除。激光器注人电流的变化引起频率变化的原因有：受激辐射区域带电载流子密度变化引起的折射率的改变；温度变化引起折射率改变和半导体激光器腔长的改变。
用A．Dandridge方法实现干涉臂的平衡，实现干涉仪零光程差实际上就是要测量光程差，光程差的测量用两步完成：首先对于干涉仪较大光程差的情况，用电流调制技术将光程差降低到lmm以下；其次采用干涉图对比度技术将光程差降低到10微米数量级。根据A．Dandridge方法，可以通过检测干涉仪输出信号频率的变化，来检测光程差。当半导体激光器注入电流发生调制时，在调制周期内干涉仪的输出可以写为：
I(D，t)=I0 [1+Vcos(2πvbt +φb0)]
式中：vb=△vmD/c为干涉仪输出信号的频率；φbo=2πD/λ0为初始相位；△v是半导体激光器输出光频率的最大变化量；vm为半导体激光器的注入电流调制频率；λ0为中心波长。根据上式可以得到
D=cVb/(△vvm) .
从上式看出，从vb、△v，vm。可以估算出光程差的大小。vb可以用干涉仪的输出信号确定，△v为半导体激光器输出光频率的最大变化量，对于确定的激光器是已知的，vm则是
注入电流的调制频率。因此光程差跟vb成正比关系。根据这个关系就可以实现干涉仪的平衡的第一步，然后采用干涉信号的对比度方法实现干涉仪的平衡。这种方法可以将干涉仪的干涉臂差减小到毫米量级，使用对比度技术将干涉仪两臂差进一步减小到微米量级。
3 激光电流调制实现M-Z干涉仪等臂长
3.1 干涉仪系统架构
根据光纤干涉仪和激光电流调制相关原理，搭建的系统框图如图1，信号发生器加入三角波调制电流到半导体激光器的驱动电源上，直接对电流进行调制。两光纤耦合器之间的两条臂上分别接了长百米和长十米的光纤圈。调制后的激光通过检测器、放大器转化成电信号，由示波器读出来，检测信号频率。
图1中两个光纤耦合器及其中间部分即为马赫曾德干涉仪的构成部分，由于两个臂上分别绕了几百米的光纤，故对于是否能够使得干涉仪达到平衡成为研究的对象，在实验室比较简陋的条件下，如何达到干涉仪等臂长的要求，为下一步是眼睛研究打下基础，是本文介绍的主要内容。所用到的实验器材仪器，除了图1中所示的半导体激光器、稳定激光驱动电源、信号发生器、光纤耦合器、单模光纤、光检测器、光放大器、示波器之外，还需要进行光纤切割、熔接的相关器材，即：光纤熔接机2台、光纤切割机、剥线钳、酒精棉花等。在实验过程中需要重复不断的切割光纤，使得两臂长差逐渐减小，以达到实验目的要求。
三角波调制 半导体 激光器 驱动电源 信号 发生器 示波器 放大器 检测器 光纤 耦合器 光纤圈 (百米) 光纤圈（十米） 光纤圈（十米） 光纤圈 (百米) 光纤 耦合器 （图1）
3.2 光纤切割方法
由于实验室条件有限，特别是光纤切割器具用的是光纤熔接机配套的光纤切割机，其切割裸光纤的长度最小在7mm左右，要想完成这样的等臂长实验，光纤的切割是个难点，通过具体分析思考，本实验所采用的光纤切割方法如下： 1、将两臂的百米光纤圈和十米光纤圈相连接处切断，分别放置两台光纤熔接机；
2、采用手动调整两根光纤的距离和中心，使得光纤之间在不熔接的前提下光路通光； 3、观察示波器检测到的波形图；根据需要对长的一臂进行切割，减小臂差；
4、当臂差减小到1cm以内时，由于切割机一次切割长度最少在7mm左右，所以为了达到1mm左右的臂差减小量，切割时采用两臂同时切割的方法，进一步减小臂差，可以将臂差控制在1mm以内。
3.3 实验结果
通过实验比较，得出以下实验结果图：
图2 图3 图4
如图所示：图2为两臂差约为1厘米左右，由示波器检测到的图形，可以看出在三角波电流调制作用下，由于两臂光程差的区别，三角波调制信号经过干涉仪之后检测出了毛刺较多的类似三角波的信号；
图3为两臂长差在2-3mm的检测波形，可见毛刺少了很多，更类似三角波信号；
图4为两臂长差在1mm以内的检测波形，可见是很接近于三角波的波形。波形的上升沿和下降沿都比较光滑。
在图4的臂差情况下，进行干涉图样的检测，已经出现明显的干涉图样，达到了实验的相关要求，实现了马赫曾德干涉仪臂差在1mm以内的实验目的。
4 结论
本文中所介绍的利用激光电流调制的频率检测法实现马赫曾德干涉仪等臂长实验，基本达到了臂差在1mm的范围内，是对激光调制技术的一个应用。如果想要达到更加精细的效，将臂长减小到几十微米数量级，还可以通过选择波长较短的半导体激光器以及更精细的光纤切割技术来实现。
参考文献
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作业：
作业一：何谓电光、声光、磁光以及直接调制？通过比较给出各自的优缺点； 作业二：说明利用调Q技术获得高峰功率巨脉冲的原理，并简单说明调Q脉冲形成过程中各参量随时间变化。
作业三：有一多纵模激光器纵模是一千个，激光器的腔长1.5米，输出的平均功率为1w，认为各纵模振幅相等，试求在锁模情况下，光脉冲的周期、宽度和峰值功率各是多少？
答：
作业一：
电光调制：利用光电效应将信息加载于激光的一种物理过程称之为电光调制。激光通过加有电场的晶体，使一个随时间变化的电信号转变成光信号。即使传递的（电）信息通过光波的强度、相位变化体现出来。
声光调制：利用声电效应将信息加载于激光的一种物理过程称之为声光调制。调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电声换能器上而转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。 磁光调制：利用磁光效应把欲传递的信息转换成光载波的强度(振幅)等参量随时间的变化。与电光调制、声光调制所不同的是，磁光调制是将电信号先转换成与之对应的交变磁场，由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的
直接调制：是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源(激光二极管LD或半导体二极管LED)，从而获得已调制信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制，它是目前光纤通信系统普通使用的实用化调制方法。
优缺点比较：电光调制可以实现电信号的信息通过光波的强度相位体现出来，对电信号通过光形式传播有一定的意义，但是要考虑电信号干扰以及光传播的一些问题；声光调制可以使得光波通过超声场作用转变为光信息，超声场的作用范围可以很大，空间性较好，但是需要电声换能器等设备器件，复杂了调制程序。磁光调制利用的是磁光效应，可以通过磁场改变光信号的某些参量，实现一些需求，但是也要考虑磁场干涉和设备复杂的问题。直接调制则可以根据自己需求，直接对光源进行内部的调制，使得调制信号比较稳定，调制较为可靠，缺点是需要能够对激光二极管电源进行调制的相关设备，价格较为昂贵。
作业二：
1、利用调Q技术获得高峰值功率巨脉冲的原理：
因为激光物质上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，为使上能级积累大量的粒子，就可以在激光器开始泵浦初期，设法将激光器的阈值调的很高，抑制激光振荡的产生，使激光上能级的反转粒子数大量积累，当粒子数达到最大时，然后突然调低阈值，这样，积累在上能级的粒子便雪崩式的跃迁到低能级，在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲。 2、脉冲形成过程中各参量随时间的变化： 以腔内损耗突变时记为t＝0，在此之前只是准备了初始粒子数密度Δni，t=0时，
泵浦功率将耗尽，粒子反转数Δn达到最大值Δni，受激光子数为零，即Φ=Φi=0，经过一段时间受激辐射占优势时，雪崩过程开始形成，Φ开始急剧增长，Δn开始剧减，这一过程一直持续到Δn=Δnt（阈值），此时腔内光子数达到最大值Φm。光子在腔内的寿命为tc，每个光子的能量为hν，则激光的峰值功率Pm=hνΦm/2tc。（此题画出各参数随时间变化示意图然后分析各参数变化亦可） 作业三：
在锁模情况下，光脉冲的周期
2L2?1.5T???1?10?8(s)8c3?10 每个光脉冲的宽度
???
光脉冲的峰值功率是平均功率的2N＋1倍，
1112?1.5?11??1?10(s)82N?1??q10003?10Pmax?(2N?1)P?1000?1?1000(W)
现代激光技术作业激光电流调制技术实现马赫曾德干涉仪等臂长
