光纤白光干涉原理与应用

第1章绪论 1.1引言 光纤白光干涉技术与方法是光纤技术多领域交叉应用中较为有代表性的一个分支。该项专门技术在宽谱光干涉特性研究、绝对形变光纤传感测量、光波导器件的结构及其对光波反射特性参量的检测、光纤陀螺环中光偏振态横向耦合测量与评估，尤其是在医学临床诊断的组织结构形态的光学层析技术等方面，都具有广泛的应用。 本章首先简要对光纤白光干涉技术的发展给出一个概略性的描述。从需求牵引与技术本身发展规律的视角出发，分析该技术发展的动力基础。*后，给出对该项专门技术及其发展趋势的描绘和展望。 光纤白光干涉原理与技术的发展既取决于基础理论上的深刻认识，又受益于技术上重大进步的启迪，在社会发展需求的牵引下，历经了几十年的研究与积淀，在传感技术、计量与测量学、生物学、医学与临床应用等领域取得了较大的进步，获得了广泛的应用。 在该技术发展过程中，具有里程碑意义的事件包括： (1)1955年，Wolf［1］和BlancLapierre［2］分别独立建立了部分相干光理论，引进了关联函数。对关联函数的深入认识与系统研究，奠定了白光干涉的理论基础。 (2)1983年，Culshaw领导的小组[3]首次报道了基于白光干涉原理在光纤传感中的应用，开启了光纤白光干涉传感技术的研究方向。 (3)1986年，Takada等[4]提出了采用超辐射半导体激光二极管（superluminescentlightemittingdiode，SLD）宽谱偏振光源来测量沿保偏光纤传输的光的横向耦合特性的方法，奠定了光学相干域偏振测量（opticalcoherencedomainpolarimetry，OCDP）的研究基础。 (4)1987年，Youngquist等[5]展示了一种光学低相干反射技术（opticallowcoherencereflectometry）的光学评估新技术，后来被简称为OLCR。 (5)1991年，Fujimoto等[6]首次展示了基于白光干涉的二维层析成像方法，有力地推进了光学相干层析成像（opticalcoherencetomography，OCT）技术的研究。 (6)2OO3年，发展了频域光学相干层析成像（Fourierdomainopticalcoherencetomography，FDOCT）技术，该技术与之前的时域OCT技术相比，同时解决了测量灵敏度与扫描测量速度的问题[7~12]。 (7)2003年，Wolf[13]在对部分偏振光相干特性的分析时，指出干涉的基本作用。基于这种考虑，他构造了一种相干与偏振的统一理论，这预言了随机光场的大量未知特性。 (8)2005年，Réfrégier等[14]提出了一种测量相干特性具有的一般不变性的新方法，称为内禀相干不变性理论，深化并拓展白光干涉理论的内涵，被用于解决信号处理过程中偏振衰退的问题，进一步导致了光纤白光干涉偏振传感解调新技术的发展。 1.2白光干涉理论及其发展 白光干涉理论基础主要源于光的部分相干理论[1，2]，这在Born与Wolf所著的《光学原理》（1999年的第七版）[15]中有较为详细的阐述。由于普遍的相关函数的引入，介于完全相干和完全不相干光的两个极端情况之间的空白地带得以进行充分的研究。这为“白光”——宽谱光源的干涉及其应用奠定了理论基础。之后发现，所引入的关联函数服从两个波动方程：不仅光波扰动本身以波动的形式传播，而且其关联也以波动的方式进行传播。这导致了Wolf后来又进一步发展了部分相干光的光谱相干规律及其光谱相干的传播理论。 在光纤白光干涉理论的讨论中，与空间中光波传播的情况不同，光波在光纤中传输时其偏振态易受到影响，因此光的偏振问题就显得格外重要。尽管偏振光学中极少严格讨论部分相干光的偏振态问题，尤其是部分偏振光问题;但是传统的偏振光的概念及其对光的偏振分析方法仍然可以用于讨论部分相干光的部分偏振性质。2003年Wolf[13]在对部分偏振光的相干特性进行分析时，指出干涉的基本作用。因此他构造了一种相干与偏振的统一理论，这预言了随机光场的大量未知特性。事实上，部分偏振光及部分相干光的理论只有近来才受到人们的关注。发展的理论对相干分析方法做出了新贡献，并开启了迷人的光学领域新问题的讨论，这个问题就是：在干涉实验中，必须使光偏振才能获得*大的相干度吗？ 2005年，Réfrégier和Roueff[14]为了回答上述问题，提出了一种测量相干特性具有的一般不变性的新方法，给出部分偏振光的内禀相干不变度的概念并建立了内禀相干不变性理论。该理论指出，两光波电场之间的内禀相干度与每一个光波电场的偏振度紧密相关，偏振度描写的是每个光波电场自身的统计相关的有序程度，而内禀相干度则是指两光波电场之间的统计相关的有序程度。因为两者所描述的对象是不同的，因此两者不仅能通过内禀相干度的新概念得以分开，而且两者具有不同的物理意义。内禀相关理论表明部分偏振光的相干分析可分解为具有不同不变特性的四个参数的分析。偏振度与每个电场分量自身间的随机性相关，而内禀相干度表征的是矢量电场之间的随机性。正是在内禀相干不变性理论的基础上，发展了光纤中部分偏振相干的偏振补偿测量方法，并将其进一步应用于远程白光干涉偏振扫描的传感解调系统中。 1.3光纤白光干涉技术发展历程 光纤白光干涉技术的发展，可以从以下三个方面进行概括性的阐述：光纤白光干涉传感技术、光纤白光干涉测量技术和基于白光干涉的光学相干层析技术。 1.3.1光纤白光干涉传感技术 白光干涉测量（有时称为低相干测量方法）在经典光学中已有详尽阐述[15]。它使用低相干、宽谱光源，如超辐射半导体激光二极管(SLD)或半导体发光二极管（lightemittingdiode，LED）作为光源。所以这种传感方法通常被称为“白光”干涉测量方法。同所有的干涉原理一样，光程的改变可以通过观测干涉条纹来进行分析。 尽管早在1975年就提出了相干原理[16]，并于1976年在光纤通信领域中实现了可能的传输方案[17]，但其在光纤传感技术中的应用却是由Culshaw的研究小组首次报道于1983年[3]。**个完整的基于白光干涉技术的位移传感系统是在1984年报道的[18]。此成果显示出白光干涉测量技术可以应用于任何可以转换成绝对位移的物理量的测量，并且具有很高的测量精度。1985～1989年，基于白光干涉原理的传感器被广泛应用于压力[19～21]、温度[22～25]和应变[26，27]测量的研究中。通过一系列研究和技术改进，如发展了光强度噪声衰减技术[28]扫描范围扩展延迟技术[5]和测量范围扩展技术[29]，使得该技术的研究内涵和应用范围得以迅速发展。 利用低相干技术的光纤传感器，其*基本的构成如图1.1所示。相对于传感干涉仪，串接的第二个解调干涉仪对于获得干涉条纹的信息来说是必需的。这个串接的结构将取决于处理干涉信号的方法，选用分光计还是第二解调干涉仪的结构，要取决于光谱分析还是相位分析。 图1.1基于白光干涉式光纤传感系统的基本构成 自1990年以来，光纤白光测量技术已持续发展，并逐渐形成了一个研究方向，众多研究者指明了这项技术的优点。白光干涉测量技术为绝对测量提供了更多的解决方案，而这些都是采用高性能相干光源的传统光纤干涉仪所无法解决的。近二十余年，在信号处理、传感器设计、传感器研制、传感器多路复用等方面，白光干涉测量技术得到了较大发展。在信号处理方面，一些新方案的提出，提高了光纤白光干涉仪的性能；发展了高速机械扫描法技术，扫描速度从21m/s逐步提高到了176m/s[30～32]。电子扫描技术相对于机械扫描方法的优点是更紧凑、精密与快捷，并且避免了使用任何移动装置[33～37]。光源合成方法是对光纤传感器信号处理的一大改进，显著提高了识别并确定干涉传递函数中心条纹位置的能力[38，39]。在此之后，其他研究人员的工作，又进一步发展了这项技术[40，41]。另一种改进对中心条纹识别精度的方法是使用多阶平方（multi|stage|squaring）信号处理方案[42]。 光纤白光干涉仪的另外一个优点就是可以很容易地实现多路复用。多个传感器在各自的相干长度内，只存在单一的光干涉信号，因而无需更复杂的时间或者频率复用技术对信号进行处理。20世纪*后十年的研究工作，主要集中在发展多路复用传感器结构，以增加应用领域对传感器数量与容量的需求。这些典型的白光干涉多路复用方案使用了分立的参考干涉仪，并进行时间延时，以匹配遥测传感干涉仪。传感干涉仪是完全无源的，而且用于解调的复用干涉信号对光纤连接导线中的任何相位或长度改变不敏感。在分布式传感器[43]概念的基础上，为了构成准分布式光纤白光干涉测量系统，研究者进行了许多探索和尝试。Gusmeroli等[44]发展了低相干多路复用准分布单线路偏振传感系统，用于结构监测；Lecot等[45]所报道的实验系统中包含超过100个多路复用的温度传感器，用于核电站交流发电机定子发热量的监测；Jackson等[46]所建立的通用系统是基于空间多路复用，*大可以连接32个传感器；Sorin和Baney[47]提出了一种新型的基于迈克耳孙（Michelson）干涉仪和自相关器的干涉多路复用传感阵列方案；Inaudi等[48]建立了一种并行多路复用方案。此外，基于简单的光纤迈克耳孙干涉仪，分别使用光纤开关和1×N星型耦合器的串行和并行多路复用技术分别报道于文献[49]和[50]。近来，文献[51]又提出了一种光纤环型谐振腔方案。使用环型谐振腔的目的是取代文献[49]中价格昂贵的光纤开关。它的优点是大大减小了多路复用传感阵列的复杂性和成本。 随着光纤白光干涉传感技术的不断发展，该技术日趋完善，同时也发展了越来越多的应用。Inaudi等[52]发展了低相干大尺度光纤结构传感器，在瑞士工业建筑业中被广泛使用，获得了几微应变的分辨率，其测量范围超过几千微应变。通过采用与通道截取光谱法相似的信号处理方法，绝对外部应力传感系统展示了低于100的轴向应变分辨率。文献[54][56]报道了基于白光干涉技术的光纤引伸计用于监测混凝土试样内部的温度和测量一维、二维应变。可以预期，这种基于白光干涉技术的绝对应变传感器将在智能结构和材料中起到越来越重要的作用[57]。 与国外开展的光纤白光干涉技术研究相比，国内的研究起步稍晚。早期研究集中在光纤白光干涉仪构建和白光干涉原理在器件测量的应用方面，如上海大学的张靖华等[58，59]分别开展了利用白光干涉原理实现保偏光纤测量与连接对轴，以及光源功率谱对白光干涉测量影响的研究;华中科技大学王奇等于1993年报道了一种用多模光纤连接的双法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P)干涉仪传感系统，可用于温度和压力的测量；清华大学李雪松、廖延彪与中国计量科学院李天初等[61]于1996年合作报道了一种白光干涉型迈克耳孙光纤扫描干涉仪，可在150m的测量范围内，实现测量不确定度为1.5m的测量;浙江大学周柯江等于1997年报道了利用白光干涉技术用于偏振模式分布的测量;上海交通大学张美敦等[64，65]报道了光纤干涉仪的臂长差和基于白光光纤干涉仪的折射率测量方法。 近年来，在传感与测量研究方面，国内的研究人员广泛地关注将白光干涉原理与光纤技术相结合的研究，发展了多种新型结构的光纤白光干涉仪、白光干涉信号解调方法、白光光纤传感器以及应用，实现各种物理量诸如位移、温度与应变、压力折射率等的测量传感器及其应用的研究。上述研究主要集中在高等院校中，如天津大学的张以谟等开展了数字化白光干涉扫描仪及其信号处理和包络提取[71]、保偏光纤分布式传感、基于白光干涉原理的光学相干层析技术[等诸多方面的研究；重庆大学饶云江和大连理工大学荆振国等分别发展了基于非本征F