马赫—曾德干涉仪

    1891年，德国物理学家路德维·曾德提出了一种分振幅双光束干涉仪用以观测从单独光源发射的光束分裂成两道准直光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对相移变化。后来另一位德国物理学家德维希·马赫于1892年发表论文对这构想加以改良，马赫—曾德(Mach-Zehnder，简称M-Z)干涉仪因此而得名。

1.  马赫—曾德干涉仪基本原理

图29：M-Z干涉仪原理图

    M-Z干涉仪如图29所示，G1、G2为两块分束镜，A、B是其对应的半透半反面，M1、M2是两块平面反射镜，四个反射面通常平行放置，并且各自中心位于一个平行四边形的四个角上，典型尺寸是1～2m。光源S置于透镜L1的焦点上，S发出的光束经L1准直后在A上分为两束，它们分别由M2、B反射和M1反射、B透射，进入透镜L2, L2将干涉条纹聚焦至其焦平面C1上；同样，在A上分束的两路光，分别由M2、B透射和M1反射，B反射的两束光经L3聚焦至其焦面C2，也可观察到干涉条纹。在B和M2之间插入被测气体的气室T2，则可以通过条纹移动测定该气体折射率或密度信息(在A和M1之间插入已知折射率或密度的T1气室可作为补偿室)。从机构上来看，由于M-Z干涉仪的光束分开距离较大，其等厚条纹也不难定位到任意平面。缺点则是抗震和温度变化的稳定性较低。

值得注意的是，虽然在C1、C2处均可观察到干涉条纹，但一般选择在C1处观察条纹较好。因为C2处的干涉光束中一路经过了3次反射，一路经过两次分束镜透射和一次平面镜反射，两路光可能会出现略不同的强度，使得对比度下降。

因为通常气体密度变化迅速，用照相机记录气体密度的变化情况，必须采用短时间的曝光，这样就要求干涉条纹有很大的亮度，所以，通常在实用上都利用扩展光源。这时条纹是定域的，定域面可根据干涉孔径等于零的作图法做出。

M-Z干涉仪调整比较困难。

2.  马赫—曾德光纤传感

M-Z干涉仪的优点是不带纤端反射镜，克服了迈克耳逊干涉仪回波干扰的缺点，因而在光纤传感技术领域得到了比迈克耳逊干涉仪更为广泛的应用。

光纤M-Z干涉仪是一种功能型光纤传感器，主要应用于温度和应力传感测量。

图30：全光纤M-Z干涉仪的结构与原理

    全光纤M-Z干涉仪的结构与原理参见图30。来自激光器的光束经透镜准直后在耦合器1上分成光强相同的两束光，两光分别经传感臂和参考臂在耦合器2相遇产生干涉光，并出现干涉条纹。当传感臂光纤温度相对另一条参考臂光纤的温度发生变化引起传感臂光纤的长度、折射率变化，从而使传感臂传输光的相位发生变化，产生干涉条纹移动。由于干涉条纹的数量可以反映出被测温度的变化，通过光探测器接收到干涉条纹的变化信息，并输入到数据处理系统，即可达到测量温度的目的。

    M-Z干涉仪可作为滤波器使用，然而单级的M-Z干涉仪滤波器的通带特性是余弦型的，这要求光信号的频率必须很好地与滤波器的峰值频率吻合，因而对激光器的性能要求较高，不利于实际使用。如果采用多个耦合器串接的方法，形成级联M-Z干涉仪，通过合理的设计，可以使滤波器通带顶部的宽度和平坦性大大改善，从而降低器件对光源波长的敏感性，提高其输出的稳定性。

图31：级联M-Z干涉仪输出的滤波特性

    图31给出了N级联M-Z干涉仪的输出特性，可见随着N的增大可实现梳状图谱的良好滤波特性。

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