光的干涉图样携带了光波的振幅、频率、相位和偏振等重要的信息，而两束任意偏振态高斯光束干涉尚未被详细研究，因此研究高斯光束的偏振态与干涉图样之间存在的关联很有必要。本文利用光纤马赫-曾德尔干涉仪，对任意偏振态高斯光束空间干涉场进行了研究，得到了任意偏振态高斯光束干涉光强空间分布理论公式，并通过实验进行了验证。研究表明：两束偏振态完全相同高斯光束干涉，可以得到对比度为1的清晰干涉条纹图样；两束正交偏振态高斯光束无干涉现象，对比度为0；其他偏振条件下高斯光束干涉图样对比度介于0和1之间。本文理论和实验结果对于理解和应用偏振光干涉具有非常重要的意义。

提出了一种基于光纤激光环形腔实现高频微弱振动信号检测的全光纤振动检测系统。将保偏光纤通过熔融拉锥技术拉锥形成具有多通道梳状滤波特性的微光纤马赫-曾德尔干涉仪(MMZI), 通过和光纤激光环形腔系统结合, 在200~20000Hz的范围内实现了对声源振动信号的动态响应, 噪声极限最小检测压力为6.44mPa·Hz-1/2。相对比于未接入光纤激光系统的声音频率响应范围为200~4000Hz, 灵敏度为29.36mV·Pa-1, 接入激光系统后声音频率响应范围扩大了近5倍, 灵敏度提高了6倍, 为宽频带声音检测系统以及微小光信号检测技术提供了一种行之有效的方法。

为了实现低成本的温度和应变同时测量, 利用光纤熔接机的熔融放电原理制备了基于全单模光纤(SMF)的花生和J型结构级联的马赫-曾德尔干涉仪(CPJS-MZI)。首先利用光纤熔接机的球形程序将两段单模光纤的端面熔成球形, 再将小球熔接到一起形成花生型结构; 然后在距离花生结构15mm处, 将两根单模光纤端面错位一定距离, 对其进行熔接形成J型结构; 最后对所制备的器件进行温度和应变传感性能的测试。实验发现, CPJS-MZI单个干涉峰强度和波长对应的温度灵敏度分别为-0.0125dB/℃和52.9pm/℃, 应变灵敏度分别为0.0152dB/με和-11.44pm/με。结果表明, 基于SMF的CPJS-MZI可利用单峰实现温度和应变的同时测量, 且具有尺寸小、制备容易、成本低等优点, 在同时测量温度和应变传感领域具有潜在应用价值。

分析了光纤Mach-Zehnder干涉仪作为鉴频器的多普勒激光雷达风速探测灵敏度及动态范围与光程差的关系.当光纤Mach-Zehnder干涉仪光程差从0.1 m变化到1.5 m时, 对应风速探测范围从±199.5 m/s变化到±13.3 m/s.光程差为0.45 m时, 风速变化1 m/s对应的最高灵敏度为2.15%.光程差误差将导致风速反演误差.当光程差为0.145 9 m和1.088 9 m时, 1 nm的光程差误差将导致反演风速误差分别为1.028 m/s 和 0.138 m/s.应用激光波长调谐的方法得到光纤Mach-Zehnder干涉仪的透过率曲线, 由自由光谱范围精确确定了光程差的值.应用此干涉仪作为鉴频器的激光雷达完成了实际风速探测, 反演风速与相干探测风速具有较好的一致性, 证明了校准探测的正确性.

多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。 通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。 由于受鉴频器本身特性的影响, 高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。 提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件, 设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。 采用小光程差（13.7 cm）、 大动态范围（±100 m·s-1）鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位, 大光程差（74.8 cm）、 高探测灵敏度（2.62%/(m·s-1)）的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测, 从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。 利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、 系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。 结果表明, 该系统可以实现±100 m·s-1大动态范围内风速误差小于1 m·s-1的大气风场探测, 为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。

提出了一种基于倏逝波原理的光纤马赫-曾德尔湿度传感器, 传感器是在2个单模光纤粗锥的传感臂中心通过绝热火焰熔融拉锥处理而成。光由传感器输入端传入, 经过第1个粗锥时, 将激发出若干高阶模, 各模式光传输经过细锥区进入第2个粗锥时被耦合进入传感器输出端。当外界湿度变化时, 细锥区倏逝场随之变化, 最终导致透射谱能量变化。通过测量透射谱能量变化, 可以实现环境湿度传感测量。实验结果表明, 在35%～85%RH的湿度变化范围内, 透射谱的能量具有相同变化趋势, 处于水蒸气吸收峰附近的干涉谷湿度响应灵敏度可达0.157 dBm/%RH, 温度交叉灵敏度仅为0.014 %RH/ ℃。该传感器因其制作简单、灵敏度高, 温度交叉敏感小等特点, 具有很好的应用前景。

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪, 将其与光纤布喇格光栅级联, 形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉, 当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场, 干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明: 马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57 nm/(N·mm-1), 线性度为0.997, 而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感; 马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度, 温度灵敏度分别为56.1 pm/℃和11.3 pm/℃.对于分辨率为0.02 nm的光谱仪, 传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10-4N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应, 利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测, 方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单, 灵敏度高, 可用于不同领域的压力传感.

对基于马赫-曾德尔干涉技术的光纤压力和温度传感特性的进行了研究。利用自制的全光纤干涉仪,对不同温度条件下的压力变化和不同压力下的温度变化引起的光功率的变化进行了测量和分析,给出该系统在无压力时温度测量范围是39~46 ℃;1 N压力下,温度在40~45 ℃变化时,温度线性灵敏度为-4 078.7 nW/℃,线性相关系数为0.976 6。45 ℃时,光功率随压力变化灵敏度为-1.162 1 μW/N,线性相关系数0.989 3。结果表明系统在40~45 ℃和0~1 N范围内,具有较好的温度和压力检测特性。

基于光纤Mach-Zehnder干涉仪双边缘检测技术, 提出并设计了一套全光纤非相干测风激光雷达系统, 对多普勒频移的提取和风速反演算法进行了理论分析, 针对大气分子散射信号的特点, 对光纤Mach-Zehnder鉴频系统进行了优化设计.应用美国标准大气模型, 对系统的灵敏度、信噪比以及测量误差进行了数值仿真.仿真结果表明, 对532 nm波长的地基分子散射测风激光雷达, 当垂直距离分辨率为300 m, 进行1 000次激光脉冲累计平均后, 得到径向探测距离达到20 km, 径向风速在±100 m/s的范围内时, 径向风速误差小于1.4 m/s, 说明此系统可以进行远距离大尺度风速的测量, 为新型小型化测风激光雷达的开发及研制提供了一种可行的技术方案.

基于Mach-Zehnder干涉仪原理, 利用光纤错位熔接技术设计并制作了一种单模光纤-多模光纤-单模光纤-错位熔接点-单模光纤结构的液体折射率传感器。传感器中的多模光纤和错位连接部分充当光耦合器; 多模光纤在后面的单模光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模, 不同的模式有不同的模式折射率, 经中间单模光纤传输到错位熔接点处时, 不同模式光之间将产生光程差, 经错位熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模从而产生干涉。对该传感器输出的干涉光谱中干涉谷功率随外界溶液折射率变化的规律进行了理论分析和实验研究。结果表明: 溶液折射率变化为1.358 9~1392 2时, 干涉谱中1 530 nm附近的干涉谷光功率与溶液折射率呈单调递增关系, 可用于折射率的测量; 折射率变化为1.372 0~1.392 2时, 传感器响应曲线具有很好的线性度, 线性拟合系数为0.998, 对应的灵敏度为252.06 dB/RIU。该传感器制作简单、结构紧凑、成本低、灵敏度高, 可用于生物医学领域液体折射率的实时测量。