基于银膜的自准直光纤法布里-珀罗腔设计及声源定位研究

提出一种基于银膜的自准直外腔式光纤法布里-珀罗(EFPI)干涉仪声传感器阵列,用于中低频声信号的检测以及二维平面声源定位。传感器阵列由三个相同结构的EFPI组成,结构简单、制作简便。银膜的应用和准直器的引入提高了传感器的声压灵敏度,扩大了声源定位范围。实验结果表明:单个传感器声压灵敏度为185 mV/Pa,最小可探测声压为52.7μPa/Hz^(1/2)@500 Hz。在声源指向性实验中,声源设置在传感器正前方时,其声压灵敏度达到185 mV/Pa,声源设置在传感器侧面(90°,270°)时,其声压灵敏度衰减仅为4.5%。传感器阵列结合到达时间差技术,成功实现高精度的声源定位,系统的理论空间分辨率为0.71 cm,最大定位误差不超过2.8 cm,定位范围为200 cm×200 cm,具有成本低、实用性高等优点。

亚波长光栅与法布里-珀罗滤光片集成的高性能光谱偏振分光器

光谱偏振成像技术是一种新型的光学成像技术,它不仅提高了目标的信息获取量,还降低了背景噪声,可以捕获目标细节,检测伪装目标。本文提出了一种将亚波长光栅与F-P滤光片相结合的光谱偏振测量器件,该器件可以获得超高光谱分辨率和偏振消光比,并且光谱和偏振可以灵活调控。本文设计了一种光谱偏振同时分光器,可同时获得4个光谱通道的斯托克斯参数。仿真结果表明,其光谱分辨率为217,偏振消光比为106。实验结果表明,亚波长光栅的偏振消光比大于500,透射率为90%。全介质F-P滤光片的光谱分辨率为30,在长波红外波段的透射率为60%。该设计方法具有通用性,可用于可见光、红外甚至太赫兹等波段。得益于这些优点,器件在微型偏振光谱仪和全斯托克斯偏振检测等领域有很大的应用潜力。

基于硅MEMS技术的高灵敏度微型光纤法布里-珀罗压力传感器

基于微机电系统技术设计制备了一种微型化光纤法布里-珀罗传感器,具备高灵敏度和可批量制造的特点。传感器内部的法珀腔由刻蚀后的SOI晶圆与BF33玻璃阳极键合而成,传感器敏感膜片采用了绝缘衬底上的单晶硅材料。采用激光精细切割技术对传感器单元进行独立分离,使得单个传感器的整体外径仅为400μm,高度为220μm。在此基础上,搭建了信号解调实验平台,并对传感器的感压特性进行了详尽测试。测试结果显示,在0~50 kPa的压力范围内,传感器的压力灵敏度可达到18.5 nm/kPa,最大非线性度为0.47%,重复性为0.18%,迟滞为0.18%。此外,该传感器具有体积小、灵敏度高、电磁兼容、生物兼容以及稳定性强等优点,在生物医学和医疗领域具备巨大的商业转化价值。

法布里-珀罗干涉仪在远程探测领域的应用

远程光谱探测是人类探索大尺寸空间和物质的重要手段,在天文、气象、深海等领域发挥着重要的作用,但收集远程光谱对光谱仪的性能也提出了很高的要求。根据Jacquinot提出的光谱性能评价标准,相较于其他光谱系统(光栅光谱仪,棱镜光谱仪等),法布里-珀罗(F-P)干涉仪通光孔径大、多光束干涉的光谱分辨能力强,使其在远程弱光探测领域有着天然的优势。从1914年法布里本人第一次将F-P干涉仪用于天文观测以来,F-P干涉仪已被广泛应用于远程光谱测量领域,并逐渐发展出各种改进型F-P干涉仪。传统F-P干涉仪在远程探测领域主要面临三个问题:自由光谱范围窄,大孔径的F-P干涉仪装调难度大,环状干涉结构能量分散。随着探测需求的不断提升和科学技术的长足进步,解决方案也应运而生,本文介绍了三种典型的改进型F-P干涉仪,分别是:增加自由光谱范围的级联F-P干涉仪,适用于极端环境下的旋转扫描F-P干涉仪以及将能量分散的干涉圆环转换为能量集中的干涉直线的F-P干涉系统(CLIO)。对F-P干涉仪在气象、天文、深海等领域中的重要应用进行了系统的总结。在气象学领域,介绍了用于大气中层和热层风速测量的大口径F-P干涉仪,测量大气中的痕量气体及其同位素体的德国海森堡高精细度F-P干涉仪;在天文学领域,介绍了由美国威斯康星大学设计、用于研究星际物质发射线的级联F-P干涉仪;在海洋学领域,介绍了国内F-P干涉仪测量布里渊散射的主要应用实例:2004年北京师范大学设计的水下布里渊散射系统,2021年上海交通大学设计的星载布里渊散射系统等;在大气污染检测领域,介绍了南开大学设计的F-P干涉仪用于测量飞秒激光远程光丝NaCl气溶胶荧光光谱。最后提出光谱识别精度,热稳定性是未来F-P干涉仪应用在远程光谱测量领域需要进一步突破的难点。

飞秒激光加工光纤法布里-珀罗温度传感器微槽实验研究(特邀)

光纤温度传感器相较于传统光学功能器件具有损耗小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀等优点,其中的光纤法布里-珀罗传感器更因其结构简单紧凑、稳定性好、易于制造受到广泛关注。光纤法布里-珀罗传感器功能结构的传统加工工艺存在工艺复杂、加工效率低下、热影响区严重等问题。光纤作为纤细透明的脆性材料,激光作为非接触的加工方式和微米尺度的聚焦光斑可以有效避免机械性破坏同时可以实现多样性的加工,已经广泛应用于光纤温度传感器的加工。目前,激光加工依然存在纤芯区域粗糙度高、平行度低、加工质量较差等难题。为了确保激光加工的法布里-珀罗腔能够满足传感性能要求,文中进行了飞秒激光加工法布里-珀罗腔的工艺实验研究,得到了不同激光参数、扫描路径对加工法布里-珀罗空气腔的影响规律,发现采用往复式扫描方式并在激光功率选用10 mW、扫描速度100μm/s、扫描间隔4μm、扫描分五次逐次向下进给5μm的工艺参数组合后,可以加工出两反射面接近平行(87.95°),侧壁光滑、面粗糙度稳定在2~4μm的良好形貌法布里-珀罗腔。加工了5种不同腔长的光纤中,腔长为80μm的传感器性能最优为21.07 pm/℃。将腔长为80μm的传感器封装在3种金属管中进行测试,结果证明激光加工光纤法布里-珀罗温度传感器的质量得到了进一步优化,性能进一步提升。但不同的封装材料会较大影响传感器的探测效果,结果发现封装材料的热膨胀系数越大,温度传感器的响应特性越好。

基于法布里-珀罗干涉仪测量大气环境CO_(2)的方法

CO_(2)是主要的温室气体之一,它的排放和累积导致温室效应加强,进而引起全球气候变化,因此获取大气环境中CO_(2)的浓度变化对研究气候变化意义重大.针对低成本、快速和在线精确测量大气环境CO_(2)的技术需求,本文构建了基于法布里-珀罗干涉仪的CO_(2)大气浓度在线测量系统,并研究了精确获取其浓度反演方法.采用基于微机电系统(MEMS)技术的热辐射源作为法布里-珀罗干涉仪系统光源,设计透射式光路代替常见的折射式光路.通过静电控制两镜片的间距,改变干涉谱,实现10 nm步长的中心波长的干涉峰调节,扫描获得CO_(2)实时在线吸收光谱,基于差分吸收光谱原理获取了CO_(2)气体的浓度.利用样气标定系统,并用商用光声光谱多气体分析仪校验系统,结果表明,该系统检测限达1.09×10^(-6),检测精度为±1.13×10^(-6),测量误差小于1%.在煤城淮北开展了大气环境CO_(2)实时在线检测,并与商用光声光谱分析仪开展比对观测实验,二者相关系数R=0.92.实验结果表明,研发的法布里-珀罗干涉仪系统能够满足大气环境CO_(2)浓度的快速、在线高精度测量技术需求.

基于法布里-珀罗谐振腔的W波段电子顺磁共振探头研制

本文研制了一种基于法布里-珀罗谐振腔的W波段电子顺磁共振探头.利用法布里-珀罗谐振腔所具备的大体积和开放腔等特点,本文将法布里-珀罗谐振腔用作谱仪探头的谐振器部分,并且设计了波纹波导来实现微波桥与法布里-珀罗谐振腔之间的低损耗微波信号传输.所研制的探头工作在W波段,空载品质因数为1542.最终将该探头集成于W波段电子顺磁共振谱仪,通过测量Mn(Ⅱ)掺杂的CaO粉末样品的谱线,展示了该探头在常温下用于W波段连续波电子顺磁共振实验的能力.探头的调制场频率设置为100 kHz,实验结果显示探头的最大调制场幅度可达8.9 G(1 G=10^(−4)T),谱仪绝对自旋数灵敏度为6.6×10^(8)spins/(G·√Hz).

基于光纤法布里-珀罗干涉仪的高灵敏微压传感技术研究

光纤传感器在电池安全监测领域的应用日益增多。针对储能电池内部气压变化微小难以测量的问题,基于光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot,FP)腔体端面镀膜的结构模型,研讨了膜厚、有效半径和腔长之间的关系,深入探究了三者之间的相互制约及理论基础,设计了一种小型化、高灵敏度和高精度的光纤微压传感器。制备了气压灵敏度-239.836 nm/MPa、线性度0.998的微压传感器,其在100 kPa压强范围内表现出良好的线性和稳定性。该传感器结构紧凑、制作简单且成本低,具备较高的灵敏度和优异的压强响应特性。

W-VO_(2)/PMMA/W-VO_(2)法布里-珀罗腔智能窗性能研究

钨掺杂二氧化钒(W-VO_(2))具有低的半导体-金属相变温度,在智能窗领域具有很大的应用潜力。但是其可见光透过率(T_(lum))和太阳调制能力(ΔT_(sol))相对较低,不断提高T_(lum)和ΔT_(sol)一直是智能窗领域研究的热点。本文提出,通过旋涂方法在玻璃基板表面制作W-VO_(2)/PMMA/W-VO_(2)法布里-珀罗腔结构,通过改变W-VO_(2)体积分数及介质层厚度,增强热致变色性能。结果表明,这一结构的ΔT_(sol)可以提高至15.61%,T^(lum)维持在37.01%。研究结果有利于提升VO_(2)在智能窗中的应用。

一种基于FSR的法布里-珀罗谐振腔天线设计

基于频率选择性吸波器(FSR)和法布里-珀罗(F-P)谐振腔的基本原理,提出了一种具有增益增强效果和低雷达散射截面(RCS)的天线。首先,通过2层介质谐振器的模式叠加,设计了一款宽带介质谐振天线(DRA)作为F-P谐振腔的馈源。然后基于等效电路模型(ECM)设计了一款X波段透波,S和Ku波段吸波的FSR作为F-P谐振腔的部分反射表面。最后利用FSR的反射特性,在其与DRA的地面之间形成一个准法布里-珀罗谐振腔。仿真和测量结果表明,天线具有带内的增益增强和带外的低RCS性能。

基于法布里-珀罗标准具和多光栅校准的光纤布喇格光栅波长解调系统

为了消除由法布里-珀罗标准具的干涉峰偏移引起的光纤布喇格光栅波长解调误差,采用多参考光栅进行法布里-珀罗标准具波长校准,搭建了相应的光纤布喇格光栅解调平台.将待解调光栅、法布里-珀罗标准具和多个参考光栅分别接入采样通道,用多个参考光栅对法布里-珀罗标准具进行波长校准,得到准确度较高的标准具干涉峰波长,再以此波长计算待测光栅波长,降低了校准误差.实验结果表明,利用该方法搭建的光纤布喇格光栅解调系统校准的重复性误差小于1.6pm,波长解调误差低于1.8pm.

基于法布里-珀罗干涉仪的瑞利散射测速技术研究

基于法布里-珀罗干涉仪的干涉瑞利散射测速技术原理,结合种子注入Nd∶YAG脉冲激光器、ICCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗干涉仪,建立了一套干涉瑞利散射速度测量系统,系统的速度测量准确度为10m/s.对拉瓦尔喷管产生的超声速自由射流开展干涉瑞利散射速度测量,得到气流的流动速度为366m/s.在不需要外加任何示踪粒子的条件下,利用流场气体分子本身的瑞利散射,实现了对超声速流场速度的非接触测量.

一种基于光纤光栅法布里-珀罗腔的低频振动传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的低频振动传感方案并进行了理论分析和实验研究。采用单频激光器作为光源,光纤光栅F-P腔通过两点涂胶方式粘接在等强度悬臂梁上,待测振动信号通过支架和悬臂梁将振动作用传至光纤光栅F-P腔,引起腔长周期性变化,从而改变光纤光栅F-P腔的反射光谱特性,通过解调输出光信号的振荡频率和峰值,即可实现对振动信号频率和幅值的测量。利用压电陶瓷模拟的低频振动信号进行了实验验证,测量结果与理论分析相吻合。该传感器测量灵敏度高,特别适用于微弱振动信号的测量。

光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔液位传感器

提出了一种用于测量液体容器液位高度的新型光纤F P(Fabry Perot)腔传感器 ,它灵敏度高 ,实现了全光传感和传输 ,特别适用于一些有害、易燃、易爆液体容器液位的测定 详细分析了该类传感器的传感原理 ,并给出了传感头参量设计方法 实验结果表明 ,光纤F P腔传感器测量液位方法简单 ,并且可达到相当高的精度 文中分析了实验中的误差 ,探讨了传感器的稳定性及改进方法 ,是光纤法布里

基于游标效应的增敏型光纤法布里-珀罗干涉仪温度传感器

本文介绍了一种高灵敏度光纤温度传感器.该传感器由一小段毛细管熔接于单模光纤和一段大模场光纤之间而构成串联的两个法布里-珀罗干涉仪.由于俩干涉仪具有相近的自由光谱区,因而它们的叠加光谱会产生游标效应.实验结果显示,利用游标效应解调,该传感器的温度灵敏度可从单一空气腔法布里-珀罗干涉仪的0.71 pm/℃提高到179.30 pm/℃.该传感器结构紧凑(<1 mm)且灵敏度高,具有良好的应用前景.

光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展

光纤法布里-珀罗干涉温度和压力传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、体积小和抗电磁干扰能力强等优点,已被广泛应用于军事和民用领域.在某些环境恶劣,如具有强电磁干扰和腐蚀性,或提供给传感器的安装空间非常有限的特殊工业领域,微型光纤温度和压力传感器发挥着重要的作用,国内外诸多高校、科研院所都在对其进行研究.本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术、及其压力和温度传感应用的研究进展.详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺,分析了不同制作工艺的优缺点;详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用;最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行了总结和展望.

光纤法布里-珀罗传感器腔长的傅里叶变换解调原理研究

在宽带光源条件下对光纤法布里珀罗传感器腔长的傅里叶变换解调原理进行了详细的理论推导,在此基础上给出了具体的实现算法和仿真对比实验.仿真结果表明采用傅里叶变换可以有效地对光纤法布里珀罗传感器进行腔长解调.

变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外光谱成像系统

干涉式长波红外光谱成像技术以其独特的工作原理和谱段特性,在众多领域具有广泛的应用前景。为解决仪器小型化、轻量化问题,研究了一种基于变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉仪的新型长波红外光谱成像系统。在分析系统工作原理的基础上,研究了确定F-P干涉腔两反射面的反射率、变间隙干涉腔的楔角等主要参数的理论依据;搭建了实验系统,得到了整个装置对黑体宽波段热辐射的响应;通过将系统测得的聚丙烯薄膜的透过率曲线与高精度光谱辐射计测量结果进行比较,结果显示系统光谱分辨率满足理论设计要求。研究表明:该系统能够有效满足长波红外光谱成像系统的轻便化、小型化的需求。

基于法布里-珀罗滤波器的40GHz全光时钟提取实验

研究了在基于法布里-珀罗(F-P)滤波器的全光时钟提取实验中法布里-珀罗滤波器的精细度和信号码型对时钟提取的影响.根据理论分析,利用精细度为1012的F-P滤波器进行了时钟提取实验,并利用SOA进一步抑制时钟信号中的幅度抖动噪音,改善了时钟信号的质量.最终提取出低幅度起伏、低时间抖动的40GHz时钟信号.

外置油腔耦合局放超声非本征光纤法布里-珀罗传感器

为解决非本征光纤法布里-珀罗(Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometor,EFPI)在电力变压器内体绝缘安装困难且易损坏的问题,设计了高灵敏度的EFPI传感器,提出采用油腔结构的变压器油箱壁外置式安装方法。在阐述EFPI传感和液气介质下膜片振动原理的基础上,分析了传感器检测灵敏度与其法-珀腔膜片尺寸的关系,设计EFPI传感器法-珀腔膜片尺寸并制备传感器。然后,设计外置油腔耦合结构,采用压电陶瓷(Piezoelectric,PZT)声发射传感器构建EFPI传感器性能测试系统,测得EFPI传感器的幅频特性和检测灵敏度。最后,使用板-板电极和变压器实体模型搭建局放检测系统,外置EFPI传感器与PZT传感器同时探测电极局放信号。实验结果表明EFPI传感器的一阶固有谐振频率为113 kHz,静压灵敏度为7.5 nm/kPa,外置油腔耦合结构EFPI传感器局放超声信号的检测灵敏度高于传统的PZT传感器。外置结构可有效保护传感器膜片,降低安装难度,且避免了EFPI传感器置于变压器绝缘高场强度区域带来的安全隐患。