Measurement of refractive index modulation on PMMA/E49/TNF/ECZ polymer-dispersed liquid crystal by fiber F-P interferometer

The fiber Fabry-Perot interferometer used to measure the refractive index modulation of polymer-dispersed liquid crystal is introduced.From measuring the quantity of the interference fringe shift with a CCD based on the theory of isoclinal interference fringes formatting,the maximal refractive index modulation versus different external voltages,3.899×10-3 in the external voltage of 57.4 V/μm,and the dynamic refractive index modulation versus response time in the external voltage of 8 V/μm are found in our prepared 1.250 mm-thick PMMA/E49/TNF/ECZ polymer-dispersed liquid crystals.The experimental results will be helpful to understand the photoinduced reaction mechanism of the material and optimize the mixture ratio of each component.

基于混合干涉结构的光纤温盐深传感器设计

提出了一种基于法布里-珀罗干涉仪(FPI)级联马赫-曾德干涉仪(MZI)的混合干涉型光纤温盐深传感器。利用两段单模光纤与二氧化硅(SiO_(2))毛细管制作了28μm的FPI微腔。FPI导出单模光纤依次与大芯径多模光纤、细芯光纤对准熔接,并在细芯光纤后错位熔接单模光纤,FPI导出单模-多模-细芯-错位熔接单模构成MZI。对传感器的温度、折射率及深度响应特性进行了理论分析和实验研究,通过监测反射谱和透射谱,选取不同的特征波长。实验结果表明:FPI对折射率变化不敏感,温度和深度灵敏度为0.578 nm/℃和1.297 2 nm/cm, MZI两个特征波谷对温度灵敏度分别为0.052 4 nm/℃和0.055 2 nm/℃,折射率灵敏度分别为-35.157 nm/RIU和-27.581 nm/RIU,对深度变化不敏感。该传感器具有制作简单、成本低廉等优点。

星载FPI探测低热层温度的研究

80-350km高度区域的大气温度与风场探测研究对于认识全球性空间动力学和日地耦合机制具有重要科学意义．法布里-珀罗干涉仪（FPI）能够通过分析接收光的干涉环反演计算出一定高度大气层的风场和温度．近年来，中国利用多种地基探测设备对中高层大气进行了观测研究，对于温度反演和星载探测技术的研究开始起步．本文基于系统传输函数和发射谱线函数的卷积，讨论了利用FPI探测高空大气温度反演计算的原理；分析了星载FPI探测的方法，根据星载FPI探测与地基探测的不同点，仿真了星载探测干涉图；结合中国观测技术现况及空间探测需要，讨论了发展星载空间环境探测仪的可行性．

基于增强型游标效应的光纤温度传感器

提出了一种基于增强型游标效应增敏的高灵敏度光纤温度传感器,该传感器由对温度均敏感的法布里-珀罗干涉计(Fabry-Perot Interferometer,FPI)与萨格奈克干涉计(Sagnac Interferometer,SI)级联构成。FPI为聚二甲基硅氧烷(PDMS)填充空芯光纤(HCF)形成的PDMS腔,SI由单模光纤环内熔接一段熊猫光纤而成。FPI和SI具有相反的温度响应,随温度的升高,FPI的干涉谱逐渐红移,而SI的干涉谱逐渐蓝移,从而产生增强型游标效应,其温度灵敏度远大于单个FPI或单个SI,且放大倍率明显高于普通游标效应。实验结果表明:36~39℃温度范围内,该传感器温度灵敏度达到了-57.85 nm/℃,分别为单个FPI和SI灵敏度的44.8倍和30.8倍,分别为普通游标效应放大倍率的2.56倍和1.66倍。该传感器具有灵敏度高、稳定性能好、制备成本低等优点,具有非常好的应用前景。

干涉型光纤海洋参数传感器的分布式测量方法研究

光纤传感器因其灵敏度高、体积小等优点在海洋监测领域得到了广泛关注.目前高性能的海洋温盐深参数监测光纤传感器大都基于干涉原理,难以实现同一系统内多个传感器的复用,不能满足海洋环境参数高时空分辨力的监测需求.基于调频连续波原理,提出一种适用于干涉型海洋参数光纤传感器的大容量复用方法.利用不同干涉仪端面反射光与参考光形成Mach-Zehnder干涉光谱的特征频率确定不同传感器的位置,通过不同端面特征频率间的拍频还原了单个传感器的光谱.设计并搭建了干涉型海洋参数传感器的分布式传感系统,实现了系统中传感器的定位以及光谱信号还原,并通过理论计算证明分布式传感系统中至少可以实现500个传感器的复用.本论文的研究可以为高性能干涉型光纤传感器的海洋参数链式监测提供技术支持.

一种同时测量电流和温度的光纤光栅传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪且可以同时测量交变电流和温度的传感器,并对其进行了理论分析和实验研究.该传感器采用单频激光入射,作为反射镜的一对光纤布喇格光栅自由放置,其间的法布里-珀罗腔粘贴在磁致伸缩材料上,通电导线周围的磁场通过磁致伸缩材料作用于光纤光栅法布里-珀罗腔,引起腔长周期性变化.同时,由于热膨胀和热光效应,环境温度的变化会引起光纤长度和折射率的改变,从而改变光纤光栅法布里-珀罗腔的反射光谱特性.通过检测输出光信号的频率和峰值可实现电流和温度的同时测量.对通电线圈的电流及环境温度进行测量的实验结果与理论分析相吻合.

地基Fabry-Perot中高层大气风速反演及误差分析

基于子午工程地基法布里-帕罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)的气辉观测数据,结合地基独特的观测模式(天顶角为0°的天顶方向和天顶角为45°的东西北南四个方向)对地基中高层大气风速进行反演,包括数据预处理、干涉环圆心确定、干涉环半径计算和风速反演.将2010年5月6-13日8天十个环(十个干涉环同时参与反演)的反演结果与地基FPI风速实测数据进行比较,得到557.7 nm,630.0 nm,892.0 nm三种谱线气辉的反演平均偏差分别为2.7 m·s^(-1),5.5 m·s^(-1),7.7 m·s^(-1).此外,基于反演算法对上述反演精度影响因素进行了分析.研究发现,气辉辐射强度对风速的反演精度影响较大,气辉辐射越强,外环的半径计算精度越高,可参与的反演环数越多,则最终的风速反演精度越高.而圆心偏差士2 pixel(五个环)和士1 pixel(十个环)及焦距变化(士10 mm)对风速反演精度的影响相对较小,但当超出这一偏差范围,风速反演偏差会迅速增大.

基于Fabry-Perot的中高层大气风速反演数据处理研究

中高层大气风速反演需要精确的确定法布里-帕罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)干涉条纹的圆心和半径.本文针对FPI非闭合式干涉环条纹,提出了新的条纹圆心和半径确定方法:首先对所得到的条纹强度分布进行噪声去除预处理:包括均值滤波和自适应滤波;然后初步确定圆心,以该圆心为中心作n条射线得到n条干涉环剖线,利用高斯函数拟合得到干涉环峰值位置,再利用所得峰值位置进行圆拟合得到新的圆心和半径;最后以新的圆心为初始圆心重复上述计算过程直到圆心坐标收敛.利用上述方法对FPI仿真数据进行处理,并用于中高层大气风速反演,得到风速值为96.9537m/s(对应实际风速值约100m/s)和7.528.2m/s(对应实际风速值约10m/s),将其与理论实际值进行比较,得到反演绝对误差分别为-2.977m/s和-2.465m/s,相对误差分别为-2.98%和-24.67%,表明上述方法满足中高层大气风速(一般为每秒几十米到几百米)的反演精度要求,初步论证了圆心和半径确定方法的可行性.

一种用于测量高层大气风场的新型地基Fabry-Perot干涉仪

地表海拔大约250 km高度处大气非常稀薄,目前被动光学观测是该层风场探测最有效手段.Fabry-Perot干涉仪(FPI)由于具有较高能量利用率及光谱分辨率等特点,是该层大气最有效的地基风场探测仪器之一.基于采用光路缩束系统及滤光片后置(标准具之后)方法研制的小型化FPI,2014年分别在河北廊坊(39.40°N,116.65°E)和山西岢岚(38.71°N,111.58°E)进行了地基观测试验,将观测数据与反演算法相结合得到高层大气风场数据,并将数据结果与美国大气研究中心两台FPI的风场数据进行了比较研究,在气辉整体辐射较弱的情况下得到岢岚站的风速平均反演偏差为11.8 m·s^(-1).

模拟大气风场及其数据处理技术的研究

热层大气风速的测量可以采用干涉法来进行,由于光源(气辉辐射谱线)的强度很弱,故干涉法对测量系统要求很高。利用半导体激光器(LD)的调制特性和法布里-帕罗干涉仪(FPI)的高光谱分辨能力设计了一种用简单设备进行大气风场模拟与测量的方法。改变LD的驱动电流使其输出激光频率改变,从而模拟气辉辐射的多普勒频移,通过分析FPI获得的干涉图可检测出该频移,进而得到等效风速。模拟风速的相对误差不超过6.5%,最小模拟风速为20.01m/s,且测量结果与LD的线性调制特性很相符。使用该方法可以有效地对多普勒风速测量原理、数据处理方法、系统性能以及测量误差进行分析和评估。

法布里-珀罗气辉干涉成像仪的大气温度测量原理

讨论了法布里-珀罗干涉成像仪(FPI)对夜气辉的系统响应,更为明确地描述了建立该干涉系统数学模型的方法和结果。在此基础上阐述了利用FPI对热层大气温度进行测量的原理,并且通过分析稳频He-Ne激光器的干涉图对系统的传输函数进行了求解,对不同波长下系统传输函数的转换进行了讨论。干涉图的分析结果表明:该解析模型以及波长转换方法能够很好地表示干涉成像系统。另外对系统传输函数在实际气辉测量中的应用、系统的温度漂移以及误差估计也进行了简要讨论。

中国山西地区法布里-珀罗干涉仪测风能力及数据质量检验

介绍了中国气象局山西岢岚大气观测站(39°N,112°E)法布里珀罗干涉仪(FPI)的基本构造、测风能力、程序处理流程、数据质量控制方法以及检验情况.岢岚观测站FPI可以观测892.0(OH)nm,557.7(OI)nm和630.0(OI)nm波长处气辉谱线的多普勒移动,分别计算对应87 km,97 km和250 km高度处的大气风速和大气温度,可给出中间层顶区域及热层风的大气潮汐和扰动情况.采用水平风模型(HWM)输出结果进行交叉检验,对FPI测风数据质量进行验证.结果显示,岢岚大气观测站FPI仪器的测风数据在长期趋势上与HWM模式的输出数据一致,风速变化幅度有季节性差异,数据质量控制方法有效,测风误差在87 km高度处为5.7 m·s^(-1),97 km处为1 3m·s^(-1),250km处为4.1 m·s^(-1),测风数据通过了可靠性俭验.

北极黄河站极光亚暴期间低热层大气中性风研究

极光亚暴是地球空间基本的能量输入、耦合及耗散过程,其对低热层大气中性风的影响不容忽视,对这一问题进行深入研究具有重要意义.2010年11月,中国北极黄河站(78.92°N,11.93°E)安装了一台自主研制的全天空法布里-珀罗干涉仪(FPI)并开始进行正常观测,为中国首次获得了极光亚暴期间的FPI观测数据.根据2012年越冬期间的观测情况,对2012年11月12—14日及12月09—11日两个极光亚暴事件期间的数据进行处理,计算得到了5级干涉环对应的风场.亚暴期间风场变化与地磁活动变化的对比分析表明,风速的剧烈变化可能是由地磁活动剧烈扰动造成的.针对2012年11月13日00:00 UT—02:00 UT和2012年12月10日05:00 UT—07:30 UT的亚暴事件,将全天空相机拍摄到的极光图像与FPI干涉图像对应的视线风场进行对比分析.结果表明在极光活动中,视线风速加强的方向与极光弧的方向垂直,而在极光弧的平行方向,风速相对较小.

高温光纤法珀压力传感器研究进展

光纤法珀压力传感器具有耐高温、体积小、质量轻、抗电磁干扰、本征安全等优势,在航空航天、石油电力、化工冶炼等领域具有广泛的应用前景。本文从工作原理、探头材料及制作、传感器封装3个方面对高温光纤法珀压力传感器的研究进行了分析总结,并在此基础上进行了展望。蓝宝石和碳化硅在超高温(1500~1600℃)环境下仍然具有优良的机械性能,是制备高温光纤法珀压力传感器的理想材料,研究方向将集中于探头元件集成技术以及传感器封装技术。

基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变解调方法

提出并实验验证了一种基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变传感器解调方法,该方法综合了光纤法布里-珀罗干涉技术和匹配光纤光栅滤波法的优点.通过半导体制冷片和压电陶瓷组成的闭环负反馈控制系统,精确调节匹配光栅法布里-珀罗干涉仪的温度和应变,有效解决了光栅法布里-珀罗干涉仪的失配问题,从而保证系统静态工作点处于最佳匹配位置,同时能够避免探头因环境温度波动导致的测量误差.实验结果表明,该系统能够响应50～800Hz的输入信号,应变最小分辨力至少为0.4nε/Hz1/2,解调灵敏度高,且不受环境温度波动的影响,因而在动态应变或振动测量中具有较高的实用性.

法布里-珀罗干涉仪构成的湿度传感器

在许多生产实际中常常需要监控环境的相对湿度变化,高灵敏度的湿度传感器有很大的市场需求。提出并实验证明了一种基于法布里-珀罗干涉仪的相对湿度传感器。该传感器是通过将较短长度的毛细石英管拼接到单模光纤上,并将聚乙烯醇薄膜涂覆到毛细石英管的端面而构成。该传感头的总长度仅为168μm,尺寸紧凑,可以在有限的空间和恶劣的环境中灵活使用。实验结果表明,通过解调传感器反射光谱的波长偏移量,能够测量环境相对湿度,灵敏度较高。在低温时传感器有一定的温度依赖性;在高温时传感器对温度不敏感,可以忽略温度串扰。该传感器尺寸紧凑、成本低、灵敏度高、响应快、温度串扰小,具有一定的实际应用前景。

光纤F-P干涉仪传感器封装方法的研究

针对光纤F-P干涉仪(FPI)传感器封装普遍采用的化学胶水粘合方式存在的胶水老化而脱胶的问题,提出一种用高频CO2激光脉冲加热使光纤与石英管永久熔合进行封装的新方法。实验表明,在激光脉冲能量选择适当时,加热封装过程所导致的干涉仪平均光功率损耗可低至0.1dB左右,可满足封装的要求。

基于级联FPI和MZI的游标效应的光纤温度传感器

为了兼顾较高温度传感灵敏度和较大的测量范围,提出了一种基于游标效应的级联法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer, FPI)和马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer, MZI)的温度传感器,并进行了实验验证。实验中所采用的FPI是由两段单模光纤和一个两端镀膜的石英波片构成,其结构稳定且不受恒温箱振动的影响,因此将其用来作为温度传感元件。MZI作为滤波结构是由两个3 dB耦合器自制而成,通过控制两个臂长使其自由光谱范围(free spectral range, FSR)与FPI的FSR相接近,从而能基于游标效应以级联的方式实现温度传感灵敏度的放大。实验结果表明,在20℃—70℃的温度变化下,级联干涉仪的温度灵敏度为72.4 pm/℃,相比于单个FPI(8.72 pm/℃),该结构将温度传感的灵敏度放大了8.3倍,同时还具有较大的测量范围,实验结果与理论相一致。

基于MPCF-FPI和LPFG的高温-应变区分测量

提出并研制了一种结构简单、成本低廉的全光纤型高温-应变组合传感器,其结构是在具有微气泡腔的在线型Fabry-Perot干涉仪(FPI)后级联一个高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅(LPFG)。FPI通过采用商用化的熔接机熔接普通单模光纤(SMF)和多模光子晶体光纤(MPCF)形成,两类光纤间的空气泡形成FP干涉腔,由于MPCF具有较大的数值孔径并且其包层具有较大的空气孔,所以MPCF-FPI的干涉条纹具有较大的信噪比和对比度;并且,光纤的表面张力使气泡腔的表面足够光滑,不会降低熔接点的极限强度,从而确保了FPI是一种理想的耐高温应变传感器。高频CO2激光脉冲写入的LPFG能耐800℃高温,且具有较高的温度敏感性。通过分别监测MPCF-FPI和LPFG的波长漂移量,实现应变-高温的同时测量。实验结果表明,本文研制的传感器,其应变灵敏度为2.7 pm/με,温度灵敏度为0.07 nm/℃,可满足实际应用的要求。

基于飞秒激光直写F-P腔的位移与应力传感特性研究

设计了一款基于飞秒激光直写的法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)干涉型光纤传感器,实现了位移与外部应变双参数的测量,研究了该传感器的实现原理,并进行实验验证。首先用飞秒脉冲激光在标准单模光纤(single mode fiber,SMF)的纤芯的纵向上刻两道长度为48μm的线,两线间的距离为105μm,形成一个F-P谐振腔,将该结构的其中一端切平,与一个全反镜共同形成一个复合的干涉仪,从而构成位移传感器;再将切平的那一端打结,又可以进行应力的测量。实验结果表明,该结构在Dip1位置的位移灵敏度为-440.3 pm/μm,线性拟合系数为0.9903;该结构打结后,可以测得Dip2位置的应变灵敏度为1.2 pm/με,线性拟合系数为0.9924。传感器制作简单,成本低,结构微小,线性度良好,容易重复。该传感器在位移传感和应变传感领域中均具有一定的实用价值。