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。

光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器研究进展

光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器具有体积小、制作简单、灵敏度高、耐高温和抗电磁干扰等优点,广泛应用于航空航天、能源工业及环境监测等领域。本文首先介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的传感原理、传感性能、传感特性和制备方法。然后对其温度、压力和应变的灵敏度和测量范围等特征参数进行了归纳。总结了光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的国内外研究进展及性能参数。介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪传感器温度和压力的交叉敏感问题及解决方法和基于不同种类光纤的法布里-珀罗干涉仪高温传感特性。针对近几年光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的研究进展,介绍了多种用于双参数测量的光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器。最后对光纤法布里-珀罗干涉仪高温传感器的未来发展趋势和前景进行了展望。

基于掺铒光纤的微型光纤法布里-珀罗干涉传感器

提出了一种化学腐蚀掺铒光纤制作微型光纤法布里-珀罗干涉传感器的方法。通过对掺铒光纤进行化学腐蚀,形成凹槽,再与单模光纤直接熔接制作而成。实验制作的微型法布里-珀罗干涉传感器干涉条纹光滑,对比度达到15 dB。对该微型光纤法布里-珀罗干涉腔进行了应变和温度传感实验。实验结果表明,在0～600με内,波谷移动随应变改变的灵敏度达到1.7 pm/με,线性度为0.9998,从73～23℃,波谷移动随温度改变的灵敏度3.9 pm/℃,线性度为0.998 2。该方法制作的微型光纤法布里-珀罗传感器具有操作简单,一次成型,制作成本低的优点。

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.

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。

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。

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.

基于光纤法布里珀罗干涉仪的涡街流量计

为解决常规电学流量计抗电磁干扰能力差的缺点,基于卡门涡街以及光的干涉原理,针对暖通空调系统提出一种光纤法布里-珀罗型涡街流量计,该流量计利用绕流体产生周期性漩涡的特点,在流速与干涉仪输出光强之间建立联系,以光强的变化频率反映流速,实现流速传感。其中采用有限体积法对流量计进行数值模拟,合理选择出最佳检测点,并将得到的模拟数据与理论值进行分析比对,证明了该流量计设计的合理性和可行性。

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。

基于双法布里-珀罗干涉仪多纵模米散射多普勒激光雷达技术

提出了基于双法布里-珀罗干涉仪(FPI)的多纵模米散射多普勒激光雷达技术,分析了探测原理,并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配,并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域,由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数EV随匹配误差的增大而迅速增大;频率匹配误差不变时,EV随风速增大而缓慢减小;当频率匹配误差小于10 MHz时,EV将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数,对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明:在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内,当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时,系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s;在无云条件下,系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。

基于双级联法布里-珀罗干涉仪多纵模测温激光雷达技术

提出了基于双级联法布里-珀罗干涉仪(FPI)的多纵模高光谱分辨率测温激光雷达技术。分析了该技术的温度探测原理,并据此构建温度探测的理论模型,导出了温度和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光发射源的纵模间隔与双级联FPI的自由谱间距相匹配,并将各纵模的中心频率锁定在前级FPI周期性频谱的峰值位置。详细分析了频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差,结果表明:后向散射比越大,相同的频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差就越大;频率匹配误差对温度测量的影响大,为保证低层大气温度测量准确,频率匹配误差和锁定误差应分别小于5 MHz和10 MHz。进一步给出了采用FPI腔长粗扫和细扫相结合的频率匹配校准方法和步骤。设定合理的系统参数,对基于双级联FPI的多纵模测温激光雷达系统的探测性能进行仿真分析。结果表明:在0~20 km高度范围内,通常匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差很小,在2 km以上可忽略不计;若出现云层、沙尘等,对应高度的温度测量偏差将会较大;垂直距离分辨率取30 m@0~12 km和60 m@12~20 km、时间分辨率取1 min时,白天和晚间由噪声引起的温度测量误差分别小于3.7 K和3.5 K,后向散射比相对测量误差分别小于0.40%和0.38%。

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。

高精细度微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪

通过在镀膜单模光纤端面制作微透镜,构造了微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪。利用ABCD矩阵方法分析了微透镜法布里-珀罗腔的模场。由于微透镜的会聚作用,法布里-珀罗腔模场可以和单模光纤模场良好的匹配,从而达到高精细度和低插入损耗。实验制作的微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪。自由光谱区范围32.28 nm,精细度为78,峰值透射比为73%;在法布里-珀罗腔的光学腔长增加到100 μm的情况下,峰值透射比仍然大于50%。该微透镜光纤法布里-珀罗干涉仪制作容易、对设备要求低,可以封装成光纤法布里-珀罗滤波器和传感器,具有广泛的应用前景。

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。

基于空芯光子晶体光纤的全光纤法布里-珀罗干涉式加速度传感器

研究了一种基于悬臂梁结构的光纤法布里-珀罗干涉式加速度传感器,光纤法布里-珀罗腔是用电弧放电熔接方法将空芯光子晶体光纤(HCPCF)熔接在两根普通通信单模光纤中间而构成。这种法布里-珀罗干涉结构对应变敏感,而对温度和弯曲不敏感。理论推导了悬臂梁自由端扰度与这种法布里-珀罗干涉腔的腔长、干涉光强,以及光电探测电压之间的关系,得到了简化的加速度计算公式。实验证明这种结构测量加速度的可行性,在实验的基础上理论推导出这种系统测量加速度的分辨率约为8.42×10-7g,灵敏度为0.3386 V/g,提出了这种系统的进一步优化方法。

基于空芯光子晶体光纤的微小型非本征光纤法布里-珀罗干涉应变传感器

报道了一种用空芯光子晶体光纤制作的法布里-珀罗腔体,利用光纤熔接方法将该法布里-珀罗腔体和两根普通通信单模光纤熔接起来构成的微小型光纤法布里-珀罗干涉应变传感器。这种干涉传感器制作过程仅应用了切割和熔接手段,光纤材料单一,因此受温度变化的影响小。另外,该类型传感器的干涉腔长度对干涉信号强度影响不大,其干涉腔长度可至数厘米。因此,这类传感器将在大容量、准分布式传感系统中具有极大的潜在应用价值。

光放大外腔式光纤法布里-珀罗干涉传感系统

提出了一种大幅度提高外腔式法布里珀罗干涉传感器干涉信号强度的方法 ,利用掺铒光纤放大自发辐射产生的光源代替一般宽带光源 ,同时由于掺铒光纤的放大作用可以放大干涉信号 ,将光纤法布里珀罗传感器的信号强度提高了 4个数量级 ,因而利用该方法可获得很强的信号和较高的信噪比。介绍了基于光放大的外腔式法布里珀罗干涉传感系统的结构、测量原理及实验。实验结果表明该传感器的应变精度为± 10 με,可满足实际应用的要求。该传感系统在大幅度提高传感器信号强度的同时并未提高系统的成本 ,因此有着较高的性价比和实用价值。

飞秒激光制备的全单模光纤法布里-珀罗干涉高温传感器

提出了一种全单模光纤的本征型法布里-珀罗干涉(IFPI)高温传感器。光纤IFPI传感器由飞秒激光在标准单模光纤上刻写的一对内部反射镜和腔内光纤构成,其反射光谱的干涉条纹对比度达到10dB,而插入损耗仅为0.1dB。实验结果表明,该传感器的测量温度可达1000℃,温度灵敏度为14.9pm/℃。而且在重复测量中,反射光谱具有良好的一致性,可以准确地实现高温传感。飞秒激光制备的光纤IFPI高温传感器完全由标准单模光纤构成,结构简单、成本低廉,易于连接现有的光纤器件构成光纤传感网络,在实际工程中有较大的应用价值。