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.

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%。

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。

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。

基于光子晶体光纤法布里-珀罗干涉仪的温度自补偿折射率计

采用手动熔接实芯光子晶体光纤和普通单模光纤制作本征法布里-珀罗(Fabry-Pérot,F-P)干涉传感器的方法,提出了一种可实现温度自补偿的高灵敏度折射率计。理论与实验表明,新型F-P干涉传感器的对比度不受环境温度影响只随着外界折射率的变化而变化,当外界折射率在1.32～1.44范围内变化时,其折射率灵敏度约为4.59/RIU,分辨率约为2×10-5。此外,该传感器的腔长具有较高的温度灵敏度,在20～100℃范围内,其温度灵敏度为18.72 nm/℃。因此,可以通过同时监测该传感器对比度和腔长的变化就可以实现折射率和温度的同时测量,在实际工业应用中具有广泛的应用前景。

聚合物微腔的探针型光纤法布里-珀罗干涉仪传感器

设计了一种在单模光纤末端涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）形成聚合物微腔的探针型光纤法布里一珀罗干涉仪传感器（PFFPI），并对其折射率（RI）和温度传感特性进行了研究。其折射率和温度测量分别是基于消光比变化和波长漂移进行的，同时着重对这个器件的与众不同的折射率传感特性进行了理论分析，该理论分析可用于传感器的设计。传感器同时具有比较高的折射率灵敏度和温度灵敏度，在折射率为1．3625-1．4206的范围内折射率灵敏度为-180．359dB/RIU（RIU表示折射率单元），在温度为25℃～60℃的范围内温度灵敏度为355．28pm/℃。该传感器具有体积小巧和生物兼容性良好等优点，与传统光纤传感器相比其更具优势的应用就是生化活动的检测，如组织培养等。

基于非本征光纤法布里-珀罗干涉仪的局放声发射传感器设计

采用耦合石英膜和光纤接头构成非本征法布里-珀罗干涉仪(EFPI)传感器,检测液-固复合绝缘电介质中的局部放电声发射信号。为解决目前EFPI传感器灵敏度低的问题,依据弹性力学原理和有限元分析方法确定EFPI膜片结构设计方法,并制作传感器样品。建立以分布式反馈(DFB)激光器为光源的EFPI正交强度解调系统。以绝缘油针-板电极局部放电为信号源,利用压电陶瓷(PZT)传感器与EFPI样品进行对比测试。结果表明,EFPI传感器局放检测灵敏度取决于传感器频响带宽和静压灵敏度,完善了EFPI膜片设计方法,获得局放检测灵敏度与PZT相近的EFPI传感器。

基于光纤法布里-珀罗干涉仪的高压静电传感器

静电电压表对测量交直流高压有着非常重要的作用。为了实现高电压静电电压表的精确测量，提出并制备了一种采用法布里-珀罗（FP）腔干涉原理的静电电压传感器。所设计的传感器电极与高压电极构成一组静电电压测量电极，此传感器的FP腔由光纤准直器和外侧镀铝的聚酯膜构成，当在高压电极施加载荷时，聚酯膜与高压电极之间产生均匀电场，在电场力作用下聚酯膜产生形变，从而改变FP腔的腔长，造成FP传感器的输出光谱偏移，采用相位解调法获得高压电极上施加的载荷，实现电压的静电测量。实验结果表明：可实现5-16kV直流高压和交流高压有效值的测量，5-10kV范围测量精度为1．21％，10-16kV的测量精度为0．61％。此传感器满足高电压的测量要求。

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。

基于法布里-珀罗干涉仪的高灵敏度光纤传声器

论文系统完整地描述了基于法布里-珀罗干涉仪的高灵敏度光纤传声器的研究,内容包括法布里-珀罗干涉仪、光强度解调和电压输出.根据基本原理分析和计算,通过对结构紧凑传感头、放大的自发辐射(ASE)宽带光源与密波分复用器(DWDM)选配组合的相干光源以及跨阻和前置放大电路的设计,制作完成了光纤传声器.该光纤传声器具有高灵敏度值为247mV/Pa,在频率范围30Hz^4kHz内的平坦度小于2dB,以及高信噪比和低总谐波失真.

一种基于外腔式法布里-珀罗干涉仪的光纤加速度计

研制了一种基于外腔式法布里-珀罗(F-P)干涉仪的光纤加速度计,理论分析了影响标度因数的结构参数,并利用有限元分析软件ANSYS对该结构进行仿真分析。F-P干涉仪由光纤端面和固定在弹性膜片上的反射镜组成,膜片上加工两圈花瓣状分布的弧形阵列。这种F-P干涉仪结构标度因数高、横向串扰小。经实验测定,该光纤加速度计标度因数为155.48 rad/g,与仿真分析结果基本吻合,交叉灵敏度仅为4.87×10^(-2) rad/g,分辨率为100mg,零位稳定性为125mg,提出了进一步提高性能的方法。

本征不对称光纤法布里-珀罗干涉仪的理论模型

应用光学和数学理论导出本征不对称光纤法布里 -珀罗干涉仪中反射光与透射光的数学模型及低反射率法布里 -珀罗干涉腔长度的变化与干涉光光强的数学模型 ,并指出当 r′1=t1t′1r2 =r,且 t1t′1=1- r′21≈ 1,则法布里 -珀罗腔反射光间的干涉近似为两束等幅光的干涉 ;文章还给出了光电转换器输出与法布里 -珀罗干涉腔长度变化的数学模型。这些模型为不对称光纤法布里 -珀罗干涉仪的使用提供理论依据。

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.

基于法布里-珀罗干涉仪和光纤布拉格光栅的双参量光纤传感器

提出了一种结构紧凑的基于法布里-珀罗干涉仪(FPI)和光纤布拉格光栅(FBG)的双参量光纤传感器,实现了对应变和温度的同时测量。将一段端面被腐蚀过的多模光纤(MMF)与一小段光敏光纤(PSF)熔接形成FPI。PSF的平整端面作为FPI的一个反射面,FBG被刻写在PSF中.实验测得FPI和FBG对应变的灵敏度分别为8.63 pm/με和1.11 pm/με,对温度的灵敏度分别为-1.60 pm/℃和9.75 pm/℃。由于FBG和FPI对应变和温度分别有不同的灵敏度,组合起来可以实现对双参量的同时测量。实验结果表明传感器同时进行应变和温度测量时的最大误差分别为6.72με和0.98℃。