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。

测量光纤外腔Fabry-Perot干涉仪的白光干涉术

提出了一种基于白光干涉术测量低锐度光纤外腔Fabry-Perot干涉仪(EFPI)的方法·用宽带光源注入F-P腔,在接收端用一高锐度的可调谐光纤F-P滤波器对EFPI的反射光谱进行扫描,获得了周期性变化的光谱输出·为了测量出EFPI的腔长,对光谱信号进行傅里叶变换,得到光谱的周期,由此求出EFPI的绝对腔长·证明了用低锐度EFPI的测量准确度由腔长决定·F-P腔越长,测量准确度越高·在腔长分别是200μm,400μm和600μm时,测量的腔长与实际腔长相同·

用乙炔吸收方法实现光纤光栅外腔式半导体激光器稳频的研究

设计了用乙炔吸收方法稳频1.53μm光纤光栅外腔式半导体激光器的系统结构并简述了基本原理。系统中的吸收气室选用渐变折射率和带尾纤的光纤,提高了耦合的稳定性。采用三次谐波锁定技术,消除了背景功率的影响。利用锁定放大器闭环控制布拉格波长,将激光器的输出波长锁定在乙炔气体1530.37nm的吸收峰上,24h内频率稳定度达10^(-8)。

基于珐珀的全光纤式温度传感器研究

温度是核电厂安全运行的重要参数。对全光纤式的光纤珐珀温度传感器开展了研究。在单模光纤端面熔接一段带有空气腔的多模光纤。多模光纤部分构成珐珀干涉腔,利用多模光纤形成的珐珀腔感温。在热光效应和热膨胀效应下,温度的变化引起珐珀腔中光程差的改变。试验结果表明,50℃下腔长为592.0μm的光纤珐珀温度传感器,在50~200℃温度范围下的温度灵敏度为0.01811μm/℃、线性度为0.99365。通过分析讨论,提出了两种进一步提高光纤珐珀温度灵敏度的方法。这种全光纤式的光纤温度传感器相对毛细管式光纤珐珀温度传感器具有体积更小、结构更简单的优势,在恶劣及空间狭小的环境有广阔的应用前景。

用于断层测量的温度补偿光纤外腔型法布里-珀罗位移传感器

针对光纤EFPI传感器通常尺寸很小,而断层尺寸相对较大,导致光纤EFPI传感器在待测断层处安装不便的情况,提出了一种可用于断层测量的光纤外腔型法布里-珀罗位移传感器。两根陶瓷插芯从陶瓷套管的两端插入构成EFPI结构,通过使用金属内管和金属外管,增大了光纤EFPI位移传感器的尺寸;并且金属外管的两端采用O型圈密封,因此该EFPI位移传感器能够防水防尘。为了消除温度对EFPI位移传感器的影响,两根金属内管采用了不同热膨胀系数的材料在结构上进行温度补偿。在温度连续变化的环境下,对腔长为718.39 m的EFPI位移传感器进行了测量。测量结果显示,经过温度补偿设计后,位移传感器的温度系数由0.14μm/℃下降到了-0.04μm/℃,并呈现过补偿。

用于扫描光纤干涉仪的可调谐光源的设计

用于扫描光纤干涉仪的可调谐光源的设计王勇廖延彪（清华大学电子工程系激光教研组北京１０００８４）张敏田芊章恩耀（清华大学精密仪器与机械学系北京１０００８４）提出可用于绝对距离测量的波长扫描光纤干涉法，降低了系统对光源的要求，可以解决位移的不连续测量、无...

光纤压力传感器测量的最小偏差腔长解调算法

在光纤传感技术领域应用基于法珀腔(外腔式法布里-珀罗干涉腔)结构的光纤压力传感器进行气体压力测量时,由于传感器结构决定了腔长动态范围相对较小,需要高分辨率的腔长测量方法。因此针对基于法珀腔结构的光纤压力传感器进行绝对腔长解调算法研究,提出一种高精度最小偏差腔长解调算法,通过将法珀腔光纤压力传感器密封在压力标准源中,对等间隔压力变化产生的不同腔长进行实时解调,实现了气体压力的实时测量。实验结果表明,法珀腔光纤压力传感器腔长值随压差变化呈现出良好的线性关系和重复性,腔长测量的重复性为±1 nm,精度为0.1496%,压力测量的重复性为0.12%,压力测量的精度优于0.5%。

基于FPGA控制与白光干涉技术的多通道光纤EFPI绝对腔长测量系统

介绍了一种基于光纤白光干涉测量技术和现场可编程门阵列的多通道高速外腔式法珀干涉型传感器解调系统。该系统由一个半导体光放大器和一个光纤法珀可调谐滤波器来制作一个高速波长扫描光纤激光器,通过对称三角波技术驱动可调谐法珀滤波器产生扫描频率为1 kHz的扫频光谱。用FPGA实现EFPI传感器的高速信号解调。该系统实现了4通道每个通道2 kHz的EFPI传感器高速解调。

EFPI和光纤光栅传感器混合测量技术

研究了一种对外腔式F-P干涉型(EFPI)传感器和光纤光栅(FBG)传感器进行混合测量的技术。用窄线宽的扫描光注入EFPI或FBG,通过测量FBG的反射光波长和EFPI的反射光光谱完成在同一台仪器的不同通道实现了对FBG或EFPI的同时测量。还研究了在一根光纤上同时实现FBG和EFPI测量的技术,结果表明FBG串联在EFPI前面时,可准确测量出FBG的波长和EFPI的腔长。而EFPI串联在FBG前时,只能测量EFPI,而不能完成FBG的同时测量。

全光式石英增强光声光谱痕量气体传感器

提出一种应用于乙炔气体探测的全光式石英增强光声光谱探测系统，采用具有正交相位点自稳定特性的外腔式光纤珐珀干涉仪作为光声信号解调单元，从而有效提高系统探测灵敏度和精度。基于波长调制技术，分析了调制深度系数对二次谐波信号的影响。选择6534．36cm-1作为实验用乙炔吸收线，实验得到了该系统最佳调制系数为2．2，对应的最佳调制深度为0．1795cm-1。实验测量得到了光声信号与乙炔浓度的线性关系，其线性度为0．997；进而得到该系统的探测极限为584ppbv，对应的归一化等效噪声吸收系数为2．4×10-7cm-1·W·Hz-1/2。最后，利用Allan—Werle方差进行了系统长期稳定性分析，由此得到系统的最佳平均时间约为100s时，系统的最小可探测极限降低到约130ppbv。

外赋式光纤F-P腔实现光学选频

本文利用外赋式全光纤Ｆ－Ｐ腔进行光学选频，并对此器件的基本性质，特别是作为选频器的一些特性参数进行了分析与研究，设计了外赋式Ｆ－Ｐ腔的基本结构及结构参数，并分析了此选频器在不同腔长时的输出谱线特性。

一种光纤高温压力传感器

提出了一种基于氢氧火焰加工技术制作的光纤高温压力传感器。采用氢氧火焰加工光纤毛细管与玻璃套管,用耐高温玻璃胶加工玻璃套管与玻璃片,制作的法珀干涉型压力传感器,短时间工作温度能达到300℃,压力灵敏度达到23.158μm/MPa,能够满足高温环境下压力测量的需求。

光子晶体光纤温度压力传感器

提出了一种在高温环境下同时测量温度和气压的光子晶体光纤温度压力传感器.在普通单模光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成干涉结构.空心光纤段构成非本征法布里-珀罗干涉仪,利用光子晶体光纤的微孔与外界相通,通过气体折射率变化来测量环境中的气压变化;光子晶体光纤段构成本征法布里-珀罗干涉仪,利用热膨胀效应和热光效应来测量环境中的温度.传感器的解调通过自制的白光干涉解调仪实现,实验通过测量腔长得到被测环境的温度和气压.在不同温度和气压环境下,对腔长分别为306μm和1535μm的温度压力光纤传感器进行连续测量.实验结果表明,传感器能够在28~800℃的温度下和0~10 MPa的气压下稳定工作,测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃,压力灵敏度随温度增加而降低,在28℃时可达1460.5 nm/MPa.

超辐射发光二极管的应用

超辐射发光二极管(superluminescent diode简称SLD)具有光谱宽、功率大等优点。作为一种特殊光源,SLD已经被广泛应用。简要介绍了SLD的主要特征、主要表征参数和发展现状,详细阐述了SLD在干涉式光纤陀螺仪、光学相干断层成像技术、波分复用技术、光时域反射仪、可调谐外腔激光器、光纤传感器和光纤测试等领域中的应用。

光纤激光干涉测量技术在EFPI传感器信号解调中的研究进展

光纤激光干涉技术是外腔式法布里-珀罗干涉仪(EFPI)传感器动态信号解调的主要技术方案,具有测量灵敏度高、动态范围大、测量频率范围宽等优点。本文从外腔式法布里-珀罗干涉仪相对测量的基本原理出发,回顾了几种主流光纤激光干涉测量技术的解调原理、方法及优缺点,重点介绍了作者课题组提出的几种新型被动解调技术,着力解决现有解调仪仅能测量单一腔长的传感器、直流分量去除、腔长在变化甚至不知道等条件下的信号解调问题。

基于全光型石英增强光声光谱的痕量气体探测系统研究

提出一种应用于乙炔气体探测的全光型石英增强光声光谱探测系统,采用具有正交相位点自稳定特性的外腔式光纤珐珀干涉仪作为光声信号解调单元,从而有效提高系统探测灵敏度和精度﹒基于波长调制技术,分析了调制深度系数对2次谐波信号的影响,并选择6 534.36 cm-1作为实验用乙炔吸收线,实验得到了该系统最佳调制系数为2.2,对应的最佳调制深度为0.179 5 cm-1;实验还得到了光声信号与10~300 ppmv乙炔浓度的线性关系,其线性度为0.997;进一步得到该系统的探测极限为584 ppbv,对应的归一化等效噪声吸收系数为2.4×10-7 cm-1?W?Hz-1/2,而在相同条件下,采用传统电解调方式得到的归一化等效噪声系数为1.3×10-6cm-1?W?Hz-1/2﹒结果表明,相对于传统QEPAS系统,该系统的探测灵敏度提高了4.4倍﹒最后,采用Allan-Werle方差对系统的长期稳定性进行分析,由此得到系统的最佳平均时间为102 s时,系统的最小可探测极限降低到136 ppbv﹒

基于光纤白光干涉测量技术的折射率测量仪

设计了基于光纤白光干涉测量技术的折射率测量仪,用来测量尺寸较小、形状简单的透光材料折射率。与传统折射率检测方法相比较,光纤折射率测量仪具有设备尺寸小、测量精度高、操作简易、便于携带等优点。实验测得某种石英玻璃的折射率值为1.464,与标准值偏差为0.02,误差为1.4%;测得某种普通玻璃的折射率为1.502,与标准值偏差为0.002,误差为0.1%;测得K9玻璃的折射率为1.507,与标准值偏差为0.009,误差为0.6%。

微纳光纤高温压力传感器

提出了一种基于飞秒激光加工技术制作的微纳光纤高温压力传感器。用飞秒激光在光纤端面加工出法珀腔,制作出的全光纤法珀干涉型压力传感器,从室温到1100℃范围进行了压力温度试验。在不同温度下,压力传感器都有良好的线性输出特性,短时间工作温度超过1100℃,能够满足高温环境下压力测量的需求。

高灵敏度光纤温度传感器

针对深井温度变化小,提出了一种可用于深井温度测量的高灵敏度光纤温度传感器。两根陶瓷插芯从铝管的两端插入构成外腔式光纤法珀干涉仪(EFPI)结构,用螺钉固定插芯,再用高强度的环氧树脂密封该结构,达到防水防尘效果。金属铝和陶瓷插芯具有不同的热膨胀系数,温度的变化将引起EFPI腔长变化,采用高灵敏度光纤白光干涉测量技术,就可以通过测量EFPI腔长获得被测温度。分别在固定温度和不同温度下,对腔长为146.5μm的EFPI光纤温度传感器进行了连续测量。测量结果表明,高灵敏度EFPI光纤温度传感器的腔长-温度灵敏度为260nm/℃,温度测量分辨率为0.002℃。

高温光子晶体光纤温度传感器

针对大于500℃的高温环境,提出了一种可用于高温温度测量的高温光子晶体光纤(PCF)温度传感器。在光子晶体光纤末端熔接一段纯石英无芯光纤构成外腔式光纤法珀腔(EFPI)结构。纯石英无芯光纤在高温下的热膨胀和热光效应使得EFPI的光学腔长发生变化。结合光纤白光干涉测量技术,通过测量EFPI的腔长得到被测温度。在不同温度环境下,对腔长为175μm的EFPI光纤温度传感器进行连续测量。测量结果显示,设计的高温光纤温度传感器在27~1100℃范围内,腔长-温度三阶拟合精度达到99.95%,腔长-温度灵敏度为(0.851+0.0023T-0.000000957T2)nm/℃,其中在1100℃时,温度测量分辨率为0.225℃。