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。

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。

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。

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。

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.

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

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。

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-珀罗腔传感器双波长解调法及波长优化设计

提出了光纤法布里珀罗(F-P)腔传感器的双通道双波长解调方法,并在此基础上建立了传感器的实验解调系统。理论分析与实验研究了双波长法解调光纤法布里珀罗腔传感器的基本原理,证明了双波长双通道解调法可以补偿传感器光网中和波长无关的变动引起的误差。根据已知的法布里珀罗腔传感器初始腔长和腔两端面反射率,从腔长变化的动态范围、线性、灵敏度等方面考虑,对工作波长以及线宽进行了优化设计。对双波长双通道解调系统进行了实验和数据分析,经最小二乘法拟合后的线性拟合度达到98.35%。实验结果表明:该方法可满足解调光纤法布里珀罗腔传感器在灵敏度、响应速度以及稳定度上的要求。

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.

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。

液体填充增敏型法布里-珀罗微腔光纤温度传感器

为了提高传统空气腔法布里-珀罗(法珀)干涉仪的温度灵敏度,提出了一种基于液体填充的增敏型法珀微腔光纤温度传感器。传感器采用标准单模光纤与二氧化硅毛细管制作长度为微米量级的光纤法珀微腔并填充以液体。对所制作液体填充法珀微腔光纤温度传感器,由反射光谱通过相关算法计算绝对腔长的方式实现温度解调。理论和实验均表明,该液体填充型法珀微腔传感结构具有明显的温度增敏效果。对于腔长为~12.140μm的液体填充法珀微腔光纤温度床感器,其腔长-温度灵敏度达到了2.185 nm/℃,高于作为参照的非填充空气腔法珀光纤温度传感器高一倍左右,增敏效果明显。

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。

光纤法布里-珀罗腔液位传感器

为了实现电不进油罐的目的,提出一种基于光纤法布里-珀罗(F-P)腔干涉仪原理的光纤液位传感器,它根据不同的液体高度产生不同的压强的原理实现液位测量。传感器产生的信号经放大、光电转换后,由单片机将数据处理显示。实验结果表明:光纤F-P腔传感器测量液位方法简单,并且精度较高。

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.

利用法布里-珀罗腔开展激光模式的实验教学研究

将激光束耦合进入法布里-珀罗(FP)腔,这一物理过程相当于对传输光场施加周期性边界条件,导致FP腔的输出光束为一系列具有离散分布特点的激光模式。一般来说,激光模式可以分为横模与纵模(也称作轴向模)。为使本科生更加直观地理解光束在FP谐振腔内传输这一边值条件问题,本文详尽地描述了基于FP腔开展激光模式教学的实验课程。该课程由三个小实验组成,分别是:(1)测量基模光斑的束腰半径来研究激光的横模;(2)测量FP腔的自由光谱区表征激光的纵模;(3)通过探测FP腔的透射信号与反射Pound-Drever-Hall(PDH)信号,并基于两种独立的方法测量FP腔的腔线宽和腔精细度进一步表征纵模。作为一门针对高年级本科生的创新物理实验课程,通过本实验的训练有助于理解光学、激光原理、光电子学等相关物理课程内容,也有助于启发学生掌握基于FP腔实现激光稳频的相关技术。

多腔型光纤法布里-珀罗传感器三波长动态解调技术

针对在多腔型法布里-珀罗传感器中难以提取动态信号的问题,提出了一种用于多腔型法布里-珀罗传感器的三波长解调技术。该解调技术使用放大自发辐射光源和三个固定中心波长的宽带光纤滤波器,使干涉现象仅发生在多腔型光纤法布里-珀罗传感器的短腔中,以此提取较短腔的三个干涉信号。建立了校正算法和反正切算法来提取振动信号。实验结果表明,该解调技术成功提取了频率为1 kHz、峰峰值幅度为2.6μm的振动信号。解调速度为500 kHz,解调分辨率为0.25 nm。该解调技术具有系统紧凑、成本低、速度快、鲁棒性高等优点,在多腔型法布里-珀罗传感器方面有巨大的潜力。

基于α-MoO3的可调谐法布里-珀罗谐振腔比色生物传感器

生物传感器是近年来的热点研究方向,其中基于折射率变化的光学传感器在灵敏度方面具有很大优势.本文基于α-MoO3设计了一种集成微流腔的法布里-珀罗谐振腔比色生物传感器.理论分析了BK7/Ag/SiO2作为谐振腔反射面的可行性,并进一步用传输矩阵法分析了所设计的比色生物传感器的透射光谱.当微流腔通过不同浓度的NaCl溶液时,比色生物传感器显示出明显的颜色变化.该比色生物传感器灵敏度最高可达600 nm/RIU,可分辨NaCl溶液9‰的浓度变化.由于α-MoO3具有独特的各向异性的光学性质,该比色传感器可以通过简单的旋转设备实现工作波长的调节以更好地适应人眼的光敏感区.另一方面,调节微流腔的厚度也改变该比色生物传感器的工作波长.该比色生物传感器具有结构简单、易于集成、操作成本低、实时检测等优点,为以后设计可调谐比色传感器提供了一种新的选择.