实现微位移测量的非本征法布里-珀罗干涉型光纤传感器

从光纤耦合和多光束干涉的原理出发,建立了非本征型法布里_珀罗干涉仪光纤传感器的理论模型,得到了用光谱法进行绝对距离测量的公式。设计出了传感器探头的结构,并搭建了系统。用LED作为宽带光源所得到的反射光谱可用于实际样品的微位移测量。实验结果表明,该传感器理论模型的数值模拟结果与实验结果是一致的。对实验数据进行了误差分析,所得到的测量精度可达到1μm。

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。

通过改进非本征法布里-珀罗干涉型光纤传感器结构实现温度补偿的新方法（英文）

针对非本征法布里珀罗干涉型(EFPI)光纤传感器外毛细管热胀冷缩引起的温度敏感问题,提出了通过在毛细管内部反射光纤表面镀温度补偿膜(实验中使用铜膜)来降低温度影响的方法,并推导了相关的数学模型,进行了实验研究。实验结果证明了该温度补偿方法的有效性和可控性。实验中,铜膜的轴向长度和补偿系数表现出了良好的线性关系,1mm轴向长度的铜膜温度补偿系数达到了0.49nm/℃。

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%。

非本征法布里-珀罗干涉型传感器非周期信号的相位解调方法

提出了一种恢复非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)传感器非周期动态信号的三波长正交相位补偿方法。利用三个干涉信号消除直流分量的影响,并通过相位补偿算法产生两个正交信号,用于解调出待测信号。在实验中对EFPI传感器加载一个非周期动态信号,使用三种不同的激光干涉测量技术对实验数据进行信号解调。结果表明,所提方法具有较高的解调精度,适用于高温环境下腔长变化的场合和非周期动态信号的测量。

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。

蓝宝石光纤空气隙非本征型法布里-珀罗高温传感器复用技术研究

本文提出了一种基于蓝宝石光纤的空气隙非本征型法布里-珀罗高温多点高温传感技术。将三只传感器串联起来制作并进行测试。实验结果表明,空气腔高温传感器具有非常高的温度灵敏度(>20nm/℃)和分辨率(<0.3℃)并且能够工作在1000℃的工作环境中。本文中的复用蓝宝石传感器相对于传感的点点传感器的最主要的优势在于其可以应用于高温环境。

MATLAB App Designer在法布里-珀罗干涉实验中的应用

基于法布里-珀罗(F-P)多光束干涉原理,利用MATLAB设计了基于F-P干涉实验的可视化App仿真界面,不仅可复现F-P腔长、入射波长、透镜焦距等参数对F-P干涉图样的影响及实时动态展示,还可观察周围介质折射率、F-P腔折射率与干涉图样的关系,并能进行多波长分辨率和微小波长差测量实验的演示.这些直观形象的模拟结果展示,将有助于改善多光束干涉理论及实验教学效果.

基于法布里-珀罗干涉仪的瑞利散射测速技术研究

基于法布里-珀罗干涉仪的干涉瑞利散射测速技术原理,结合种子注入Nd∶YAG脉冲激光器、ICCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗干涉仪,建立了一套干涉瑞利散射速度测量系统,系统的速度测量准确度为10m/s.对拉瓦尔喷管产生的超声速自由射流开展干涉瑞利散射速度测量,得到气流的流动速度为366m/s.在不需要外加任何示踪粒子的条件下,利用流场气体分子本身的瑞利散射,实现了对超声速流场速度的非接触测量.

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.

变间隙法布里-珀罗干涉式长波红外光谱成像系统

干涉式长波红外光谱成像技术以其独特的工作原理和谱段特性,在众多领域具有广泛的应用前景。为解决仪器小型化、轻量化问题,研究了一种基于变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉仪的新型长波红外光谱成像系统。在分析系统工作原理的基础上,研究了确定F-P干涉腔两反射面的反射率、变间隙干涉腔的楔角等主要参数的理论依据;搭建了实验系统,得到了整个装置对黑体宽波段热辐射的响应;通过将系统测得的聚丙烯薄膜的透过率曲线与高精度光谱辐射计测量结果进行比较,结果显示系统光谱分辨率满足理论设计要求。研究表明:该系统能够有效满足长波红外光谱成像系统的轻便化、小型化的需求。

高斯光束斜入射法布里-珀罗干涉腔后的反射光强分布

基于多光束干涉原理,推导了高斯光束斜入射法布里-珀罗干涉仪后的反射光强表达式.在此基础之上数值研究了入射角对高斯光束的反射特性的影响.研究结果表明:当法布里-珀罗干涉腔的腔长满足反共振时,随着入射角的增大,反射光的光强分散,峰值强度下降后呈现出幅度衰减的波动;峰值位置随着入射角的增大,呈现出幅度越来越小的振荡偏移;光斑大小随入射角的增大,呈现出幅度减小的振荡.

扫描式法布里-珀罗干涉仪测量高空大气风速

为测量中低纬度地区250km高空大气风速,采用扫描式法布里-珀罗干涉仪记录250km高度附近的OI630nm气辉辐射谱线的干涉图像.通过对观测图像分析处理,用高斯函数匹配干涉条纹强度分布以确定干涉条纹强度中心的精确位置,进而求出谱线的多普勒频移,反演出经向和纬向风速.经过理论推导,求出F-P腔间距的漂移量对风速的影响,对反演风速进行修正.由风速随时间变化曲线得到在观测期间,经向风朝南,大小在4～67m/s间变化;纬向风朝东,大小在20～100m/s间变化,最小风速误差约为6m/s.

提高差拍法布里-珀罗干涉仪测量精度的研究

文章在中国计量科学研究院研制的差拍法布里-珀罗(F-P)干涉仪基础上,提出用密封干涉光路的真空系统方法,来消除空气折射率变化对测量结果的影响。研究了空气折射率变化对测量精度的影响关系,给出真空系统所需的真空度的估计式。并设计制作了适用于该系统的密封干涉光路的真空系统。

法布里-珀罗薄膜干涉的光纤温度传感器

为了研制结构简单、成本低、可批量生产的微型光纤温度传感器,分析了薄膜干涉型光纤温度传感器的原理,选用Zr O2和Al2O3两种介质薄膜材料,采用TFCalc膜系设计软件设计了薄膜干涉型光纤温度敏感探头的膜系,由南光ZZS1100-8/G箱式真空镀膜系统采用电子束蒸发技术在普通多模光纤端面蒸镀介质薄膜,形成法布里-珀罗(Fabry-Perot)薄膜干涉,并搭建光纤温度传感测试系统,测试结果表明:在200~600℃范围内,所设计的干涉型光纤温度传感器的测试光谱随温度变化产生一定的波长漂移,且波长漂移的温度特性为线性,线性相关系数为99.7%,灵敏度为8.37×10-6/℃。基于法布里-珀罗干涉的薄膜型光纤温度传感器体积小,成本低,结构紧凑,可批量生产,适合安装位置狭小或对传感器集成化要求较高的场合。

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。