塞曼效应实验中固体F-P标准具的应用与教学

塞曼效应实验是高校近代物理实验课程中的重要内容,学校大多采用空气隙法布里-珀罗(F-P)标准具作为分光元件,本文介绍了固体F-P标准具在塞曼效应实验中的教学与应用、干涉分光的基本原理与特征以及干涉图样的分布规律.结合相关现象与分析,给出了塞曼效应实验的光路调节、谱线观测等过程.该实验教学过程可以加深学生对F-P标准具原理的理解.

基于L型轮辐结构膜片的窄频光纤F-P声波传感器研究

光纤声传感器被广泛应用在工业、医疗等领域。为了提高光纤F-P声传感器的性能,本文提出了一种L型轮辐结构的F-P传感膜片。膜片的厚度为15μm、梁宽度为0.5 mm、中心膜片的半径为1 mm。膜片由激光加工技术在304不锈钢上刻蚀而成。实验对1000 Hz下的传感器灵敏度进行研究,将传感器应用于光声池共振频率为1600 Hz的光声光谱气体检测系统中,并实现对50~100×10^(-6)的乙炔(C_(2)H_(2))气体浓度测量。实验结果表明,该传感器在1000 Hz下的声压灵敏度为25.4 nm/Pa,传感器可实现的最小可探测声压(MDP)为38.2μPa/Hz^(1/2)@1 kHz,声压信噪比为76.8 dB。实验所得到的光声光谱二次谐波信号的峰值与乙炔浓度呈现良好的线性关系,乙炔浓度的响应度为1.8 pm/10^(-6)。该传感器在光声光谱等单频声信号检测领域具有广泛的应用前景。

基于F-P光纤传感器的变压器油中双局部放电源定位研究

电力变压器作为电力系统中至关重要的能量转换设备,其稳定运行对于保障电能供应的可靠性具有重大意义。局部放电影响高压电气设备绝缘性能。局部放电在线监测不仅可以获取设备老化信息,还可以预测变压器寿命。局部放电源准确位置信息可以帮助检修人员制定精准维护计划,确保电力系统稳定,设备制造商可利用此信息优化结构和安装方法。变压器内部双局部放电源放电是一种更为复杂的故障类型,传统的检测方法难以准确捕捉到此类放电波形。F-P光纤传感器是一种新型的局部放电声学检测方式,该传感器结构小,灵敏度高,而且有较强的抗电磁干扰能力,可以内置于变压器内部实现复杂情况下的局部放电检测。在本研究中,研制了基于F-P光纤传感器的双局部放电源检测系统,采用基于多信号分类(MUSIC)测向原理的交叉定位算法,可以实现对变压器油中双局部放电源定位。总的来说,F-P光纤传感器阵列有较好的方向清晰度,可以实现准确定位。将该双局部放电源定位系统应用到了35 kV单相变压器模型上,验证了其对外绕组双局部放电源定位的有效性。

面向光纤与高Q值F-P谐振腔高效耦合的六维系统设计

基于法布里-珀罗(Fabry-Pérot,F-P)谐振腔的光学传感器具有结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,在工业、生物医学、航空航天等领域具有较高的应用价值。设计了自聚焦透镜、单模尾纤插芯、玻璃套管组成的输入/输出光纤结构和一系列六维对准系统,高效降低了高Q值F-P腔与光纤的耦合难度,使F-P腔的Q值达到4.247×10^(7),为高灵敏度光学传感器的一体化、工业化制造奠定了基础。

高灵敏硅凹槽膜片型光纤F-P局部放电超声传感器

文中设计并制备了一种硅凹槽膜片型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)超声传感器,用于电力设备局部放电检测。采用有限元软件优化设计传感膜片的凹槽参数,与传统圆形膜片相比,硅凹槽膜片的静态灵敏度提升4.09倍且谐振频率基本不变。通过耦合效率修正传统双光束干涉模型,研究F-P腔长对传感器干涉光谱对比度的影响,以提升传感器的声压灵敏度。利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)制备硅凹槽膜片,其凹槽直径为829.44μm,厚度为2.09μm,F-P腔长为163.600μm。在谐振频率61.5 kHz处,传感器声压灵敏度可达357.78 mV/Pa,并结合气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)局部放电缺陷模型对传感器性能进行验证。实验结果表明,文中所制备的光纤F-P超声传感器具有声压灵敏度高、实时性好、超声信号检测能力强等优点。

具有F-P标准具照明系统的白光干涉仪测量量块的测量不确定度分析

文献[1]F-P标准具用于量块量值的传递与溯源一文(中国测试技术2012年增刊第2期54-58页)介绍具有F-P标准具的白光干涉仪检定量块的光学原理及其结构,以及检定F-P标准具的等倾干涉的原理。而进一步对具有F-P标准具的白光干涉仪检定量块的测量不确定度的分析,则由本文完成。该文首先对F-P标准具的检定及其测量不确定度就行了分析。量块尺寸在白光干涉仪上与标准具作比较测量。为减少标准具的数量,量块尺寸可以与两块或三块标准具组成的尺寸进行比较,也可以是由一块尺寸较小的标准具经过光学倍增法实现与被检量块尺寸相同进行比较。例如80mm的量块用40mm的标准具进行比较,这时在量块上的光路在标准具中多一次反射达到;90mm量块则用30mm标准具进行比较。他们也可以由两块标准具组成的尺寸进行比较。分析时以倍增法测量误差最大,以其进行计算。充分证明具有F-P标准具的白光干涉仪完全满足检定1等量块的要求。通过文献[1]及本文的介绍,映证该技术可以实现普及1等量块的检定及量块的自动化检定,特别适用于量块生产厂00级、K级、0级量块的自动化检定。

双F-P型高温/应变复合光纤传感器

针对机电设备多状态监测的需求,提出了一种新双F-P腔光纤温度/应变复合传感模型。该光纤复合传感器采用纯石英光纤作为材料,通过化学腐蚀法及使用准直毛细管制作了双F-P腔,分别用以温度和应变测量,并对制作的传感器进行了传感性能的模拟仿真和实验验证。实验结果表明:该双F-P腔光纤复合传感器测量的最高温度为1000℃,温度灵敏度为10.998 pm/℃,满量程温度测量误差小于2%;该双F-P腔光纤复合传感器测量的最大应变为10000με,应变灵敏度为3.268μm/με,应变测量误差小于2%。所提出的双F-P腔温度/应变光纤复合传感器实现了温度和应变的同时测量,可用于机电装备同一位置的温度、应变测量。

基于F-P标准具非线性波长校准的FBG传感系统解调方法

针对光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)解调系统在变温环境下由于波长漂移引起的解调精度不足问题,提出了一种基于法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)标准具非线性波长漂移校准的FBG传感系统解调方法。研究建立了引入F-P标准具的FBG解调系统,设计了基于F-P标准具非线性误差补偿的波长校准流程,搭建了FBG解调系统在航空航天实际应用环境中的模拟实验系统,并在恒温及变温环境下进行了实验测试。实验结果表明,本文所提出方法在恒温及变温环境下的传感系统解调稳定性在±0.6 pm及±1.1 pm以内,且在变温环境下传感系统解调的波长漂移量从20.3 pm减小到0.7 pm。验证了解调方法的精度和稳定性,为航空航天等领域的结构健康监测提供了参考。

A narrow-linewidth continuous wave Ho:YALO_3 laser with Fabry–Perot etalons

A narrow linewidth continuous wave Ho：YAP laser with two Fabry-Perot etalons pumped by a Tm：YLF laser is reported. The maximum output power reaches 8.3 W when the incident pump power is 15.8 W, with 52.5% optical-to- optical conversion efficiency and 62.6% slope efficiency. A stable laser output at 2118.1 nm is achieved, with a linewidth less than 0.4 nm （full width at half maximum）. The beam quality factor is M2- 1.25, measured by the traveling knife-edge method.

基于非本征F-P干涉技术的全光纤位移测量系统

为解决传统分离镜组式干涉仪体积较大,无法在空间受限的环境条件下应用的问题,开展了全光纤F-P干涉位移测量技术研究。根据干涉原理分析了不同反射率条件对干涉信号形式的影响,计算得出:当反射率为4%时,多光束干涉的光强信号将近似为正弦函数,并利用有限元仿真对位移测量原理进行验证。设计搭建了基于非本征F-P干涉技术的全光纤位移测量系统。实验结果表明:该系统在1 min内静态噪声电压标准差为23.3 mV;在1 mm位移范围内,该系统与XL-80激光干涉仪的测量结果呈现高度线性关系,线性相关系数R 2为1,且该系统位移测量重复性优于XL-80激光干涉仪。

基于F-P微小角度测量原理的装置设计与实验研究

目的:设计一套微小角度测量装置并对其展开实验研究。方法:基于F-P标准具微小角度测量模型,对微小角度测量装置进行机械结构设计与实验研究。结果:所设计的微小角度测量装置与ELCOMAT 3000自准直仪在±150″测量范围内,角度测量不确定度不大于0.050″,两者示值误差不大于0.58″。结论:微小角度测量装置与ELCOMAT 3000自准直仪对比实验结果证明,微小角度测量值准确可靠。微小角度测量装置整体结构设计简单且操作简便。

面向航空发动机的高精高频动应变测量系统

高速高精动应变监测技术是实现航空发动机旋转部件故障早期诊断目标的关键技术。提出了一种基于相位解调技术的光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot,F-P)动应变测量系统,实现了在高频率条件下的高精度动应变测量。实验结果表明:系统中F-P传感器对应变的灵敏度可以达到100.955 pm/με,约为一般光纤FBG应变传感器(应变约1 pm/με)的100倍;测量频率可以达到10 kHz;在对多种不同标准激振频率进行测量时,误差不超过1.1%;另外测量系统探头能耐受1200℃的高温,因而在未来航空发动机旋转部件故障监测、性能测试方面都具有较好的应用前景。

井中永置式套管外三分量光纤MEMS地震检波器研究

针对非常规油气井套管外永置式微振动监测,研制了一种基于光纤法布里帕罗(F-P)干涉原理和微机电(MEMS)技术的三分量光纤MEMS地震检波器,将微地震信号转化为F-P腔长的变化,通过超快光谱探测技术和动态白光干涉解调技术实现高速解调。设计并理论仿真了μm/g量级的高灵敏度MEMS加速度芯片,突破大深度双面套刻工艺完成芯片样品制造。采用高集成度小型化结构设计、无胶封装工艺设计和陶瓷微加工工艺实现25 mm微型外径,满足套管外永置式安装要求,提高了高温检测精度。在实验室完成了检波器与标准电学加速度计的性能对比测试,结果表明:检波器可耐受175 MPa高压和180℃高温,灵敏度分别为1.2382,1.2590,1.0862μm/g,工作频带为0~350 Hz,量程为±5 g,线性度误差<0.01%,抗横向串扰能力<5%。研制的检波器耐高温高压、尺寸小巧、灵敏度高、线性度良好,在非常规油气井储层压裂改造和采油气生产过程中,永置式套管外的三分量光纤MEMS地震检波器可以发挥重要的监测作用。

多波长加权回归准确计算F-P标准具的间隔

漫射单色光经F-P标准具产生一组干涉圆环,对环直径平方与干涉级次的经典一阶方程加上二阶修正项,从修正后的准直线方程能够确定圆环中心干涉级次的小数部分。实验采用波长相近的两条汞黄线、氦黄线和氖黄线作为光源,同时获得经F-P标准具的四组干涉圆环。对圆环的点位坐标数据作圆回归求得直径值及其标准差,进而用新的准直线模型作加权回归求得各波长的小数干涉级次,评定其扩展不确定度。将3个波长(两条贡黄线,一条氦黄线)的测量结果用于小数重合法计算,从厚度粗测值选定间隔数值计算的取值范围,步距小于0.01 nm,求得间隔d=1 655.331 67±0.000 45μm,相对误差限约为3×10-7。再用第4个氖波长作检验,由d求出的干涉级次与实测值的相对偏差为1.9×10-7,显著小于干涉级次测量值的相对不确定度7.4×10-7。

基于F-P温控标准具的高稳定性FBG波长解调系统(英文)

光纤布拉格光栅(FBG)的波长随外界温度和压力变化。检测出波长的变化,就可以计算出外界的温度和压力。文章提出了一个基于F-P温控标准具的高稳定性光纤布拉格光栅(FBG)波长解调系统,讨论分析了FBG波长解调系统的原理及高稳定性的原因。在这个系统中,带温控模块的F-P标准具用来进行实时波长校准。F-P标准具的波长数值可查询得到,由线性插值算法可以得出光纤光栅的波长值。温控模块可以保证标准具在±0.01℃的范围内变化,因此标准具波长值可以认为是定值。最后通过测量水浴槽中光纤光栅的波长变化测试系统稳定性,并与MOI公司解调仪sm125在稳定性方面做了对比。实验结果表明20 h内系统的长期稳定性可达到±0.15 pm,而sm125解调仪是±3 pm。

基于F-P标准具的固体激光可调线宽控制技术

钠导星激光研制需激光线宽在一定范围内可调节。开展了F-P标准具压窄线宽数值模拟,设计一台高光束质量基横模线偏振激光输出全固态1064nm激光器作为实验装置,结合激光器输出光谱特性进行计算。根据计算结果采用不同规格的单标准具、组合双标准具实现了激光线宽在0.75～2.83GHz范围内的离散调节控制。在标准具未控温情况下,不同线宽时激光中心波长保持1064.58nm,30min内波长漂移量小于3pm。

一种透过率随入射角近似线性变化的F-P标准具设计

为了由非机械扫描式F-P标准具的透过率得到来袭激光的入射角,设计了一种透过率随入射角近似线性变化的F-P标准具。把薄膜光学原理应用于F-P标准具的设计之中,考虑了斜入射条件下,特别是大入射角下,增透膜和干涉腔反射层特性参数变化对其透过率的影响,针对1.06μm激光,经过仿真设计,确定了F-P标准具主要参数。反射板选用K 9玻璃,反射层采用单层ZnS膜时,腔长(475±5)nm,膜厚(65±5)nm,膜层垂直反射率20.7%~24.0%,对应标准具的透过率与入射角之间线性关系为T=-52.23+θ87.92,透过率非线性误差±5%;采用A g膜时,腔长(460±10)nm,膜厚(3.80±0.15)nm,膜层垂直反射率22.4%~24.8%,T=-52.28θ+82.05,透过率非线性误差±4%。但具体的实现形式和制作工艺有待进一步研究。

基于集成谐振及干涉效应的温度自补偿薄膜厚度检测方法

塑料薄膜厚度检测结果受环境温度影响较大。基于微纳光纤环形谐振腔(MLR)和法布里—珀罗(F-P)干涉仪,提出一种集成薄膜厚度检测温度自补偿方法,先利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装的MLR监测温度变化,再利用薄膜前后表面形成的F-P腔测量薄膜厚度,最后根据反射光谱表现的MLR和F-P干涉的集成效应,实现单光源单解调装置的温度和薄膜厚度同时解调,达到薄膜厚度测量的温度自补偿效果。结果表明:集成薄膜厚度检测温度自补偿方法能够准确检测由温度波动引起的薄膜厚度变化,温度灵敏度为166 pm/℃,温度为25~55℃时可实现温度自补偿,最大相对误差由0.51%降低至0.11%。与其他厚度检测方法相比,集成于检测厚度传感器的温度自补偿薄膜厚度检测方法灵敏度高、实现无损检测、快速检测及测量不受温度影响,在石油化工及生物检测领域提高薄膜测厚效率、提升测厚准确度方面具有较好应用。

基于非对称F-P滤波器的光纤光栅解调技术

介绍了利用非对称光纤Fabry-Préot(F-P)腔作为边沿滤波器的光纤光栅波长移位检测方案。基于薄膜干涉理论对该非对称F-P腔的反射率响应关系进行计算与分析,得出该F-P腔的结构参数,改善了普通F-P腔的反射特性,具有线性范围宽和线性度好的优点。利用该F-P腔的某一线性滤波边缘,将传感光栅的波长信息转化为功率信息进行检测,可完成光纤光栅的传感波长解调。采用该检测方案进行了光纤光栅应变传感实验,实现了在7 nm范围内的波长线性解调,测量波长分辨率为0.01nm。

F-P标准具温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响

F-P标准具的特性易受温度影响,温度变化时,其透射峰会发生漂移,将其应用于光纤光栅波长解调时,温度波动会给波长解调精度带来影响。分析了F-P标准具的温度特性对光纤光栅波长解调精度的影响程度,并分别采用温度稳定性为±1.5GHz和±3GHz的F-P标准具进行了稳定性和重复性实验。实验结果表明:光纤光栅传感器的中心波长不同,由F-P标准具的温度特性产生的解调误差也不同;采用2种F-P标准具测得的稳定性误差最大值分别为0.528pm和0.676pm,重复性误差最大值分别为1.77pm和2.01pm。