共焦球面F-P干涉仪测量液体折射率和浓度的实验研究

以单模石英光纤为传光介质,共焦球面F-P干涉仪为传感器件,面阵分体CCD摄像机为图像接收器件设计了一套液体折射率和浓度的测量系统,对不同浓度的酒精溶液进行了测量．实验结果表明,采用该系统可以探测到10-5量级的折射率变化量,和相应的溶液浓度变化精度也为1．0×10-5,相对于传统的折射率测量方法,这种测量系统调整方便,操作简单,能够用于液体折射率和浓度变化过程的在线测量．

高热稳定性测风Fabry-Perot干涉仪标准具的设计

针对星载测风Fabry-Perot(F-P)干涉仪的核心部件F-P标准具的热稳定性对测风精度的影响,从标准具结构设计角度(材料、形状和固定方式)分析了标准具的热稳定性,并给出最优设计方案。通过对光学元件结构尺寸的优化设计,得出了F-P标准具光学元件的最佳形状尺寸,即平板厚度为25mm,间隔元件的角度为40°。采用柔性结构固定方式,计算了F-P标准具机械结构的形状尺寸。最后基于有限元法,分析了光学组件和整个标准具的热变形。分析结果显示,当环境温度变化0.1℃时,光学组件平板中心间隔变化量为0.64nm,整个标准具平板中心间隔变化量为0.28nm,通光口径边缘处间隔变化量为0.2nm,相对于波长λ为630nm的气辉光谱线约为λ/2 250和λ/3 150,并且平板间隔变化量沿着径向向外逐渐减小。得到的结果显示,优化设计后的结构参数满足风速为5m/s时测量精度对热稳定性的要求,同时满足力学性能要求。

利用F-P干涉仪测量固体材料线膨胀系数

利用固体线膨胀时的长度改变引起入射到法布里-波罗干涉仪的激光光束角度发生变化的特点,设计了一种测量固体线膨胀系数的装置,并使用CCD精确测量干涉光斑发生的位移,测量了固体棒的线膨胀系数。实验结果表明该方法具有较高的可靠性和精确性,同时介绍了一种可以用于精确测量两平行平面间距的方法。

高层大气测风用地基F-P干涉仪的数值模拟

热层大气风场、温度场对热层-电离层耦合研究、热层环流特性研究以及太阳活动和地磁活动研究等有着重要意义,同时其也是航天器飞行环境预报的重要物理基础.目前,由于热层所处位置较高,大气非常稀薄,风场探测难度较大,因此针对热层大气风场的探测手段非常少.Fabry-Perot(FP)光学干涉仪可通过观测气辉来进行风场探测,其对成像系统像质要求不高,在设计中无需过分追求像质,已经成为热层风场测量的重要工具.由于风场观测气辉的辐射强度非常微弱,因此必须进行FP干涉仪测量系统优化,获得相对较强的辐射强度,以提高风场测量精度.但目前,对FP干涉仪系统优化方面的研究较少,且在测风误差评价方面的工作也不充实.本文通过热层测风用固定间距标准具地基FP干涉仪数值模型的建立,解决FP干涉仪设计过程中各参量的优化问题,并提出一种新的测风误差估算方法.数值模型结果分析表明,在目前探测器观测技术水平下,采用全部干涉环参与计算并结合像元合并技术进行风速反演可最大限度地提高测量精度.此外,由于气辉辐射强度是影响热层大气风场测量精度的重要因素,因此在仪器测风精度性能评价时需确定观测对象强度,即气辉的辐射强度.

F-P干涉仪在长度测量领域的应用

ＦＰ标准具和干涉仪利用多光束干涉的原理，产生极锐的干涉条纹并且谐振频率对ＦＰ腔长的变化非常敏感，根据这些特点，从利用ＦＰ干涉仪进行激光器的频率锁定、稳频，光学倍程精密定位和纳米测量三个角度综述了在长度测量领域ＦＰ干涉仪的发展情况；在分析主要存在的问题和解决方法的基础上，讨论了ＦＰ干涉仪的发展方向，并指出在纳米测量中ＦＰ干涉仪将起到越来越重要的作用。

基于PA92的F-P扫描干涉仪设计

使用STM32F103ZET6单片机控制，采用PA92功率放大器驱动压电陶瓷，设计了532nm平平腔结构的F-P扫描干涉仪。腔镜反射率为99％，精细度310，腔长0．1～150mm连续可调，对应自由光谱区1～1500GHz和分辨率3．2～4800MHz连续可调。压电陶瓷驱动电压和频率通过编码器调节，可以在0～200V和1～100Hz连续可调，并显示在数码管上。同时可以通过RS232串口与计算机通讯，在上位机使用LabVIEW软件界面方便地设置压电陶瓷驱动电压和频率。使用F-P扫描干涉仪，对激光二极管泵浦Nd：YVO4／KTP绿光激光器纵模进行了测量，验证了整个系统的工作性能稳定可靠。

环形腔全光纤F-P干涉仪的声发射检测

为了实现固体材料内部声发射信号的检测,提出了一种新型结构的全光纤F-P干涉仪。将2×2光纤耦合器的一个入射端与一个出射端焊接相连,以其代替传统的反射腔面,构成光纤环形传输腔,腔体贴附或埋入待测固体中检测声发射信号。通过理论推导和计算机仿真,确定了此结构光纤传感器的检测特性。实验以大理石板作为待测介质,对利用信号发生器驱动压电陶瓷(PZT)作已知声发射源在大理石板中产生的连续型声发射信号,及冲击波作用下大理石板中产生的突发型声发射信号进行了检测,并利用Fourier变换得到了声发射信号的特征频率。实验结果表明,此种结构传感器能够检测材料结构中使光纤轴向伸缩长度达10-8m量级的声发射信号并识别其特征频率。该结构光纤传感器无需光程的匹配,适用于大尺度构件的监测,是材料结构健康检测与监控的一种新方法。

基于F-P干涉仪溶液浓度微变量实时监测系统的研究

设计了一款基于Fabry-Perot(F-P)干涉仪监测溶液浓度微小变化量的传感装置.利用光纤传输激光并用分体CCD采集图像,实现对溶液浓度的高精度微变化量的实时监控和测量.从理论上分析了F-P干涉仪干涉条纹的改变数目Δk与溶液浓度微变化量Δc(Δk)之间的关系,采用平面F-P干涉仪实现高精度测量溶液浓度微变化量的原理和可行性.在实验上构建了由He-Ne激光器、石英光纤、平面F-P干涉容器腔、面阵分体CCD、计算机等组成的实验监控与测量装置,对三组不同浓度的甘油溶液进行测量,通过观察干涉条纹的改变数目测定溶液浓度的改变量,用实验结果标定溶液浓度微变化量Δc(Δk)与干涉条纹改变数目Δk之间的数学解析式.实验结果表明:采用该系统可以监测到10-4量级的溶液浓度的变化值.

激光锁定Fabry-Perot干涉仪精密测量电容

为了实现pF量级小电容的精密测量,建立了基于激光锁定Fabry-Perot干涉仪的精密电容测量系统。对该系统所采用的计算电容原理、激光锁定干涉仪方法及其整数级次确定方法进行了研究。首先,根据Lampard和Thompson电学基本原理介绍了Fabry-Perot干涉仪的结构与工作方式,采用一种锁定干涉仪测量位移的方法。其次,介绍了Fabry-Perot干涉仪的光路设计,详细分析了干涉仪锁定控制系统的工作状态以及锁定状态下干涉仪腔长的抖动情况。通过分析利用电容值确定干涉仪整数级次变化的可行性,提出了基于1 pF标准电容器确定Fabry-Perot干涉仪整数级次的实验过程。最后,介绍了Fabry-Perot锁定干涉仪的台阶式位移过程以及利用该套系统测量电容的重复性。实验结果表明:Fabry-Perot干涉仪在锁定状态下,腔长抖动峰峰值为0.4 nm,测量1 pF标准电容器重复性达到5.0×10^(-9)。

计算电容中Fabry-Perot干涉仪测量位移的相位修正方法

计算电容是复现电学阻抗单位的基准装置,利用计算电容值和量子霍尔电阻值可以准确计算出精细结构常数α.计算电容的本质是通过高准确度地测量屏蔽电极的位移,实现对电容量值的测量.因此,基于Fabry-Perot干涉仪的精密电极位移测量系统是计算电容装置中最为核心和关键的部分.在Fabry-Perot干涉仪测位移过程中,由于高斯激光束存在轴向Gouy相位,该附加相位将会引起相邻干涉条纹对应位移的变化(大于或者小于λ),导致位移的测量值与实际值存在偏差.本文阐述了高斯激光场的传播特性,利用高斯激光束在自由空间和透过薄透镜复振幅的变换关系,建立了计算电容装置中Fabry-Perot干涉仪透射光束的传输模型;通过对不同腔长的Fabry-Perot干涉仪透射光场相位的分析,获得了高斯激光束轴向Gouy相位修正与传输距离的关系.结果表明,当腔长从111.3 mm移动至316.3 mm时,在接收距离为560 mm的情况下,高斯光束轴向Gouy相位引起的位移修正的绝对值最小为0.7 nm,其相对相位修正量|δL|/|?L|=3.4×10^(-9).

基于双F-P干涉仪的多普勒测风激光雷达的性能分析(英文)

自行研制了一台基于双边缘技术的多普勒激光雷达,用于测量对流层大气风场。该雷达采用具有高光谱分辨率的双Fabry-Perot干涉仪来检测气溶胶后向散射的多普勒频移量。给出了多普勒测风激光雷达的结构和参数。利用干涉仪参数讨论了雷达系统的测量精度。实验测定了双干涉仪的频谱曲线。通过计算和分析,由测量的干涉仪频谱曲线的的标准偏差引起的系统测量误差为0.5 m/s。系统的测量误差随着测量的高度和所测速度的增加在增大,在高度10 km测量50 m/s的风速时系统的测量误差小于2 m/s。

一种基于F-P干涉仪的FBG解调系统信号重建算法

建立了基于可调谐法布里-珀罗(F-P)干涉仪的光纤光栅传感器解调系统,分析了解调系统输出信号噪声的主要来源和特点,设计了旁瓣抑制强的数字低通滤波器滤除噪声干扰,并根据最小二乘法原理对滤波后的电压信号波峰进行了高斯曲线拟合。通过实验得知,该算法能够有效地重建系统输出信号,提高解调系统的测量精度。

光纤Fabry-Perot干涉仪在传感应用中的数学模型

本文应用光学和数学理论导出光纤Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉仪在两反射面反射率不同时的反射光与透射光的数学模型、低反射率Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉腔长度的变化与干涉光光强的数学模型及传感中的应用；

用Fabry-Perot干涉仪测量上层大气风场的速度和温度

提出了一种用Fabry Perot干涉仪 (FPI)的多光束干涉原理和多普勒效应测量上层大气风场的方法 .以上层大气 (80～ 30 0km)中自然形成的气辉 (极光 )为被探测源 ,其两条主要谱线来源于亚稳态原子氧O(1S)和O(1D)跃迁时所形成的两条单线 (波长分别为 557 7nm和 6 30 0nm) .对被探测源谱线为高斯轮廓时风场的速度、温度的测量原理作了论述 ,并与广角迈克耳逊多普勒成像干涉仪 (WAMDII)测量大气风场进行了比较 .结果表明 ,FPI无运动部件 ,从而显示出高稳定度和高分辨率的优点 ,更加适合航空。

F-P干涉仪腔镜的不平行度对高斯光束透射特性的影响

基于多光束干涉原理,推导出了高斯光束经过两腔镜不严格平行的F P干涉仪后透射光强度的表达式。在此基础上,数值研究了F P干涉仪腔镜的不平行度对高斯光束透射特性的影响。结果表明:随着F P两腔镜不平行度的增大,透射光的峰值强度总体呈现下降的趋势,且在下降的过程中会出现波动;峰值强度位置将发生移动;光斑的均方根宽度将发生变化。

一种用于测量高层大气风场的新型地基Fabry-Perot干涉仪

地表海拔大约250 km高度处大气非常稀薄,目前被动光学观测是该层风场探测最有效手段.Fabry-Perot干涉仪(FPI)由于具有较高能量利用率及光谱分辨率等特点,是该层大气最有效的地基风场探测仪器之一.基于采用光路缩束系统及滤光片后置(标准具之后)方法研制的小型化FPI,2014年分别在河北廊坊(39.40°N,116.65°E)和山西岢岚(38.71°N,111.58°E)进行了地基观测试验,将观测数据与反演算法相结合得到高层大气风场数据,并将数据结果与美国大气研究中心两台FPI的风场数据进行了比较研究,在气辉整体辐射较弱的情况下得到岢岚站的风速平均反演偏差为11.8 m·s^(-1).

Fabry-Perot干涉仪测量爆轰加载下的飞片自由面速度

为了获得有效的爆轰加载下的飞片自由面速度剖面的测量结果,设计了一种紧凑的Fabry-Perot干涉仪。采用固定腔结构使该干涉仪能够抗机械振动干扰并产生稳定的干涉条纹,可以做到在实验中免除干涉仪的调节,从而提高实验效率。采用光纤传光的方式使得实验具有更大的灵活性。用该干涉仪成功测量了φ40mm×20mm的T/Γ35/65炸药爆轰加载下的1.5 mm厚钢飞片的自由面速度,测得的最高速度大于2 km/s,给出了干涉条纹的狭缝扫描图像以及连续的自由面速度历史。

F-P干涉仪传递函数的分析及模拟

利用Fabry-Perot干涉仪(FPI)测量气辉的多普勒频移和展宽是目前对中高层大气风场和温度场进行测量的主要方法之一。通过对FPI成像过程的物理描述,引入了一个表征系统偏差的特征量,给出了系统光学传输函数的傅立叶级数解。重要的是,在傅立叶系数与特征量之间建立起了明确的数学关系,并与632.8nm氦氖激光多光束干涉实验拟合出的傅立叶系数相符。

基于超小GRIN光纤探头的F-P干涉仪测振实验

搭建基于超小GRIN光纤探头的F-P干涉仪测振的实验系统,采用高精度纳米位移台作为被测振动体目标,在解析基于超小GRIN光纤探头的集成化F-P干涉仪工作性能的基础上,对被测振动体的微小振动进行多次实验测量,采集实验测量数据并分析该集成化F-P干涉仪的实验性能。实验结果显示,在给定实验条件下,该F-P光纤干涉仪在振幅为200~300 nm时的性能参数较好,线性度最小为0.42%,对应的灵敏度为7.507 V/μm,重复性标准差最大为0.232 V;在10~100 nm与350~500 nm,干涉仪测振系统有较好的重复性,其标准差小于0.102 V。该F-P干涉仪系统具有测量微小振动的可行性,有望应用在微小振动和位移等精确测量领域。

用作超声接收器的共焦Fabry-Perot干涉仪

自行研制了一台用作超声接收器的共焦Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉仪。本文介绍了用该类干涉仪探测固体表面超声脉冲的原理，给出了干涉仪参数选择的依据及其具体结构形式，估价了共焦状态的精度要求，获得了干涉仪的干涉图样及锯齿波扫描透射曲线等实验结果。同时将该干涉仪成功地应用于探测激光脉冲在金属固体中激励的超声脉冲。