基于石墨烯膜的光纤Fabry-Perot腔干涉特性分析

针对以新型材料石墨烯为膜片的光纤法珀压力传感器,应用圆薄膜大挠度弹性理论,利用有限元法分析了均布载荷下石墨烯膜的挠度形变;并基于Fabry-Perot干涉仪原理,建立了光纤Fabry-Perot腔压力传感的数学模型.根据石墨烯膜折射率特性,分析了层数、入射光角度等参数对石墨烯膜反射率的影响,获取了腔长损耗以及薄膜挠度形变导致腔长变化而引起的干涉光谱变化规律.仿真结果表明,增加薄膜层数可提高反射率、改善干涉性能;但随着载荷增加,其对挠度形变的影响表现为反向递减效应.8层石墨烯薄膜可获得0.715%的反射率,且当腔长为40μm时,直径25μm薄膜的理论压力灵敏度约为10 nm/k Pa.这为基于多层石墨烯的膜片式光纤压力传感器的设计提供了理论依据.

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·

光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉腔在传感器中的应用

综述了Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ干涉仪在各种光纤传感器（如位移、应变、压力等传感器）中的应用。重点介绍这些传感器的结构、工作原理及最新研究成果。

Fabry-Perot干涉腔型光纤压力传感器

一、引言随着现代工业与科学技术的发展,对压力的测量提出了越来越高的要求。现已制成了各种类型的压力传感器。而具有不怕电磁干扰,可用于易爆场合等一系列优点的光纤压力传感器,则受到了人们的日益重视。压力传感器一般多为令待测压力作用在能发生弹性形变的弹性体上,由测定弹性体的形变来确定压力。这种形变一般表现为微位移。显然,测量微位移的有效方法是应用光学干扰仪。我们在参考Elric W.Saaski 等人工作的基础上,根据现有条件研究了透射式Fabry-Perot 干涉腔型的光纤压力传感器。

双Fabry-Perot干涉腔型光纤声发射传感器

设计了一种新型的双Fabry-Perot腔光纤传感器用于材料损伤引起的声发射信号检测。基于低细度Fabry-Perot腔多光束干涉原理,建立了光纤Fabry-Perot传感器检测声发射信号的数学模型。分析双Fabry-Perot腔正交点稳定工作机制,设计并制作了具有双Fabry-Perot腔结构的光纤声发射传感器来保持传感器正交点的稳定性。通过模拟AE信号检测与热应力干扰实验对设计的传感器进行了实验验证。实验一通过冲击振动与折断铅笔芯产生两类模拟声发射信号,使用商用的压电传感器和光纤传感器进行对比实验,结果表明光纤传感器能够成功检测到两类模拟声发射信号,灵敏度为12.9nm,带宽达到30kHz。实验二对传感器进行工作点稳定测试,结果表明双F-P腔的控制机制能够保证传感器工作在正交点,解决了传感器输出信号衰减的问题。

基于Fabry-Perot光学干涉腔的真空计量装置研究进展

随着国际单位制向量子化转变,基于光学方法的真空计量技术成为该领域的研究热点,最具代表性的是基于Fabry-Perot光学干涉腔的真空计量方法。介绍了该方法的测量原理,并对以美国NIST、瑞典Umeå和日本AIST等为代表的计量机构的研究进展进行了简要概述。介绍了本课题组研制的1台基于Fabry-Perot光学腔的真空计量装置的结构组成,给出了干涉腔精细度、温度稳定性和激光频率稳定性测试结果,表明,基于Fabry-Perot光学干涉腔的真空计量方法具有高灵敏度和可靠性,可有效促进我国真空计量技术向量子化转变,具有良好的应用前景。

基于飞秒激光刻写的微腔型波导马赫-曾德干涉器及其折射率传感性能研究

平面光波导传感器相较于传统的光纤传感器结构,具有更好的机械性能,并且对于振动等因素具有更低的交叉响应,因此在光传感领域具有独特优势。在本研究中,我们利用飞秒激光刻写及激光辅助化学刻蚀技术,在石英玻璃中制备了微腔型波导传感器结构,该结构由对称的分支型波导马赫-曾德干涉器及在其中一路上所制备的光学微腔构成。当待测液体浸入微腔时,传感器呈现明显的干涉峰漂移,其折射率灵敏度在1.35折射率附近达到了约16311.8 nm/RIU,因此在高灵敏度的波导液体传感及生化传感领域展现出了显著的应用潜力。

基于F-P腔干涉的光学温度传感器研究

提出了一种基于石英玻璃两个反射面构成的F-P(Fabry-Perot)腔干涉的光学温度传感器结构,利用其整体反射率随温度变化的原理进行测量。与其他温度传感器相比,该传感器可以直接嵌入到光路中测量光路温度。在理论分析基础上搭建了实验系统,反射光作为温度传感光,透射光作为空间光学实验的实验用光。对实验结果进行了理论分析,总结出经验公式,计算表明:经验公式的计算值与实际温控系统的测量值之间的均方差为s=0. 055℃,能够满足一般空间光光学实验的需要。本传感器具有结构简单、成本低、检测速度快、不受电磁干扰等优点;与光纤光栅温度传感器相比,无需复杂封装、粘贴等工艺,无需专门的解调装置,为空间光学实验的温度检测提供了便利。

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)。

等倾干涉法测量小孔径圆柱形腔特征长度

激光等倾干涉法是一种准确度较高的测量Fabry-Perot腔形式圆柱腔长的方法。对于一些需要进行小孔径腔体长度测量的情况,采用等倾干涉法受到腔体孔径、激光发散角、入射角等各种条件的限制。基于激光等倾干涉原理,分析了腔体孔径、激光发散角和倾斜角,聚焦透镜等对等倾干涉测量的影响,并计算分析了图像采集感光芯片最小的感光范围。计算和实验验证结果表明:对于长度分别为65 mm、80 mm、130 mm和160 mm的圆柱共鸣腔,腔体光学孔径最小半径为2.13 mm;激光发散角不应小于0.8°;感光芯片的感光范围应大于5 mm;同时得到了激光倾斜角和发散角的对应关系。该分析为了用于定程圆柱声学共鸣法准确测量Boltzmann常数的需要,同时可以为小孔径Fabry-Perot腔测量提供一些参考。

基于Fabry-Perot腔阵列的集成化微型光谱仪方案及模拟

提出了一种微型光谱仪,该微型光谱仪基于法布里-珀罗腔滤波性的阵列式微型光谱仪。其基本结构是在硅基底上实现多个不同腔长的阵列,从而实现对多个波长的监测。探测单元即为一个法布里-珀罗腔,由硅基底-金属薄膜-二氧化硅层-金属薄膜构成。进行了相应的模拟计算,结果表明在基本结构为铝膜(14nm)-SiO2-银膜(39 nm)的情况下,通带半宽度可达到15 nm,单个探测单元面积仅为0.14 mm×0.14 mm即可达到微型光栅式光谱仪(最小体积在cm量级)的光通量,整个光谱探测部分体积仅在mm量级。该微型光谱仪设计尺寸在几个mm的量级、无活动部件,可以同时对多个波长进行检测,并可望利用现有IC加工手段实现光谱仪传感器化。

基于敏感Fabry-Perot腔光纤角位移传感器的原理与设计

提出了一种全角度并且可以连续测量微小角位移(秒级)的新型光纤角位移传感器.利用微小光学谐振腔的基本理论,主要是基于光学法布里珀罗(FabryPerot)腔的基本原理研究特定光波下光强度的变化与角位移的线性变化关系,利用光纤技术、敏感技术融合微机械技术研发而成.适合于一些特定领域中对角位移的精确测量.

光纤Fabry-Perot腔振动传感器

用频谱分析的方法对光纤Fabry Perot腔传感器的输出信号进行解调 在正弦振动条件下 ,用干涉信号的 3次谐波与基次波的功率比直接计算出振动幅度 ,可以简单地解调出信号

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).

一种新的Fabry-Perot干涉条纹处理方法

介绍了一种提取Fabry-Perot(法布里-帕罗)干涉条纹圆心点坐标和条纹半径的新方法。首先对干涉图像依次进行二值化处理,对所得到的条纹强度曲线进行均平滤波和自适应滤波,根据条纹灰度值强度余弦函数分布的特点,对条纹灰度值数据进行最小二乘法拟合,获得条纹强度峰值坐标,通过精确的迭代算法,进而获得Fabry-Perot干涉条纹圆心点的坐标;然后再对干涉条纹进行圆周积分,从而可以确定每级Fabry-Perot干涉条纹的半径长度。该方法可提高计算精度,减小计算误差。

用球面共焦Fabry-Perot干涉仪测量微振动

介绍一种光学非接触测量超微振动的方法 ,利用球面共焦 Fabry- Perot干涉仪设计了微振动测量系统 .与传统的测量方法相比 ,该系统具有非接触、高灵敏度、高频响、高空间分辨率等特点 ,便于实现连续、快速、自动化检测 ;根据实验要求 ,设计了腔长 0 .5 m、带宽5 .9MHz的 Fabry- Perot干涉仪 ,并组成测量系统 ;通过实验 ,检测出 5 MHz脉冲压电换能器产生的微振动波形 ;为了克服环境噪声对测量系统的影响 ,采用自动稳腔长的方法 。

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。

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。

基于频移干涉光纤腔衰荡技术的甲烷传感系统

煤矿事故严重威胁人们的生命和财产安全,瓦斯作为煤矿事故的罪魁祸首,其主要成分是甲烷。因此,选择一种性能优良并且能够实时探测甲烷浓度的气体传感器对安全生产和检测大气环境是十分有意义的。在众多气体传感器中,光纤气体传感器由于容量大、损耗小、体积小、抗腐蚀、抗干扰能力强等优势受到学者和仪器制造商的青睐。本文对比了几种光纤气体传感器,基于光谱吸收技术的光纤气体传感器体积小、成本低、功耗小,其使用最为广泛。在光谱吸收技术的基础上,发展了一种高灵敏度的探测技术,腔衰荡CRD(Cavity Ring-Down)技术。相比于普通的光谱吸收技术,其吸收光程长,灵敏度高出3个～4个数量级,并且对光源强度稳定性要求不高。但是,为了有效、实时地探测到衰荡信号,该技术对探测器的速度要求极高。本文研究的频移干涉腔衰荡FSI-CRD(Frequency-Shifted Interferometry Cavity Ring-Down)技术,通过将腔衰荡技术结合频移干涉技术,构建了频移干涉腔衰荡甲烷传感系统,实现了衰荡信号从时间域到频域的转换,降低了对探测设备的要求,并通过实验验证了该系统可以用于甲烷气体浓度的测量。