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;为这种光纤干涉仪的准确使用提供基础.     

粒子群优化算法在光纤光栅传感器波长解调中的应用

为了提高光纤光栅(FBG)解调系统的波长解调精度,采用粒子群优化(PSO)算法结合参考光纤光栅(FBG),对常用波长解调器Fabry-Perot型光纤滤波器(FPF)的透射光谱中心波长与控制电压之间存在的非线性和回滞特性进行了研究,并提出一种实时建立FPF透射光中心波长与其控制电压之间关系模型的方法。该方法利用粒子群优化算法收敛快、易实现的特点,保证了FPF模型建立的准确性和实时性。实验结果证明,利用所建模型可有效提高FBG传感系统的波长测量准确度,测量误差不超过25 pm。系统结构简单,对提高FBG传感系统的测量准确度具有重要意义。     

基于激光器激射特性的新型应变传感系统

报道了一种基于掺铒光纤激光器瞬态特性的新型应变传感系统.用光纤环反射镜和光纤Bragg光栅(FBG)构成Fabry-Perot线型腔.腔内插入一个长周期光纤光栅(LPG)，其透射谱的中心波长为1574.4nm.FBG的带宽为0.23nm，不受力时其反射波长为1557.98nm，位于LPG的透射谱左沿；当FBG受力时激射波长向长波方向移动，激光通过LPG时透射损耗增大，腔损耗的增加将使激光激射延迟时间增加.因此，应变的大小可以通过激光产生的延迟时间来测量.这种新型应变传感器的分辨率和灵敏度由抽运光脉冲的高、 关键词： 应变传感 光纤激光器 时域测量 光纤Bragg光栅     

具有复合式法珀腔的光纤压力传感器的解调

对由三个反射面构成的复合式法珀腔的光纤法珀压力传感器进行了输出光谱理论分析,提取了含有传感器腔长信息的包络.提出了基于干涉级次拟合的解调算法,仿真分析了传感法珀腔腔长范围为160～215μm的光谱信号.结果显示,在不同信噪比下,基于干涉级次拟合的算法可获得较好的测量准确度,同一信噪比下,该准确度不依赖腔长变化,也不依赖光谱解调波长分辨率变化.实验结果表明,基于干涉级次拟合结果曲线残差的均方根差为0.012μm,验证了该算法的有效性.     

基于飞秒激光加工的马赫-曾德尔干涉氢气传感器

介绍了一种基于光纤微加工的氢气传感技术方案。利用波长为800nm的飞秒激光脉冲在普通单模光纤上加工马赫-曾德尔(M-Z)干涉腔,并采用磁控溅射方法在加工后的M-Z干涉微腔上溅射钯(Pd)膜,制备了一种新型的光纤氢气传感器。分析了加工工艺对微腔干涉效果的影响,选择合适的加工参数以及加工后对微腔进行后续处理,可使微腔的透射光谱的分辨率得到提高。实验研究了腔长为40μm的M-Z干涉传感器分别镀36nm、110nmPd膜后,对氢气的响应。结果表明,在不同的氢气浓度下,镀Pd膜的M-Z干涉传感器都表现出对氢气的敏感特性,随着氢气浓度的增大,透射光谱会向长波长方向偏移,其中Pd膜厚度为110nm比厚度为36nm的传感器对氢气有更好的灵敏度。     

具有复合式法珀腔的光纤压力传感器的解调

对由三个反射面构成的复合式法珀腔的光纤法珀压力传感器进行了输出光谱理论分析,提取了含有传感器腔长信息的包络.提出了基于干涉级次拟合的解调算法,仿真分析了传感法珀腔腔长范围为160~215 μm的光谱信号.结果显示,在不同信噪比下,基于干涉级次拟合的算法可获得较好的测量准确度,同一信噪比下,该准确度不依赖腔长变化,也不依赖光谱解调波长分辨率变化.实验结果表明,基于干涉级次拟合结果曲线残差的均方根差为0.012 μm,验证了该算法的有效性.     

光纤应变、温度、振动同时测量新技术的研究

本文介绍了集成式Bragg光纤光栅(FBG)和非本征型Fabry-Perot干涉腔(EFPI)复合传感器的结构及应用该传感器同时测量静态应变、温度和振动的原理.利用FBG、EFPI和低相干性干涉信号解调方法实现了用一个传感器同时测量三个参量.实验结果表明温度精度达±1℃,应变精度为±20με,振幅分辨率达1nm,测量重复性好.     

正弦相位调制自混合干涉微位移测量精度分析

为了提高自混合干涉仪的位移测量精度,提出将正弦相位调制技术引入自混合干涉中。相位调制由置于自混合干涉仪外腔中的电光晶体实现,相位解调由傅里叶分析的方法得到。对位移测量过程中各种可能的误差来源如电光晶体调制不稳定性、光在外腔中的二次反馈效应等对测量精度的影响进行了模拟分析,从理论上得到了这种新的信号处理方法可以达到纳米级的测量精度。实验上,用高精度的商用压电陶瓷标定的结果验证了这种正弦相位调制自混合干涉仪在普通实验室噪声环境中可以达到纳米级的位移测量精度。     

基于多纵模拍频测量光纤色散

利用激光多纵模拍频频率与谐振腔色散系数的关系实现光纤的色散测量.测量系统采用可调光纤Fabry-Perot滤波器与光环行器构成窄带波长可调反射镜,作为光纤激光器的后腔镜,以光纤Sagnac干涉器作为前腔镜.将待测光纤置于谐振腔内,用频谱分析仪测量激光器拍频频率随激光输出波长的变化,得到待测光纤的色散系数.用该系统分别测量了色散补偿光纤和标准单模光纤的色散系数,实验结果表明该方法能够满足通信光纤的色散测量要求.该系统测量速度快、成本低、结构简单,具有良好的应用前景.     

一维金属光栅的透射光学特性

利用时域有限差分法模拟了一维金属光栅的透射光场的分布及光栅厚度等因素对透射光谱的影响.结果表明:特定波长的光通过金属光栅中的亚波长狭缝时有异常大的透过率增强.分析其物理起源,认为是类FabryPerot(FP)腔作用的结果.基底介电常量对类FP腔长度的调制导致了对透射光谱的影响.金属光栅表面激发的表面等离子体激元波与多缝干涉一样,对透射光谱有一定的影响,但不是形成增强的原因 关键词： 金属光栅 透射光学特性     

波长扫描法布里-珀罗干涉仪的优化设计

分析了可用于绝对距离测量的波长扫描法布里－珀罗干涉仪腔内多光束干涉对输出信号的影响, 及由此产生的相位测量误差。研究表明, 通过选择合适的腔端面反射率和参考腔长度可以减小相位测量误差。优化选择的腔面反射率为０．１０～０．１５, 参考腔长为０．９５ ｍ ｍ , 在１ ｍ ｍ 范围内系统可达到０．０５ μｍ 的测距精度。     

Fabry-Perot interference-based fiber-optic sensor for small displacement measurement

A simple fiber-optic sensor based on Fabry-Perot interference for small displacement measurement is investigated both theoretically and experimentally. A broadband light source is coupled into a Fabry-Perot cavity formed by the surfaces of a sensing fiber end and the measured object. The interference signals from the cavity are reflected back into the same fiber. A small displacement via changes in cavity length can be obtained by measuring the wavenumber spacing of the interference fringes. The experimental data meet with the theoretical values very well. Given the light source bandwidth of 40 nm and the initial distance of 30 μm, the proposed displacement sensing system could achieve high resolution measurement of 16 nm.     

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200 μm,400 μm和600 μm时，测量的腔长与实际腔长相同.     

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/2), 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|/|ΔL| = 3.4×10^-9.     

声速测量及声波干涉演示仪器的研制

本介绍了声波干涉、反射的两种物理演示仪器的研制,一种是通过调节波导管中液面的高度形成驻波,实现对声速的测量;另一种是由一个信号发生器驱动两个扬声器,这两个相干的声源在自由空间中形成强弱变化的声波干涉。本分别介绍了这两种装置的原理、制作及使用效果。     

空间载频干涉法全场测量长度技术

 在研究二维快速傅里叶变换法进行干涉测试基本原理的基础上,提出一种基于二维快速傅里叶变换的长度测量法.以量块长度的测量为对象,被测量块置于泰曼-格林干涉仪测试光路中,参考光波分别与待测长度的量块表面和辅助平面反射的测试光波形成干涉条纹,条纹由图像采集系统采集.利用编制的算法处理软件,通过处理干涉条纹图中量块边缘识别、区域延拓、滤波、波面统一,获得了量块全场表面的空间长度分布,实现了对量块长度的自动化测量.结果表明：该测量法不仅具有较高的测量准确度,而且具有全场测试和非接触测量等优点.     

利用光纤激光器光谱边带效应测量光纤色散

基于被动锁模光纤激光器中色散波与孤子波的相瓦干涉产生的光谱边带效应,提出了一种测量单模光纤色散系数的方法.测量了各级边带中心波长的偏移量,利用边带偏移量与腔内总色散之间的关系,得到腔内总色散值.不同长度的同种光纤构成的环形腔,其总色散值不同,它与光纤长度的变化斜率即是待测光纤的色散系数.搭建了被动锁模掺铒光纤激光器平台,在1560 mm波段测量了G.652常规单模光纤的色散系数,实验值为16 ps/(mm·km),与典型值17 ps/(nm·km)符合得很好.     

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。     

A New Transmission Line Microcavity Model for Vertical Cavity Surface Emitting Lasers

In this paper we present a new transmission line microcavity model for vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL). The model is based on optical wave equations and implemented with state-space techniques to predict the lasing modes and analyze the decay properties of the Fabry-Perot (FP) cavities. The model is used to analyze microcavities in both time and frequency domains in terms of material and physical parameters of the lasers, and provide a simple and fast way to optimize the cavity length, reflective mirror and active region of the lasers.     

Fiber Fabry-Perot Cavity Using Sagnac Loop with Phase-Shift Grating

Fiber Fabry-Perot cavity using Sagnac loop with phase-shift grating is investigated. Various interference patterns corresponding to the different fiber Fabry-Perot cavities are obtained, and their potential applications in multiwavelength fiber laser source are discussed.