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一种基于光纤法布里-珀罗结构的微型应变传感器的研制的
开题报告
尊敬的评委、老师：
我选取的研究课题是一种基于光纤法布里-珀罗结构的微型应变传感器的研制。
光纤布里-珀罗结构是一种微型光学传感器，其主要原理是根据光纤中的干涉效应来测量应变。
此类传感器形状小巧，灵敏度高，并且能够实现分布式传感，因此，在结构健康检测、航空航天领域等方面具有广泛应用前景。
在目前的应变传感器中，典型的光纤应变传感器通常需要大量的光纤进行测量，并且信号处理较为复杂。
因此，为了解决这一问题，本研究将研制一种基于微型布里-珀罗结构的光纤应变传感器。
此类传感器由于体积小，具有较强的抗干扰能力，并且可以实现长距离分布式测量。
本研究将主要探索以下两个方面：
1.设计和制备微型布里-珀罗结构：在这一方面，我们将通过参数优化和模拟设计，制备出具有高灵敏度和高稳定性的微型布里-珀罗结构。
通过对不同材料和结构参数的测试，我们将确定最适合晶体的材料和最适合微型布里-珀罗结构的设计参数。
2.建立微型应变传感系统：通过将几个微型布里-珀罗结构进行串联，可以建立一种完整的微型应变传感系统。
本研究将通过实验来测试这个系统的各种性质，包括灵敏度和精度等。
当系统完成之后，我们还将通过应变测量的方式对系统进行测试，以验证其能够实现应变的分布式测量。
本研究的主要任务是开发出一种能够广泛应用于结构健康检测等领域的微型布里-珀罗结构的传感器。
在取得成功之后，我们将通过各种实验对此类传感器的应用进行探索，以期在实际应用中发挥它的最大优势。
实验七 法布里－珀罗(Fabry －Perot)干涉仪测量光波波长十九世纪末由法布里和珀罗首次制出的多光束干涉仪，在近代光学中非常重要。
它的特殊价值在于，它除了是一种分辨本领极高的光谱仪器之外，还是基本的激光器谐振腔。
通过本实验，可以了解法布里-伯罗干涉仪的基本功能。
实验目的：l 、应用光学元件组装法布里－珀罗(Fabry －Perot)干涉仪；2、用法布里-珀罗(Fabry －Perot)干涉仪测量光波波长；实验原理：见下页。
实验装置和调试：实验装置如下图所示。
图中Ml 、M2和M3为全反镜，其中M3固定在一支架上，支架为1：20的杠杆，通过千分尺可以读出M3移动的距离：L 为透镜(f=20mm)．BS 1和BS 2为半反镜，透射率分别为70：30和50：50；sc 为光屏，光源为5mWHe －Ne 激光器。
具体调整步骤如下：l 、按图1把带有杠杆的有坐标线的小平板放置在大平板上，尽可能能使二者的坐标线重合。
2、按图放置光学元件元件M1、M2和M3，打开激光器，使得由Ml 、M2到M3的光束和由M3反射的光束在M2重合。
3、 放入半反镜BS 2(50：50)，注意镀膜面（与下方的标签同向）朝向M3。
注意，此时应使由M3反射的光线垂直于光屏。
4、 放入半反镜BS 1(70：30)，注意镀膜面（贴有7:3标签的一面）朝向M3．注意M3和BS1之间距离较近，约3mm 。
调整BS 1和M3，使得由BS 1反射的光束和由M3反射光束在屏上基本重合。
5、把透镜L 放入光路，小心调整M3，即可发现干涉图像(圆环)。
实验内容： 测量激光的波长。
1、 按照理论，当干涉环由暗变亮时，共振腔长度d(见图2)的变化量为半个光波波长（)2/λ，故只要测量一定数量的干涉环的吞吐数n 和共振腔长度d 的改变量，即可根据公式（10）求出激光波长。
d n n=∙2λ （10）2、实验时要求测量干涉环吞吐50圈时，共振腔长度d 的改变量，求出波长，注意：杠杆比为l ：20。
法布里-珀罗滤波器的锯齿波驱动技术吴伟伟;余有龙;李勋涛;吴文斌【摘要】The working principle of the tunable Fabry-Perot （F-P） filter is analyzed, and the driving circuit of the filter is designed. In the experiment, a sawtooth wave is obtained by using a digital circuit, which is amplified by an analog circuit. Thus the duty cycle of the rising edge of the sawtooth wave can amount to 99.90%. And its frequency can be adjusted from 0 to 50 Hz. Both the amplitude of the output voltage and offset can be adjusted from 0 V to 30 V. To sample and search the signal and peak more easily, the applied voltage is rectified by using the cu- bic fitting algorithm in a free spectral range. Experiment results show that the standard error and the maximum error of the tuning wavelength are reduced by 62. 7% and 80. 1%, respectively.%分析了可调法布里-珀罗滤波器的工作原理，设计了扫描滤波的驱动电路。
第３７卷第４期 ２０１０年４月 光电工程
Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｌ０ｌ＿３７．ＮＯ．４
Ａｐｒｉｌ，２０１０
文章编号：１００３—５０１Ｘ（２０１０）０４—００４４—０４ 一种基于梳状滤波器的固体腔厚度测量方法 邓春林 一，蔡 伟 ，张志利 ，卢进军 ，屈战国４ （１．第二炮兵工程学院，西安７１００２５ ２．西北工业大学精确制导与控制研究所，西安７ １ ００７２； ３．西安工业大学光电学院，西安７１００３２； ４，航天科技集团第六研究院７１０３厂，西安７１０１００）
摘要：针对密集波分复用（ＤＷＤＭ）技术中所使用的梳状滤波器，对固体腔研磨厚度指标要求极高△ｖ＝２００ ＧＨｚ， △ ≤ｌ３．３７ ｎｍ，本文提出运用法布里一珀罗干涉理论（Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ），研究设计了一种针对固体腔厚度的现场检测方 法。该方法根据被测元件等效为系统干涉腔的间接测量方法，以通过被测元件后的法珀相邻能量极值特性，作为 检测厚度合格的判定依据，实现了对超窄带梳状滤波器组成元件一一未镀膜层固体腔（ＳｉＯ２）的高精度厚度检测。 实验结果表明，该测量方法适用于对透光介质的厚度检测。 关键词：梳状滤波器；固体腔厚度；高精度测量；滤光片设计；Ｆ．Ｐ法珀干涉 中图分类号：０４８４．４；ＴＮ２４７ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００３—５０１Ｘ．２０１０．０４．００９
Ｍｅａｓｕｒｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ Ｓｏｌｉｄ Ｃａｖｉｔｙ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｂ Ｆｉｌｔｅｒ ＤＥＮＧ Ｃｈｕｎ．１ｉｎＬ ，ＣＡ１ ｗｅｉ ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ．１ｉ ，ＬＵ Ｊｉｎ－ｊｕｎ ，Ｑｕ Ｚｈａｎ．ｇｕｏ
（１．Ｔｈｅ ＳｅｃｏｎｄＡｒｔｉｌｌｅｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００２５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｇｕｉｄａｎｃｅ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｌ＊ａｎ ７ １ ００７２，Ｃｈｉｎａ； ３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ＇ａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＂ａｎ ７１００３２，Ｃｈｉｎａ； ４．Ｔｈｅ ６ｔｈＡｃａｄｅｍｅ ｏｆＳｐａｅｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐ，厢＇ａｎ ７１０１００，Ｃｈｉｎａ）
法布里-珀罗光纤传感综合报告一、基本概念及工作原理光纤传感技术主要涉及不同类型光纤传感器的开发和应用。
在目前已经开发出的各种类型光纤传感器中应用比较广泛的有光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)、长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating，LPFG)和几种基于干涉原理的传感器，包括马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)、迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer，MI)和法布里-珀罗干涉仪(Fabry-PerotInterferometer，FPI)等。
其中光纤法布里-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。
1.1法布里-珀罗传感器原理光纤FPI传感器是基于多光束干涉原理，其中多光束干涉是指一组相互平行并且任意两束光之间光程差都相同且频率相同的光束相干叠加。
典型的FPI 通常由两个平行的反射面构成，如图1所示，当一束光以倾角θ，入射到厚度为L的平行玻璃板时，光会发生多次反射，从而形成多光束干涉。
图1 多束光干涉原理图并且无论是反射光还是透射光，任意两束相邻光束之间的相位差δ 可都是相同的。
相位差δ 可由公式(1) 计算：nLcosθt（1）δ=4πλ0在公式(1)中，λ0为光的波长，n为玻璃板的折射率，θt为射入玻璃板光束的折射角，L为玻璃板的厚度。
反射面上的光强为：I0（2）I r=T2T2+4Rsin2δ2其中I0为初始光源。
透射面上的光强为：I0（3）I t=T2T2+4Rsin2δ2其中T 是玻璃板单面的透射率，R 是玻璃板单面的反射率。
从公式(1) 可知，任意两个相邻光束的相位差δ 由入射光的波长λ0，玻璃板的折射率n，玻璃板的厚度L 和进入玻璃板光束的折射角θt 共同决定。
光纤FPI 传感器的两个反射面可近似看作玻璃板的上下表面。
法布里-珀罗干涉仪的分辨率非常高。
因为这种仪器是由两块平行的玻璃板组成，而且这两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率。
当两块玻璃板间用固定长度的空心间隔物来间隔固定时，它被称作法布里-珀罗标准具或直接简称为标准具。
这种标准具因为平板反射率高，多光束等倾斜干涉条纹极窄，所以是一种高分辨率的光谱仪器。
法布里珀罗干涉仪的分辨率主要取决于其光学设计和参数。
通常，法布里珀罗干涉仪的分辨率可以达到非常高的水平，甚至可以分辨出只有几十纳米甚至几纳米的光谱线宽。
这是因为法布里珀罗干涉仪利用了光的干涉现象来提高分辨率。
当两束或多束光波在空间中相遇时，它们会相互干涉，形成明暗交替的条纹。
这些条纹的宽度取决于光波的波长和相干光的角度。
因此，通过控制干涉仪的参数，如光波的波长和相干光的角度，可以获得高分辨率的光谱。
此外，法布里珀罗干涉仪还可以通过增加干涉级数来进一步提高分辨率。
每经过一次反射，光波的波长就会加倍，因此经过多次反射后，光波的波长会显著增加，从而使得干涉条纹更加密集。
这可以使得光谱分辨率得到进一步提高。
总之，法布里珀罗干涉仪是一种高分辨率的光谱仪器，其分辨率取决于光学设计和参数的选择。
通过增加干涉级数等方法，可以进一步提高光谱分辨率。
第31卷 第1期2004年1月中 国 激 光CHI NESE JOURNA L OF LASERSV ol.31,N o.1January ,2004文章编号:025827025(2004)0120074203法布里2珀罗型光学梳状滤波器的设计邵永红,姜耀亮,郑 权,钱龙生(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130021)摘要 提出了一种新型光学梳状滤波器,它由双G ires 2T ournois 谐振腔代替Michels on 干涉仪的两个全反射镜构成。
基于Michels on 干涉原理,给出了零畸变、高信道隔离度、宽平坦带宽、高一致性、结构简单、性能稳定的光学梳状滤波器的设计原理。
设计了信道间隔为50G H z ,畸变<0105dB ,1dB 带宽大于0138nm ,相邻信道间隔离度大于23dB 的光学梳状滤波器。
关键词 光电子学;光学梳状滤波器;G ires 2T ournois 谐振腔;Michels on 干涉仪中图分类号 T N 929111 文献标识码 ADesign of I nterleaver Using F abry 2Perot I nterferometerSHAO Y ong 2hong ,J I ANG Y ao 2liang ,ZHE NG Quan ,QI AN Long 2sheng(Changchun Institute o f Optics ,Fine Mechanics and Physics ,The Chinese Academy o f Sciences ,Changchun ,Jilin 130021,China )Abstract A novel Interleaver using a m odified Michels on interferometer in which its reflecting mirrors are replaced by tw o G ires 2T ournois res onators is presented.On basis of the theory of Michels on interference ,a designing principle of the interleaver which has square 2like frequency response with zero ripple ,wide flat 2top ,unity contrast ,simple structure ,and stable performance is given.The device which possesses channel spacing of 50G H z ,ripple less than 0.05dB ,1dB bandwidth m ore than 0.38nm ,and close channel is olation m ore than 23dB has been designed.K ey w ords optoelectronics ;interleaver ;G ires 2T ourn ois res onator ;M ichels on interferometer 收稿日期:2002205216;收到修改稿日期:2002207208 基金项目:国家863计划项目(8632307222252)和中国科学院光电科技集团项目(KG CX 22405)资助课题。
作者简介:邵永红(1972—),男,吉林省德惠市人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学专业博士研究生,主要从事光通讯器件和全固态激光器的研究。
E 2mail :yhs 201@ 随着信息通信的迅猛发展,语音、图像、数据的信息交流的日益增多,尤其是因特网的广泛应用,人们对宽带通信提出了更高的要求,采用波分复用(W DM )和密集型波分复用(DW DM )技术已成为扩大通信容量的最佳方案之一,并被广泛应用[1]。
然而由于受到制造工艺及材料方面的限制,目前已商品化的几种器件很难做到信道间隔100GH z 以下,而且随着复用信道数的增加,器件的整体性能降低而成本提高。
为了能够进一步扩大带宽,更好地利用现有的掺Er 光纤放大器(E DFA )带宽系统,同时避免器件技术的过分复杂化和太高的成本,在2000年3月OFC 展览上,人们提出一种群组滤波器,称之为Interleaver 即光学梳状滤波器,它的作用是将一路波长光信号分成两路,分别包含奇数路波长和偶数路波长,信道间隔倍增,其功能如图1。
可见利用这种技术既可以减轻现有DW DM 器件复用/解复用对波长间隔要求的负担,又能提高系统传输容量。
目前实现Interleaver 的技术有很多[2～4],如光纤马赫2曾德尔(fiber Mach 2Z ehnder ,FM 2Z )干涉仪型、偏振光干涉型、光纤光栅组合型和单G 2T 腔Michels on 干涉型[5]等。
FM 2Z 干涉仪型属于全光纤设计,插入损耗小,信道均匀性高,偏振相关损耗低。
但光纤耦合器在拉制工艺方面难度大。
偏振型Interleaver 是利用晶体的双折射效应和偏振光干涉原理,其插入损耗大,并且由于双折射晶体较长,温度补偿、加工尺寸控制及封装难度大。
利用光纤光栅与环形器构成光纤光栅组合型Interleaver ,对温度敏感,稳定性差并且造价高。
本文在文献[5]的基础上进行了改进,采用双G ires 2T ournois 谐振腔代替Michels on 干涉仪的两个全反射镜构成的新型干涉系统(即Interleaver ),入射光经该干涉系统产生两组等间隔互补条纹,形成了梳状分离谱,该结构比文献[5]的系统提高了器件的隔离度、增加了平坦通带的宽度。
通过合理选取G ires 2T ournois 谐振腔1,2各参数值及Michels on 干涉仪两臂长值,可实现不同种类滤波器件,这类Interleaver 具有零畸变、宽平坦带宽、高隔离度以及结构简单、易于装调等优点。
图1Interleaver/de 2interleaver 工作框图Fig.1Diagram of interleaver/de 2interleaver1 原理和实验 法布里2珀罗型光学梳状滤波器是基于Michels on 干涉仪的干涉效应G ires 2T ournois 谐振腔[6]的调相作用设计的,结构如图2,分别用G ires 2T ournois 谐振腔1,2代替Michels on 干涉仪的两全反射镜,ΔL 控制器用于调整器件的位相变化。
图2法布里2珀罗复合型光学梳状滤波器结构图Fig.2Schematic of Interleaver using a Michels on interferometerwith G ires 2T ournois res onator 1,2 as its reflecting mirrors利用G ires 2T ournois 谐振腔的调相作用选择信道国际电信联盟(IT U )信道波长,图3为G ires 2T ournois 谐振腔反射系数与位相关系。
可见,在d 一定条件下,光波位相随反射系数r 变化而变化,在Θ=mπ时,频率满足f =m c2d(m =0,1,2,…);随着反射系数r 增大,位相由线性变化变为非线性变化,而位相Θ=m π点不随反射系数r 变化。
这样通过合理计算可以找到使位相差周期的出现较宽波长范围的图3在d 一定,不同反射系数条件下,Gires 2Tournois谐振腔位相随频率的变化Fig.3Phase response ofGires 2Tournois resonator as a f unction of f requencyatdifferentreflectance for the same valuse of d2nπ和(2n +1)π值(n =0,1,2,…),在位相差等于2nπ时,反射谱出现极大,在位相差等于(2n +1)π时,透射谱出现极大值,位相差由2nπ向(2n +1)π变化过程中,对应的波长变化范围越小,器件信道隔离度就越高。
器件工作原理如图2所示,一束光入射到50∶50分束器上,被分成两束E 1和E 2,E 1入射到G ires 2T ournois 谐振腔1调相后被沿原路返回到分束器,另一路E 2入射到G ires 2T ournois 谐振腔2调相后沿原路返回到分束器,这两束光在分束器上实现Michels on 干涉,其透射方向和反射方向光波电矢量分别为E Trans =-i sin 2kn (L 1-L 2)+(Θ1-Θ2)2×exp -i 2kn (L 1+L 2)-(Θ1+Θ2)2E in57 1期 邵永红等:法布里2珀罗型光学梳状滤波器的设计E Ref =-i cos2kn (L 1-L 2)+(Θ1-Θ2)2×exp -i2kn (L 1+L 2)-(Θ1+Θ2)2E in式中E in 为入射光波电场矢量,L 1和L 2为Michels on 干涉仪的两个臂长,n 为介质折射率(空气介质n =1),k =2π/λ,λ为真空中波长,Θ1和Θ2分别为G ires 2T ournois 谐振腔1,2的位相响应,即Θ1(r 0,d 0)=-2tan -11-r 01+r 0tan (knd 0)Θ1(r 1,d 1)=-2tan -11-r 11+r 1tan (knd 1)式中d 0和d 1为G ires 2T ournois 谐振腔1,2的腔长,r 1和r 分别为G ires 2T ournois 谐振腔1的第一面和第二面的光波电振幅反射系数,r 0和r 为G ires 2T ournois 谐振腔第一面和第二面的光波电振幅反射系数。
若用归一化光强表示输出,则I Trans =sin22kn (L 1-L 2)+(Θ1-Θ2)2I Ref =cos22kn (L 1-L 2)+(Θ1-Θ2)2图4输出强度随频率的变化曲线Fig.4Output intensity of the interleaver asa function of frequency通过调节臂长差Δ=L 1-L 2和ΔΘ=Θ1-Θ2(通过调节r 0,r 1,d 0,d 1实现)值可以实现各种信道间隔如(100GH z ,50GH z ,25GH z ,…)的梳状滤波器、带通滤波器、带阻滤波器及可调滤波器等。
我们设计了信道间隔为50GH z 的光学梳状滤波器,具体设计参数如下:ΔL =5mm ,r 0=18%,r 1=36%,r =100%,d 0=115mm ,d 1=312mm 。
