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具有温度稳定的法布里O 珀罗标准具设计

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　第6卷第4期2007年8月 江南大学学报(自然科学版)JournalofJiangnanUniversity(NaturalScienceEdition)

Vol.6　No.4

Aug.　2007

　文章编号:1671-7147(2007)04-0438-04

收稿日期:2006-01-08;　修订日期:2006-05-12.

作者简介:朱益清(1962-),男,江苏无锡人,副教授,硕士生导师.主要从事光纤通信等研究.

Email:zhuyq62@yahoo.com

具有温度稳定的法布里Ο珀罗标准具设计朱益清,　王小力,　朱拓(江南大学理学院,江苏无锡214122)

摘　要:为了使法布里Ο珀罗标准具有较好的热稳定性,从而制作性能较好的梳状滤波器,可采用特别的晶体制作标准具.通过分析表明,温度对标准具的影响归因于材料的热膨胀和折射率的温度效应.如果晶体的热膨胀系数和折射率温度系数在1个或1个以上方向上的值符号相反,则光束在晶体中某些方向上的光程与温度无关.据此提出了用晶体材料制作具有热稳定性的法布里Ο珀罗标准具的方法,并以晶体ΟLiSAF为例,进行具体计算和说明.结果表明,用晶体可以设计出效果很好的具有温度稳定的法布里Ο珀罗标准具.

关键词:法布里Ο珀罗标准具;梳状滤波器;热稳定性;热膨胀系数;折射率温度系数中图分类号:TN911;O736文献标识码:A

TheThermallyStableFabryΟPerotEtalonDevicesMadeofCrystalsZHUYiΟqing,　WANGXiaoΟli,　ZHUTuo(SchoolofScience,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)

Abstract:FabryΟPerotetalonmustbethermallystablewhenitisusedtomakeinterleaver.Thetemperaturesensitivityoftheetalonisduetothermalexpansionandthethermaleffectsontheindexofrefractiveofthematerials.Forsomecrystals,oneormoreofthethermalexpansioncoefficientsandthermalrefractiveindexcoefficientshaveanoppositesigntotheothercoefficientssuchthatadirectionoftemperatureinsensitiveopticalpathlengthexists.Thethermallystableetalondevicescanbemadebasedonthisathermalizationtechnique.Asanexample,adetailedcalculationanddescriptionaregivenforLiSAFcrystal.Byconcretecalculation,itcanbeseenthatagoodeffectforthermallystableetalondevicescanbedesignedusingcrystal.Keywords:FabryΟPerotetalon;interleaver;temperatureinsensitive;thermalexpansioncoefficient;thermalrefractiveindexcoefficient

为充分利用光纤的带宽,在现代光纤通信系统中普遍采用波分复用技术,即将不同波长的光信号组合到1条光纤上传输,在接收端再将光信号分开,作进一步处理.随着人们对通信容量需求的迅猛增长,信道的间隔不断减小,通信线路的复用度不断提高,于是出现了一种新型的光学器件———梳状滤波器.该器件能够把波分复用的信道分成奇偶两组信道,使得信道间隔加倍.这样,使用信道密度小、复用度低的波分复用器,就可使通信系统实现较高的信号复用度,从而避开了研制小信道间隔的密集波分复用器所遇到的技术困难.另外,利用梳状滤波器对通信系统进行扩容时,可以保留原有的波分复用器和解复用器,降低成本,而且又十分灵活方便.制造梳状滤波器的方法有:阵列波导光栅[1]、级联马赫-曾德尔干涉仪[2Ο4]、多腔的法布里Ο珀罗干涉仪和GT谐振腔的迈克尔逊干涉仪等[5].利用法布里Ο珀罗标准具制作梳状滤波器已有很多文献报道[6Ο7].但是,法布里Ο珀罗标准具是一种对温度较敏感的器件,而应用光通信器件的环境温度的变化范围较大,一般光通信器件要求的工作温度的范围是0～65℃.随着信道密度愈来愈密,由温度变化引起的信道波长的漂移将不能满足密集波分复用对信道稳定性的要求.文中分析了法布里Ο珀罗标准具对温度敏感的成因,并以晶体(LiSAF)为例,具体计算了温度变化对光程的影响.结果表明,使用合适的晶体材料可以制成具有热稳定性的法布里Ο珀罗标准具.1　FabryΟPerot标准具的温度特性 通常的法布里Ο珀罗标准具由两块存在一定间隙的玻璃平板组成,两块平板相对的平面上镀反射膜,并且相互平行,因而中间形成一层等厚的空气层,这种标准具可称为气隙型标准具.制作法布里Ο珀罗标准具的另外一种方法,是用一块实心的透明平板,将平板的两个表面加工成相互平行,并镀上反射膜,就可以制成实心标准具.不管何种结构,法布里Ο珀罗标准具都是由2个平行的反射面和中间的介质层组成.入射光在2个平行的反射面之间多次反射,形成多光束干涉,法布里Ο珀罗标准具的透射率为[8]T(λ)=1+4R(1-R)2sinδ(λ)2-1(1)其中,R是2个平行平面的反射率,δ由式(2)确定:δ(λ)=4πλndcosφ(2)其中,d是2个反射面之间的距离;n是反射面之间介质层的折射率;λ是真空中的波长;φ是入射光在介质中的折射角.考虑实际的使用情况,φ=0,则有δ(λ)=4πλnd(3) 由式(1)和(3)可见,法布里Ο珀罗标准具的透射谱有一系列的透射峰,相邻透射峰之间的间隔就是法布里Ο珀罗标准具的自由光谱范围-FSR,

如果用频率表示,则有

Δf=FSR=

c

2nd

(4)

而透射峰的频率值为f=mΔf=mc2nd

(5)

式中,m是正整数,nd为光程.

如果法布里Ο珀罗标准具用来制作梳状滤波器,它必须满足以下要求:

1)透射峰的频率应尽可能接近国际电信联盟(ITU)规定的光信道标准频率,可通过精细地控制光程长度来实现;

2)透射峰的频率必须在一定的温度范围内与ITU的标准保持一致,而常规的法布里Ο珀罗标准具对温度较敏感,这是因为材料的热膨胀和折射率的温度效应使得光程nd随着温度的变化而变化,

从而使得透射峰的频率(波长)随温度的变化而漂移.一般的光学材料的热膨胀系数和折射率的温度系数是10-5～10-6数量级.

图1是信道间隔为200GHz,温度分别是-40℃和60℃时的透射谱图.由图1中可以看到,如此大的波长飘移已不适宜用来制作梳状滤波器.

图1　温度分别为-40℃和60℃时标准具的透射谱Fig.1　TransmissionspectraofanetalonwhenT=-40℃andT=60℃

2　用晶体制作热稳定的法布里Ο珀罗标准具

2.1　制作原理由式(4)和(5)可见,如果热膨胀引起的光程变化与折射率的温度系数引起的光程变化相互抵消,则光程将不随温度变化而变化,这样的法布里Ο珀罗标准具就具有热稳定性.某些晶体在不同方向

934　第4期朱益清等:具有温度稳定的法布里Ο珀罗标准具设计上具有不同热膨胀系数以及折射率的温度系数,而且有可能1个或1个以上方向的热膨胀系数与折射率温度系数的符号相反.在这样的晶体中,某些特定方向上的光程与温度无关.2.2　计算方法下面以LiSAF晶体为例,通过具体计算来说明晶体的这一特性.LiSAF晶体有3个轴,分别表示为a、b和c轴.c轴垂直于a轴和b轴,且c轴方向的热膨胀系数、折射率和折射率的温度系数不同于a轴和b轴方向相应的值,具体数值如下[9]: a轴和b轴: 室温下的标称折射率:n=1.45 折射率的温度系数:ηab=-2.5×10-6K-1 线热膨胀系数:αab=25×10-6K-1 c轴: 室温下的标称折射率:n=1.4 折射率的温度系数:ηab=-4×10-6K-1 线热膨胀系数:αab=-10×10-6K-1 设光线在晶体中与c轴之间的夹角为θ,温度的改变量是ΔT,于是相应的折射率应由式(6)确定n(θ,ΔT)=(nc+ηc・ΔT)cosθ2+(nab+ηab・ΔT)sinθ2(6) 与此相似,考虑温度的改变量,光线与晶体c轴之间的夹角为θ时的几何路程长度为d(θ,ΔT)=d0(1+αc・ΔT)cosθ2+1+αab・ΔT)sinθ2(7)式中,d0是室温时的几何路程长度.于是,考虑温度变化的影响,光程可以表示为nd=n(θ,ΔT)×d(θ,ΔT)(8)要使标准具有热稳定性,即要求光程不随温度改变而变化,令　ddΔTopl=ddΔTn(θ,ΔT)×d(θ,ΔT)=0(9)由此可以确定,光程不随温度变化的光线传播方向.将式(6),(7),(8)代入式(9)求导.因为热膨胀系数和折射率的温度系数都非常小,只保留这2个系数的一次项,于是得ncαccos4θ+nabαabsin4θ+(ncαab+nabαc)×　sin2θ・cos2θ+ncηccos2θ+nabηabsin2θ=0(10)代入数值,解上式得:θ≈0.667rad,即θ≈38.2°.这表明:只要光线在晶体中的方向与c轴之间的夹角为38.2°,也就是当光线处在图2所示的圆锥面上时,其光程将不随温度改变.

因此,用LiSAF晶体制作实心的法布里Ο珀罗标准具,只要反射面的法线与c轴的夹角是38.2°(见图3),这样的标准具将具有热稳定性.

图2　光束在LiSAF中不受温度影响的传输角Fig.2　PerspectiveviewofthebeaminsertionangleforLiSAFthatavoidsthermaleffects

图3　用LiSAF制作热稳定的标准具Fig.3　SchematicviewofthethermallystableetalonmadeofLiSAF2.3　计算结果经数值计算,可得到光线沿任意方向单位几何长度上的光程对温度改变量的导数.当温度偏离室温40℃时,计算所得的结果见图4.由图4可以看出,温度变化对光程的影响与光束在晶体中传输的方向有关.

图4　LiSAF晶体中不同传输方向上光程的温度响应Fig.4　TemperatureresponseopticalpathlengthatdifferentdirectionsinLiSAFcrystal

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扫描Fabry-Perot标准具及其在塞曼效应等高分辨率光谱检

扫描Fabry-Perot标准具及其在塞曼效应等高分辨率光谱检

实验四扫描Fabry-Perot标准具及其在塞曼效应等高分辨率光谱检测中的应用一、实验目的了解F－P标准具的原理；掌握其调整、使用方法；利用气压扫描法测定标准具的主要技术指标；应用该仪器测定塞曼效应等。

二、实验仪器、材料气压扫描Fabry-Perot标准具、单频He-Ne激光器及其电源、硅光电池探测器、函数记录仪或PC机、扩束平行光管、电磁铁及其电源、特斯拉计、笔形汞灯及其电源、聚光透镜。

三、原理1.F－P干涉仪的简要描述F－P干涉仪的核心是两个平面性和平行性极好的高反射光学镜面，它可以是一块玻璃或石英平行平板的两个面上镀制的镜面，也可以是两块相对平行放置的镜片，即为空气间隔，如图1所示。

前一种形式结构简单，使用时无需调整，比较方便，体积也小，但由于材料的均匀性和两面加工平行度往往达不到很高水平，故性能不如后者优良。

用固定间隔来定位的F－P干涉仪又常称为F－P标准具。

间隔圈常用热膨胀系数小的石英材料(或零膨胀微晶玻璃)。

它在三个点上与平镜接触，用三个螺丝调节接触点的压力，可以在小范围内改变二镜面的平行度，使之达到满意的程度。

使用时常在干涉仪的前方加聚光透镜，后方则用成象透镜把干涉图成象于焦平面上，如图2所示。

图 1 F－P干涉仪的多光束干涉1实验四 扫描Fabry-Perot 标准具及其应用２图 2 法布里－珀罗标准具的使用F －P 干涉仪采用多光束干涉原理，关于多光束干涉的详细理论可参阅有关专著，我们在此就直接利用有关的一些关系式。

设每一镜面的反射率都为R ，透射率为Τ，吸收散射等引起的损耗率为τ，则有 1T R =τ++ ----------------------------------------------------- (1) 图1中相邻两光束的光程差为α-=β=∆22sin n h 2cos nh 2 ------------------------------------(2) 其中h 为镜面间隔距离，n 为镜间介质折射率，α为入射光束投射角，β为光束在镜面间的投射角。

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

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

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。

内置耦合共焦法布里-珀罗干涉仪的设计

内置耦合共焦法布里-珀罗干涉仪的设计

内置耦合共焦法布里-珀罗干涉仪的设计朱德生;郑锐【摘要】利用光学反射腔的耦合共焦原理,设计了一套内置耦合共焦法布里珀罗干涉仪.利用该装置对可调谐二极管激光器1181.0～1181.75cm-1中红外光谱范围内的N2O和SO2的低压气体分子吸收光谱进行标定,得到了利用该装置进行光谱绝对频率标定的系统标准偏差(～0.98049×10-4cm-1)和自由光谱范围(～0.00998646(2)cm-1).【期刊名称】《长江大学学报（自然版）理工卷》【年(卷),期】2009(006)003【总页数】4页(P13-16)【关键词】法布里珀罗干涉仪;耦合共焦;光谱;锗标准具【作者】朱德生;郑锐【作者单位】长江大学物理科学与技术学院,湖北,荆州,434023;华中师范大学物理科学与技术学院,湖北,武汉,430079【正文语种】中文【中图分类】O433.3在光谱测量中，标定和校准光谱线的精确波长的一种简单易行的方法就是利用低压气体分子的特征谱线对样品光谱范围进行线性插值，但由于激光模在扫描过程中会随着温度和电流的变化，激光频率变化不再和电流成线性关系，在使用该方法得到的谱线中，部分谱线的频率往往存在0.01cm-1以上的巨大的偶然偏差[1,2]。

要解决此类偶然偏差问题，一种行之有效的方法就是利用标准具的干涉条纹对特征光谱范围和样品光谱范围进行二次插值，使光谱标定有一个与标准具性能和条纹间隔有关的系统误差。

常用的标准具有2种：锗标准具和空气间隙法布里-珀罗标准具。

锗标准具主要用于红外光谱的标定，它透射的光谱范围为2～20μm，由于锗材料的基底有较强反射的特性，一般的锗标准具表面都会镀上一层增透膜。

但锗标准具的热稳定性差，它对光的吸收随着温度的升高而增大并且干涉条纹间隔也会随之变化，在200℃时，光束将完全不能通过锗标准具。

这一缺陷使锗标准具适用广度大大缩小。

空气间隙法布里-珀罗标准具由2块内表面镀有高反射率膜层且平行放置的平面玻璃板或石英板组成。

法布里-珀罗(F-P)干涉仪

法布里-珀罗(F-P)干涉仪


cos2
12
2 2
1 12
1
2 2
1
12
2 2
2 1 2
cos2
其中
d
c
(4.64a) (4.64b) (4.65)
(4.66)
从(4.65)式可见，当 cos2 1，即 f m 时，T 达到最大，即达
到谐振峰值，
Tmax
1 12
1
2 2
1 12 2
(4.67a)
当 cos2 1，即 m / 2 时，T 达到最小，
1 12
1
2 2
2 2 1 12 2
1
12
2 2
212
cos21/ 2
因此有
(4.69a)
2 1 12 2 2(1 212 1222) 1 1222 212 cos21/ 2
1 212 1222 ) 212 212 cos 21/ 2
1 12 2 2121 cos21/2 412 sin21/2
光纤通信原理与技术
1.1. F-P干涉仪的工作原理 F-P干涉仪的工作原理 :是一种最简单的光学谐振腔，也是一种 传统的滤波器件，常用于光谱分析，或者在激光器中选择纵模， 在光通信中用来滤波，可以从多个相邻的频率（波长）通道中 选取某一个通道。
(a) 正入射情况
(b) 斜入射情况 图4.19 法布里－珀罗(F-P)干涉仪示意图
E0 l 1 12 e j 12 e2 j2 12 en jn
1
E0 l
1 2 e j
(4.54)
E0 l为入射波进入谐振腔后在 z 方向传输到 z l 处的场强；
1
2
c
2d
(4.55)