CN106197492A - 基于光纤复合法珀腔结构的法珀腔长与折射率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤复合法珀腔结构的法珀腔长与折射率计算方法，属于光纤传感技术领域。该光纤复合法珀腔传感器，其从左到右依次由单模光纤（6）、毛细玻璃套管（7）、高折射膜片（9）、高反射膜（11）组成。所述的传感系统包括可调谐激光光源（1）、光环行器（2）、上述光纤复合法珀腔传感器（3）、光电探测器（4）、高速数据采集卡（5）以及计算机（12）。本发明在满足一定条件时高折射膜片折射率与空气折射率、以及两个法珀腔的腔长具有一定的比例关系，由此可以计算出第一法珀腔腔长和高折射膜片折射率。该方法具有简单、便捷等特点。

Description

基于光纤复合法珀腔结构的法珀腔长与折射率计算方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于复合法珀腔结构的法珀腔长与折射率计算方法，涉及光纤传感技术领域。

背景技术

光纤传感器具有安全、不受电磁干扰、便于联网与远距离遥测、适于恶劣环境等一系列优点，已逐渐成为新一代传感器的主流发展方向之一。基于光纤法珀(FP)腔的传感器对温度交叉敏感性很小，传感器对光学信号干扰小，能够提供很高的分辨率，光纤法珀腔传感器逐渐应用到了应力、温度、化合物、超声波、以及压力等领域的传感测量。

在光纤法珀腔传感器应用中，对传感器的解调是其关键技术。光纤法珀腔传感器的腔长受被测量的影响发生改变，进一步影响输出光信号。被测量、法珀腔腔长和光信号之间具有一定的对应关系。解调的过程相当于传感的逆过程，比如通过采集光信号改变量来求出腔长的变化量，进而得到相应被测信息。

当输入光波长恒定时，由于被测量变化引起法珀腔腔长的变化，从而改变了两束相干光的光程差，进而使得法珀腔传感器输出光强发生变化。因此通过测量干涉仪输出光强的变化值就可以得到被测量的变化，这种方法即为强度解调。目前强度解调存在的不足是：为使法珀腔工作在反射光干涉谱斜率最大处，需要保证腔长和波长匹配，这在法珀腔制作的时候存在一定难度。同时该方法还易受到外界环境和光源光强波动的干扰。相位解调是通过探测光纤法珀腔输出干涉信号的相位变化来实现对法珀腔长信号的解调。由于光谱分布是多个单波长信息的组合，其信息量远大于单波长条件下的光强输出信息量。

当光学材料制作完成时，由于其内部的密度、浓度、温度以及应力等物理量的不均匀性，导致其折射率发生变化。因此，实现对光学材料折射率的精确测量具有重要意义。目前常用的晶体折射率测量方法包括V型棱镜法、最小偏向角法、掠入射法，但是这些方法在测量过程中，都要把材料加工成一定的形状，所以相当费时，且测量工作繁重。

发明内容

为解决上述技术的不足，本发明提出了一种方便、高效的基于光纤复合法珀腔结构的法珀腔长与折射率计算方法。

一种光纤复合法珀腔传感器，包括单模光纤、毛细玻璃套管、高折射膜片和高反射膜；其中毛细玻璃套管内部的空气腔为第一法珀腔；高折射膜片的左端面为抛光面，右端面为镀膜面；抛光面和镀膜面之间形成第二法珀腔；构成上述第一法珀腔的两个界面分别是：单模光纤的端面和第一法珀腔内空气组成的界面以及第一法珀腔内的空气和高折射膜片的抛光面组成的界面；构成上述第二法珀腔的两个界面分别是：第一法珀腔内空气和高折射膜片的抛光面组成的界面以及高折射膜片的镀膜面和高反射膜组成的界面；

上述第一法珀腔的折射率n₁小于第二法珀腔的折射率n₂；n₁即为空气折射率，n₂即为高折射膜片的折射率；上述高折射膜片的宽度D大于单模光纤的直径R；

上述第一法珀腔的腔长L₁即为单模光纤的端面与高折射膜片的抛光面之间的距离，第二法珀腔的腔长L₂即为高折射膜片的厚度，且它们之间满足关系式L₁/L₂＝n₂/n₁。

上述光纤复合法珀腔传感器的优点在于：一方面，高折射膜片的宽度大于单模光纤的直径，这样既方便高折射膜片的制作加工，也可以使光波信号最大限度返回到单模光纤中，减少光损。另一方面，当测量腔长时，高折射膜片采用石英膜片，其与单模光纤的热膨胀系数接近，因此能够较好地解决传感器的温度效应。而且经过数值模拟发现，只有当L₁/L₂＝n₂/n₁时，光纤复合法珀腔传感器的反射谱才会出现高低峰相间且高峰和低峰的幅值分别相等。

利用上述光纤复合法珀腔传感器构成的光纤复合法珀腔传感系统，包括可调谐激光光源、光环行器、所述光纤复合法珀腔传感器、光电探测器、高速数据采集卡以及计算机；

上述光环行器为典型的3端口光环行器，光在环行器中只沿单方向环行，信号沿端口1→端口2→端口3方向传播，反方向是隔离的；其中端口1与可调谐激光光源相连，端口2与光纤复合法珀腔传感器相连，端口3与光电探测器相连。

这种光纤复合法珀腔传感系统的优点在于：采用可调谐光源、光电探测器以及高速数据采集卡集成模式代替宽带光源加光谱仪的传统测量模式，可将数据采集卡所测数据等效为反射光谱，这有助于提高系统采样率和光谱波长分辨率。

上述光纤复合法珀腔传感系统的使用过程中第一法珀腔变形后腔长测量方法，包括以下步骤：不同波长的光从上述可调谐激光光源扫描发出进入到光环行器的端口1；从端口2出射后进入光纤复合法珀腔传感器；复合法珀腔的反射光经由端口3进入到光电探测器中；光电探测器将探测到的不同波长的光强信号转换相应电压信号；最后将电压信号由高速数据采集卡采集并通过USB传输线传输到计算机，再借助Labview软件对采集到的信号进行取相反数操作；由于上述可调谐激光光源发出的光波长随时间连续变化，所以光电探测器接收到的光强信号是不同波长的光经光纤复合法珀腔传感器反射形成的光强信号，高速数据采集卡所采集信号是由光纤复合法珀腔传感器反射回来的光谱信号转换而成的电信号；

通过以下两种方法之一，确定变形后第一法珀腔的腔长：

方法一、该光纤复合法珀腔的反射谱呈现出高低峰相间的现象，在可调谐激光光源所选的同一波段内，记录每组高峰内的两个相邻高峰之间的距离；其中距离最窄的为第一组高峰，依此找出整个反射谱中第一个高峰，读出其对应的波长；

反射谱中第一个高峰对应的波长与第一法珀腔的腔长呈对应关系；记录不同第一法珀腔腔长下的第一个高峰对应的波长，得到关系曲线；之后，通过反射谱中第一个高峰对应的波长，参照关系曲线，就可以直接得出第一法珀腔的腔长；

方法二、该光纤复合法珀腔的反射谱呈现出高低峰相间的现象，在可调谐激光光源所选的同一波段内，光纤复合法珀腔反射谱的高峰个数与第一法珀腔的腔长呈对应关系；记录不同第一法珀腔腔长下的反射光谱中高峰个数；之后，通过反射光谱中高峰的个数，就可以得到对应的第一法珀腔腔长。

这种复合法珀腔腔长直接测量方法的优点在于：通过标定的方法确定第一法珀腔的腔长，在标定之后，只需要读出反射谱中第一个高峰对应的波长或者反射峰的个数就可以直接得到第一法珀腔腔长，无需代入公式，具有方便快捷等特点。

上述光纤复合法珀腔传感系统及其原理还可用于高折射膜片折射率的测量，其方法包括以下步骤：先测出高折射膜片的厚度L₂，将复合法珀腔置于微调整架上。通过微调整架调整第一法珀腔的腔长L₁，同时观察复合法珀腔的反射谱。当反射谱中出现高低峰相间且高峰和低峰的幅值分别相等时，L₁，L₂，空气折射率n₁以及高折射膜片的折射率n₂之间满足关系：L₁/L₂＝n₂/n₁；由此，高折射膜片的折射率可以根据下式计算而得：

$n_2=\frac{n_1\·L_1}{L_2}$

这种高折射膜片的折射率直接测量方法的优点在于：材料加工过程简单，只需要根据相关反射谱特征，便可以得到材料的折射率。这种方法方便快捷，且工作量较小。

附图说明

图1光纤复合法珀腔传感系统结构示意图；

图2光纤复合法珀腔传感器示意图；

图3典型复合法珀腔反射谱；

图4 L₁，L₂，n₁以及n₂之间满足特定关系时的复合法珀腔反射谱；

图5本发明的第一法珀腔变形后的反射谱；

图中标号名称：

1.可调谐激光光源，2.光环行器，3.光纤复合法珀腔传感器，4.光电探测器，5.高速数据采集卡，6.单模光纤，7.毛细玻璃套管，8.第一法珀腔，9.高折射膜片，10.第二法珀腔，11.高反射膜，12.计算机。

具体实施方式

参照图1和图2，光纤复合法珀腔传感系统包括：可调谐激光光源1、光环行器2、光纤复合法珀腔传感器3、光电探测器4、高速数据采集卡5以及计算机12。

光纤复合法珀腔传感器3的组成包括单模光纤6、毛细玻璃套管7、高折射膜片9以及高反射膜11。其中高折射膜片9的左端面为抛光面，右端面为镀膜面，抛光面和镀膜面之间形成第二法珀腔10；毛细玻璃套管内部的空气腔为第一法珀腔8。其中单模光纤6采用焊接工艺固定在支撑结构上，而不能用胶水固定。构成复合法珀腔的三个反射界面分别是：单模光纤6的端面和空气组成的界面、空气和高折射膜片9的抛光面组成的界面以及高折射膜片9的镀膜面和高反射膜11组成的界面。

不同波长的光从上述可调谐激光光源1扫描发出进入到光环行器2的端口1；从端口2出射后进入光纤复合法珀腔传感器3；复合法珀腔3的反射光经由端口3进入到光电探测器4中；光电探测器4将探测到的光强信号转换电压信号；最后电压信号由数据采集卡5采集并传输给计算机12，并用Labview软件对采集到的信号进行取相反数操作。

由于上述可调谐激光光源1发出光的波长随时间连续变化，所以光电探测器4接收到的光强信号是不同波长的光经光纤复合法珀腔传感器3反射形成的光强信号，高速数据采集卡5所采集信号为光纤复合法珀腔传感器3反射回来的光谱信号转换而成的电信号。

设第一法珀腔8的长度为L₁，第二法珀腔10的长度为L₂，则光线经过法珀腔的相位延迟分别为

φ₁＝4πn₁L₁/λ (1)

φ₂＝4πn₂L₂/λ (2)

式中λ为光波波长，n₁，n₂分别为空气和高折射膜片的折射率，n₁＝1.0003。

光纤复合法珀腔传感器的三个反射界面分别为单模光纤6的端面和空气组成的界面、空气和高折射膜片9的抛光面组成的界面以及高折射膜片9的镀膜面和高反射膜11组成的界面，它们的反射比分别为r₁，r₂，r₃，透射比分别为t₁，t₂，t₃。

当测量第一法珀腔腔长时，高折射膜片采用石英膜片，其折射率n₂＝1.45。

根据反射系数菲涅尔公式计算得，r₁＝-0.1837，r₂＝0.1837，r₃＝0.8，所以光纤复合法珀腔传感器的理论反射率R为：

$R=1-\frac{{\left(t_1{t}_2{t}_3\right)}^2}{D}=\frac{A}{D}---\left(3\right)$

其中：

$\begin{array}{c}D=1+{\left(r_1{r}_2\right)}^2+{\left(r_2{r}_3\right)}^2+{\left(r_1{r}_3\right)}^2+2r_1{r}_2(1+{r_3}^2){\mathrm{cos\φ}}_1\\ +2r_2{r}_3(1+{r_1}^2){\mathrm{cos\φ}}_2+2r_1{r}_3\cos ({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)+2r_1{r_2}^2\cos ({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)\end{array}---\left(4\right)$

A＝D-(t₁t₂t₃)² (5)

式中，D为全部光信号，A为反射回来的光信号。

由于借助Labview软件对采集的信号进行了取相反数的操作，因此得到的反射谱为-R。其典型反射光谱，如图3所示。

经过数值模拟发现，只有当L₁，L₂满足关系L₁/L₂＝n₂/n₁时，反射谱才会出现高低峰相间且高峰和低峰的幅值分别相等的特殊情况，如图4所示(如取L₁＝435μm，L₂＝300μm)。

当光纤复合法珀腔的第一法珀腔长发生微小变化时，其反射谱仍然呈现高低峰相间的现象，但是高峰和低峰的峰值会不断变化，如图5所示。

从图4中可以看出，光纤复合法珀腔的反射率随着波长的变化呈现出幅值不同的两种高低相间的波峰，对式(3)求导可得：

$R^{\′}=\frac{A^{\′}}{D^{\′}}---\left(6\right)$

$\begin{array}{c}{D}^{\′}=2r_1{r}_2(1+{r_3}^2)\·\frac{{\mathrm{\φ}}_1}{\mathrm{\λ}}\·{\mathrm{sin\φ}}_1+2r_2{r}_3(1+{r_1}^2)\·\frac{{\mathrm{\φ}}_2}{\mathrm{\λ}}\·{\mathrm{sin\φ}}_2\\ +2r_1{r}_3\·\frac{{\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2}{\mathrm{\λ}}\·\sin ({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)+2r_1{r_2}^2{r}_3\·\frac{{\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2}{\mathrm{\λ}}\·\sin ({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)\end{array}---\left(7\right)$

法珀腔腔长测量方法一：在可调谐激光光源所选的同一波段内，记录每组高峰内的两个相邻高峰之间的距离；其中距离最窄的为第一组高峰，依此找出整个反射谱中第一个高峰，读出其对应的波长；

法珀腔腔长测量方法二：该光纤复合法珀腔的反射谱呈现出高低峰相间的现象，在可调谐激光光源所选的同一波段内，光纤复合法珀腔反射谱的高峰个数与第一法珀腔的腔长呈对应关系；记录不同第一法珀腔腔长下的反射光谱中高峰个数；之后，通过反射光谱中高峰的个数，就可以得到对应的第一法珀腔腔长。

高折射膜片折射率测量方法：只有当L₁，L₂，n₁，n₂满足关系L₁/L₂＝n₂/n₁时，才会出现图4所示反射光谱。由此可以测量高反射膜片折射率n₂，方法如下：

先测出高折射膜片的厚度L₂，将复合法珀腔置于微调整架上。通过调整架调整第一法珀腔的腔长L₁，同时观察复合法珀腔的反射谱。当反射谱中出现高低峰相间且高峰和低峰的幅值分别相等的情况时，L₁，L₂，空气折射率n₁以及高折射膜片的折射率n₂满足关系L₁/L₂＝n₂/n₁，高折射膜片的折射率可以通过下式计算而得：

$n_2=\frac{n_1\·L_1}{L_2}.$

Claims (4)

1.一种光纤复合法珀腔传感器，其特征在于：

从左到右依次由单模光纤(6)、毛细玻璃套管(7)、高折射膜片(9)、高反射膜(11)组成；

其中毛细玻璃套管内部的空气腔为第一法珀腔(8)；高折射膜片(9)的左端面为抛光面，右端面为镀膜面；抛光面和镀膜面之间形成第二法珀腔(10)；构成上述第一法珀腔(8)的两个界面分别是：单模光纤(6)的端面和第一法珀腔内空气组成的界面以及第一法珀腔内的空气和高折射膜片(9)的抛光面组成的界面；构成上述第二法珀腔(10)的两个界面分别是：第一法珀腔内空气和高折射膜片(9)的抛光面组成的界面以及高折射膜片(9)的镀膜面和高反射膜(11)组成的界面；

上述第一法珀腔(8)的折射率n₁小于第二法珀腔(10)的折射率n₂；n₁即为空气折射率，n₂即为高折射膜片(9)的折射率；上述高折射膜片(9)的宽度D大于单模光纤(6)的直径R；

上述第一法珀腔(8)的腔长L₁即为单模光纤(6)的端面与高折射膜片(9)的抛光面之间的距离，第二法珀腔(8)的腔长L₂即为高折射膜片(9)的厚度，且它们之间满足关系式L₁/L₂＝n₂/n₁。

2.利用权利要求1所述光纤复合法珀腔传感器构成的光纤复合法珀腔传感系统，其特征在于：

包括可调谐激光光源(1)、光环行器(2)、权利要求1所述光纤复合法珀腔传感器(3)、光电探测器(4)、高速数据采集卡(5)以及计算机(12)；

上述光环行器(2)为典型的3端口光环行器，光在环行器中只沿单方向环行，信号沿端口1(2-1)→端口2(2-2)→端口3(2-3)方向传播，反方向是隔离的；其中端口1(2-1)与可调谐激光光源(1)相连，端口2(2-2)与光纤复合法珀腔传感器(3)相连，端口3(2-3)与光电探测器(4)相连。

3.权利要求2所述光纤复合法珀腔传感系统的使用过程中第一法珀腔变形后的腔长测量方法，包括以下过程：

不同波长的光从上述可调谐激光光源(1)扫描发出进入到光环行器(2)的端口1(2-1)；从端口2(2-2)出射后进入光纤复合法珀腔传感器(3)；复合法珀腔(3)的反射光经由端口3(2-3)进入到光电探测器(4)中；光电探测器(4)将探测到的光强信号转换电压信号；最后电压信号由高速数据采集卡(5)采集并通过USB传输线传输到计算机(12)中，再采用Labview软件对采集到的信号进行取相反数操作；由于上述可调谐激光光源(1)发出光的波长随时间线性变化，所以光电探测器(4)接收到的光强信号是不同波长的光经光纤复合法珀腔传感器(3)反射形成的光强信号，高速数据采集卡(5)所采集信号为光纤复合法珀腔传感器(3)反射回来的由不同波长的光强信号转换而成的电信号；

通过以下两种方法之一，确定变形后第一法珀腔(8)的腔长：

方法一、该光纤复合法珀腔的反射谱呈现出高低峰相间的现象，在可调谐激光光源(1)所选的同一波段内，记录每组高峰内的两个相邻高峰之间的距离；其中距离最窄的为第一组高峰，依此找出整个反射谱中第一个高峰，读出其对应的波长；

反射谱中第一个高峰对应的波长与第一法珀腔(8)的腔长呈对应关系；记录不同第一法珀腔(8)腔长下的第一个高峰对应的波长，得到关系曲线；之后，通过反射谱中第一个高峰对应的波长，参照关系曲线，就可以直接得到第一法珀腔(8)的腔长；

方法二、该光纤复合法珀腔的反射谱呈现出高低峰相间的现象，在可调谐激光光源(1)所选的同一波段内，光纤复合法珀腔反射谱的高峰个数与第一法珀腔(8)的腔长呈对应关系；记录不同第一法珀腔(8)腔长下的反射光谱中高峰个数；之后，通过反射光谱中高峰的个数，就可以得到对应的第一法珀腔(8)腔长。

4.利用权利要求2所述光纤复合法珀腔传感系统的高折射膜片的折射率测量方法，其特征在于包括以下步骤：

先测出高折射膜片(9)的厚度L₂，将复合法珀腔置于微调整架上；通过微调整架调整第一法珀腔(8)的腔长L₁，同时观察复合法珀腔的反射谱；当反射谱中出现高低峰相间且高峰和低峰的幅值分别相等的情况时，L₁，L₂，空气折射率n₁以及高折射膜片(9)的折射率n₂之间满足关系：L₁/L₂＝n₂/n₁；由此，高折射膜片(9)的折射率可以根据下式计算而得：

$n_2=\frac{n_1\·L_1}{L_2}.$