CN107152941B - 一种腔长可控的光纤f-p腔构成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种腔长可控的光纤F‑P腔构成装置。该装置包括光源、环形器、1×2耦合器、光谱仪和三维精密微位移平台，平面反射片、中空准直管、平面反射片夹持装置、传输光纤和光纤夹持装置；该装置利用平面反射片和传输光纤端面构成光纤F‑P腔，通过中空准直管保证传输光纤端面与平面反射片端面的平行度，利用三维精密微位移平台实现对传输光纤的移动控制，从而实现光纤F‑P腔的腔长的精密控制。可实现对腔长大范围调节和精确控制，用于在解调设备研制过程中提供标准腔长。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种腔长可控的光纤F-P腔构成装置。
背景技术
光纤F-P(Fabry-Perot)传感器具有灵敏度高、频带宽、抗电磁干扰能力强、易复用等优点，广泛应用于国防、航天、航空、工业测控、计量测试等领域。光纤F-P传感器主要是由两个反射膜层相对平行放置构成具有一定腔长的F-P腔。当光束经过F-P腔时，产生多光束干涉，从而产生干涉光谱。当F-P腔的腔长随被测量变化时，反射光之间的光程差发生变化，从而导致了干涉谱的变化。通过对干涉谱的检测，利用适当的方法进行解调，就能得到干涉腔腔长的变化，进而得出被测量的变化。
因此，在研制针对光纤F-P传感器的信号解调设备时，需要腔长精确已知的光纤F-P腔作为信号源，用于验证信号解调设备解调结果的正确性，提高解调设备的精度。目前用于光纤传感的光纤F-P传感器的腔长一般为几微米到几毫米，传统的F-P干涉仪存在腔长不匹配和很难与光纤耦合等问题，无法与光纤F-P信号解调设备配合使用。常规的F-P标准具的腔长虽然准确，但不能调节腔长，也不能很好的满足解调设备的研制需求。因此，需要一种腔长可控的光纤F-P腔，可实现对腔长大范围调节和精确控制，用于在解调设备研制过程中提供标准腔长。
发明内容
本发明的目的是为了解决光纤F-P传感器的信号解调设备在研制过程中缺少标准腔长装置的问题，而提供一种腔长可控光纤F-P腔的构成方法与装置，实现对腔长大范围调节和精确控制，用于验证信号解调设备解调结果的正确性，提高解调设备的精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种腔长可控的光纤F-P腔构成方法，包含以下步骤：
1)首先将三维精密微位移平台的三个方向分别定义为x方向、y方向和z方向，其中z方向为控制光纤F-P腔的腔长变化的移动方向，x方向控制传输光纤的左右平移，y方向控制传输光纤的上下移动；
2)传输光纤的一端带有光纤接头，一端为裸纤。将裸纤的这一端的端面研磨平整，该端面构成光纤F-P腔的第一反射面，将传输光纤上研磨好端面的一端固定于光纤夹持装置上，将传输光纤伸出光纤夹持装置适当的长度，再将光纤夹持装置固定于三维精密微位移平台上，光纤轴向与z方向一致；
3)将传输光纤带有光纤接头的一端与环形器的第一输出端相连，环形器的输入端与光源相连，环形器的第二输出端与1×2耦合器的第一接口相连，1×2耦合器的第二接口与光谱仪相连，1×2耦合器的第三接口与解调仪表相连；
4)选取一个内径比传输光纤外径略大的中空准直管，将中空准直管的一端固定于平面反射片的反射面上，平面反射片的反射面构成光纤F-P腔的第二反射面，平面反射面的另一面经过处理不能形成有效反射；
5)将固定有中空准直管的平面反射片固定于平面反射片夹持装置上，使得中空准直管的轴线与传输光纤的轴线方向一致；
6)通过三维精密微位移平台的控制器调整三维精密微位移平台的x方向、y方向和z方向，将传输光纤裸纤的一端穿入中空准直管中，移动三维精密微位移平台的z方向，将传输光纤移动至其端面与平面反射片接触，此时在光谱仪上观察到的光谱信号近似一条直线，记录此时三维精密位移平台z方向的坐标位置，定为零腔长位置；
7)反向移动三维精密微位移平台的z方向，使得传输光纤的端面与平面反射片的反射面之间形成一定的间距，此间距即为光纤F-P腔的腔长；
8)通过设定不同的移动长度来移动三维精密微位移平台的z方向，可以实现对光纤F-P腔的腔长的精密控制。
本发明所示的构成方法还可以在三维精密微位移平台的z方向上放置位移测量装置，在光纤F-P腔的腔长变化时，通过位移测量装置实现对光纤F-P腔的腔长变化量的准确测量。
本发明所示的构成方法还可以将三维精密微位移平台和平面反射片夹持装置安装在隔振平台上，降低外部环境振动对腔长的影响。
本发明所示的构成方法还可以将传输光纤、中空准直管、平面反射片、平面反射片夹持装置和三维精密微位移平台置于恒温环境中，降低外部环境温度变化对腔长的影响。
本发明还提供一种腔长可控的光纤F-P腔装置，包括光源、环形器、1×2耦合器、光谱仪和三维精密微位移平台，平面反射片、中空准直管、平面反射片夹持装置、传输光纤和光纤夹持装置；其中：
光源与环形器的输入端相连，环形器的第一输出端与传输光纤的一端相连，传输光纤的另一端放置在光纤夹持装置上，光纤夹持装置安装在三维精密微位移平台上，中空准直管轴线与传输光纤轴线重合，一端固定在平面反射片上，平面反射面固定于平面反射片夹持装置上，环形器的第二输出端与1×2耦合器的第一接口相连，1×2耦合器的第二接口与光谱仪相连，1×2耦合器16的第三接口与解调仪表相连。
本发明所示的光纤F-P腔装置中的传输光纤还可以是单模石英光纤、多模石英光纤、光子晶体光纤、蓝宝石光纤；更换光纤时，中空准直管也要更换成内径与光纤外径相匹配。
本发明所示的光纤F-P腔装置，还可以包括位移测量装置，其中位移测量装置置于三维精密微位移平台上，使位移测量装置的测量方向与中空准直管的轴线方向重合。
本发明所示的光纤F-P腔装置，还可以包括隔振平台，将三维精密微位移平台和平面反射片夹持装置安装在隔振平台上，降低外部环境振动对腔长的影响。
本发明所示的光纤F-P腔装置，还可以包括温度控制装置，将传输光纤、中空准直管、平面反射片、平面反射片夹持装置和三维精密微位移平台置于温度控制装置中，保持所有部件处于恒温环境中，降低外部环境温度变化对腔长的影响。
有益效果：
本发明对比已有技术有以下显著创新点：
1)本发明所涉及的光纤F-P腔构成方法利用光纤作为光路传输媒介，可直接与光纤F-P信号解调设备配合使用；
2)本发明所涉及的光纤F-P腔构成方法利用中空准直管来保证F-P腔两个反射面的平行，减少外界因素对因素对光路干扰的同时还可以达到降低调节难度的目的；
3)本发明所涉及的光纤F-P腔构成方法利用三维精密微位移平台和光谱仪对F-P腔的腔长进行精密控制，可实现腔长大范围调节和精确控制目的；
4)本发明的开放式结构还可以方便地引入位移测量装置对F-P腔的腔长变化进行监测，可以实现腔长的精密测量，并使得数据可溯源。
附图说明
图1为本发明的构成方法示意图；
图2为本发明的装置示意图；
图3为本发明实施例1的示意图；
图4为本发明实施例2的示意图；
图5为本发明实施例3的示意图；
图6为本发明实施例4的示意图；
图7为本发明实施例5的示意图；
其中，1-三维精密微位移平台，2-腔长，3-传输光纤，4-第一反射面，5-光纤夹持装置，6-光源，7-环形器，8-输入端，9-第一输出端，10-第二输出端，11-光谱仪，12-中空准直管，13-平面反射片，14-第二反射面，15-平面反射片夹持装置，16-1×2耦合器，17-第一接口，18-第二接口，19-第三接口，20-解调仪表，21-单模石英光纤，22-平面玻璃，23-石英毛细管，24-反射镜，25-双频激光干涉仪，26-隔振平台，27-温度控制装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图3所示，光纤F-P腔构成方法，其构成步骤是：
选用单模石英光纤作为传输光纤，单模石英光纤的一端带有光纤接头，一端为裸纤。选用单面毛玻璃处理的平面玻璃作为平面反射片，选用石英毛细管作为中空准直管。首先将单模石英光纤21的裸纤的端面研磨平整，该端面构成光纤F-P腔的第一反射面4，将单模石英光纤21上研磨好端面的一端固定于光纤夹持装置5上，将单模石英光纤21伸出光纤夹持装置适当的长度，再将光纤夹持装置5固定于三维精密微位移平台1上，光纤轴向与z方向一致；
将单模石英光纤21带有光纤接头的一端与环形器7的第一输出端9相连，环形器7的输入端8与光源6相连，环形器7的第二输出端10与1×2耦合器16的第一接口17相连，1×2耦合器的第二接口18与光谱仪11相连，1×2耦合器的第三接口19与解调仪表20相连。
将石英毛细管23的一端固定于平面玻璃22的反射面上，平面玻璃22的反射面构成光纤F-P腔的第二反射面14。将固定有石英毛细管23的平面玻璃22固定于平面反射片夹持装置15上，使得石英毛细管23的轴线与z方向一致。
通过三维精密微位移平台1的控制器调整三维精密微位移平台1的x方向、y方向和z方向，将单模石英光纤21穿入石英毛细管23中，移动三维精密微位移平台1的z方向，将单模石英光纤21移动至第一反射面4与第二反射面14接触，此时在光谱仪11上观察到的光谱信号近似一条直线，记录此时三维精密位移平台1的z方向的坐标位置，定为零腔长位置；
反向移动三维精密微位移平台1的z方向，使得第一反射面4与第二反射面14之间形成一定的间距，此间距即为光纤F-P腔的腔长2；
设定不同的移动长度来移动三维精密微位移平台1的z方向，可以实现对腔长2的精密控制；同时将解调仪表20的解调结果与腔长2进行比较，可以用于验证解调仪表20的解调结果的正确性，提高解调设备的精度。
实施例2
如图4所示，采用双频激光干涉仪作为位移测量装置，其中在实施例1中的三维精密微位移平台1的z方向上放置双频激光干涉仪的反射镜24，使反射镜24的法线与石英毛细管23的轴线方向重合，双频激光干涉仪25发射的光束通过反射镜24反射回干涉仪接收器上，在光纤F-P腔的腔长变化时，通过双频激光干涉仪25实现对光纤F-P腔的腔长变化量的准确测量。
实施例3
如图5所示，其中将实施例1中三维精密微位移平台1和平面反射片夹持装置5安装在隔振平台26上，降低外部环境振动对腔长的影响。
实施例4
如图6所示，将实施例1中的单模石英光纤21、石英毛细管23、平面玻璃22、平面反射片夹持装置5和三维精密微位移平台1置于温度控制装置27中，降低外部环境温度变化对腔长的影响。
实施例5
如图7所示，选用单模石英光纤作为传输光纤，单模石英光纤的一端带有光纤接头，一端为裸纤。选用单面毛玻璃处理的平面玻璃作为平面反射片，选用石英毛细管作为中空准直管。采用双频激光干涉仪作为位移测量装置。
首先将单模石英光纤21的裸纤的端面研磨平整，该端面构成光纤F-P腔的第一反射面4，将单模石英光纤21上研磨好端面的一端固定于光纤夹持装置5上，将单模石英光纤21伸出光纤夹持装置适当的长度，再将光纤夹持装置5固定于三维精密微位移平台1上，光纤轴向与z方向一致；
将单模石英光纤21带有光纤接头的一端与环形器7的第一输出端9相连，环形器7的输入端8与光源6相连，环形器7的第二输出端10与1×2耦合器16的第一接口17相连，1×2耦合器的第二接口18与光谱仪11相连，1×2耦合器的第三接口19与解调仪表20相连。
将石英毛细管23的一端固定于平面玻璃22的反射面上，平面玻璃22的反射面构成光纤F-P腔的第二反射面14。将固定有石英毛细管23的平面玻璃22固定于平面反射片夹持装置15上，使得石英毛细管23的轴线与z方向一致。
在三维精密微位移平台1的z方向上放置双频激光干涉仪的反射镜24，使反射镜24的法线与石英毛细管23的轴线方向重合，双频激光干涉仪25发射的光束通过反射镜24反射回干涉仪接收器上。
通过三维精密微位移平台1的控制器调整三维精密微位移平台1的x方向、y方向和z方向，将单模石英光纤21穿入石英毛细管23中，移动三维精密微位移平台1的z方向，将单模石英光纤21移动至第一反射面4与第二反射面14之间形成一定的间距，此间距即为光纤F-P腔的腔长2。
将单模石英光纤21、石英毛细管23、平面玻璃22、平面反射片夹持装置5、三维精密微位移平台1和反射镜24置于隔振平台26上，再将单模石英光纤21、石英毛细管23、平面玻璃22、平面反射片夹持装置5、三维精密微位移平台1和反射镜24都置于温度控制装置27中，在实现腔长精密测量的同时，达到降低降低外部环境振动和外部环境温度变化对腔长的影响的目的。
Claims (4)
1.一种腔长可控的光纤F-P腔装置，包括光源、环形器、1×2耦合器、光谱仪、传输光纤和三维精密微位移平台，其特征在于：还包括平面反射片、中空准直管、平面反射片夹持装置、光纤夹持装置和位移测量装置；
各个部件的相关关系如下：
(1)光源与环形器的输入端相连，环形器的第一输出端与传输光纤的一端相连，传输光纤的另一端放置在光纤夹持装置上，光纤夹持装置安装在三维精密微位移平台上；
(2)三维精密微位移平台的三个方向分别定义为x方向、y方向和z方向，其中z方向为控制光纤F-P腔的腔长变化的移动方向，x方向控制传输光纤的左右平移，y方向控制传输光纤的上下移动；
(3)中空准直管轴线与传输光纤轴线重合，一端固定在平面反射片上，平面反射面固定于平面反射片夹持装置上；
(4)环形器的第二输出端与1×2耦合器的第一接口相连，1×2耦合器的第二接口与光谱仪相连，1×2耦合器的第三接口是工作接口，与被标定的解调仪表相连；
(5)位移测量装置包含双频激光干涉仪及反射镜，其中反射镜安装于三维精密微位移平台上，随传输光纤一起移动，反射镜的法线方向与z方向一致。
2.根据权利要求1所述的腔长可控的光纤F-P腔装置，其特征在于：还包括隔振平台，将三维精密微位移平和平面反射片夹持装置安装在隔振平台上。
3.根据权利要求1所述的腔长可控的光纤F-P腔装置，其特征在于：还包括温度控制装置，将传输光纤、中空准直管、平面反射片、平面反射片夹持装置和三维精密微位移平台置于温度控制装置中，温度控制装置对其内部设备提供20～30℃的恒温环境。
4.根据权利要求1所述的腔长可控的光纤F-P腔装置，其特征在于：传输光纤是单模石英光纤、多模石英光纤、光子晶体光纤、蓝宝石光纤。
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| Title |
|---|
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