CN115656041A - 一种低精细度f-p腔制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低精细度F‑P腔制备装置，包括：宽谱光源、2×1耦合器、扩束透镜、反射球、光谱仪；所述2×1耦合器包括第一光纤尾纤输入端、第二光纤尾纤输入端、第一空间光输出端；所述第一光纤尾纤输入端与所述宽谱光源的输出端连接；所述第二光纤尾纤输入端与所述光谱仪连接；所述第一空间光输出端与所述扩束透镜连接；所述扩束透镜与所述反射球同轴放置。本发明采用球面反射，避免了透射光对系统的干扰，同时有效地降低了F‑P腔的封装难度。
Description
技术领域
本发明属于传感领域，特别是涉及一种低精细度F-P腔制备装置及方法。
背景技术
光学测量技术是一种非常重要的非接触式无损检测，通过测量光波特性参量的变化来获得待测信息，具有测量动态范围宽、结构简单、价格低廉且测量精度高的特点。在高压、易燃易爆、强腐蚀的环境下运行可靠，并且具有抗电磁干扰能力强等优势，被广泛应用在绝对距离、位移、压力、应变以及温度等精密测量领域中。
在诸多光学测量技术中，迈克尔逊干涉仪是应用最广泛的微位移测量方法，它可实现纳米甚至更高的分辨力，是目前微位移测量的重要技术手段，但其测距灵敏度具有不均匀性。另外，由于在实际系统中的噪声水平限制了利用传统干涉仪的灵敏度。而光纤F-P(Fabry-Perot)传感器具有体积小、灵敏度高、抗强磁场、频带宽、易复用等优点，广泛应用于国防、航天、航空、工业测控、机械制造、计量测试等领域。光纤F-P传感器通常是基于光强进行传感信号的检测，主要由两个平行放置的反射膜层构成具有一定反射腔长的F-P腔体。当检测光束进入F-P腔时，形成多光束干涉。当待测量变化时，F-P腔体的腔长将发生变化，进而导致光程变化，引起干涉谱的变化。最终，由探测器探测F-P传感器的透射或反射光强度变化，获得F-P的腔长，通过适当的方法进行解调，从而获得待测信息。
因此，研制一种对于安装偏差不敏感的F-P腔结构在其真正应用上具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种安装偏差不敏感的低精细度F-P腔结构，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种低精细度F-P腔制备装置，其特征在于，包括：宽谱光源、2×1耦合器、扩束透镜、反射球、光谱仪；
所述2×1耦合器包括第一光纤尾纤输入端、第二光纤尾纤输入端、第一空间光输出端；所述第一光纤尾纤输入端与所述宽谱光源的输出端连接；所述第二光纤尾纤输入端与所述光谱仪连接；所述第一空间光输出端与所述扩束透镜连接；所述扩束透镜与所述反射球同轴放置。
可选的，所述2×1耦合器用于将宽谱光进行耦合后进入到扩束透镜，并经过所述反射球进行反射，经过所述扩束透镜后返回至所述2×1耦合器中进行输出。
可选的，所述扩束透镜用于将入射的激光进行扩束，获得激光束。
可选的，所述反射球用于将激光束反射回所述扩束透镜，进入2×1耦合器，在所述2×1耦合器空间光输出端和反射球之间形成F-P腔。
可选的，所述光谱仪用于获取经过F-P腔输出的光谱特性。
本发明还提供一种低精细度F-P腔制备方法，包括以下步骤：
宽谱光源发射宽谱光，所述宽谱光经过2×1耦合器进入扩束透镜，获得激光束；所述激光束由反射球反射回所述扩束透镜，进入2×1耦合器，在所述2×1耦合器空间光输出端和反射球之间形成F-P腔。
可选的，基于F-P腔的精细度理论公式，获得反射球的反射率；基于照射到反射球面上的平行光的半径，获得反射光的半径；基于所述反射光的半径，获得对应的反射球的半径；基于所述反射球的反射率、半径，将所述扩束透镜与所述反射球同轴放置，构建低精细度F-P腔。
可选的，所述激光束由反射球反射回所述扩束透镜后，经过2×1耦合器进入光谱仪；基于所述光谱仪，获取经过所述F-P腔的干涉谱，所述干涉谱为正弦曲线。
本发明具有以下突出优点和积极效果：
(1)设计合理，易于实现并集成；
(2)结构紧凑，体积小；
(3)避免传统F-P腔传感器在组装过程中要求两个反射镜平行；
(4)抗干扰能力强，可以有效地降低F-P腔的封装难度；
(5)减小系统元件数目，降低成本。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的低精细度F-P腔原理图；
其中，1-宽谱光源、2-2×1耦合器、3-扩束透镜、4-反射球、5-光谱仪；
图2为本发明实施例中的反射球的反射原理图；
图3为本发明实施例中的低精细度F-P腔光谱图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
本实施例中提供低精细度F-P腔的制备及方法，包括一个宽谱光源1，一个2×1耦合器2、一个扩束透镜3、一个反射球4，一个光谱仪5。
可实施的，宽谱光源1的输出端与一个2×1耦合器2的两个输入端任意一个端口耦合连接；2×1耦合器2有两个光纤尾纤输入端，1个空间光输出端，其输出端与扩束透镜3耦合；光谱仪5与2×1耦合器2的另一个输入端耦合连接；扩束透镜3与反射球4同轴放置。
可实施的，宽谱光源1为系统提供宽谱光。
可实施的，2×1耦合器2实现宽谱光从2×1耦合器2进入扩束透镜3后，经过F-P腔再次返回至2×1耦合器2，作为系统的输出端。
可实施的，扩束透镜3将激光扩束，使其传播性能更好。
可实施的，反射球4将激光束反射回扩束透镜3，在2×1耦合器2的空间光端面和反射球4之间形成F-P腔。
可实施的，光谱仪5用于观察F-P腔输出的光谱特性，在光谱仪5上可以观察到F-P腔形成的干涉谱，干涉谱为正弦曲线。
本实施例提出的一种低精细度F-P腔，不同于平面镜反射型F-P腔，本实施例采用球面反射，避免了透射光对系统的干扰，同时有效地降低了F-P腔的封装难度。
如图1所示，所述宽谱光源1的光场通过2×1耦合器2进入扩束透镜3进行准直，平行光照射到一个反射球4返回2×1耦合器2，此时在2×1耦合器2的空间端面和球体间就构成了一个F-P腔结构。
实现精细度为0.5的F-P腔，有两种实现方式，但无论哪一种方式，反射球4的反射率必须为0.02。第一种是扩束透镜型号已定，关键在于要把反射球4的反射率和半径求出来，具体的：
如图3所示，要想实现一个理想的干涉谱线，要求F-P腔对波长的响应曲线应接近正弦曲线，对应的精细度要求为0.5，根据F-P腔的精细度公式：
其中，r1和r2为F-P腔两个反射面的振幅反射系数，且都为实数，R1＝r1r1 *是2×1耦合器2空间光端面的反射率，约为0.04，因此
将r1＝0.2带入F-P腔的精细度公式可得：
计算可知r2＝0.12，当反射球4的反射率
时，F-P的精细度接近0.5。
反射球4的反射过程如图2所示，当一束平行光照射在球面时，从几何关系可以知道，对于张角为θ的球面，反射光的张角为2θ，设光学系统的接收角为α，则α≥2θ的光信号均可以被接收，即可被接收的光斑半径为
r也称为经过反射球4反射并且能够被扩束透镜3接收的光束的半径，其中R为反射球4的半径，设入射到反射球4的光束半径为r0，当反射球的反射率R2为0.02时，等同于经过反射球4的反射光束与入射到反射球4的光束的面积比为0.02，即
计算可知：r≈0.14r0，因此，在实际搭建本实施例的低精细度F-P腔体时，不同型号的扩束透镜3对应不同的接收角α和出射光的半径r，当选定了扩束透镜3时，接收角α和出射光的半径r则为已知参数，计算可得：
最终带入公式：
可获得反射球4的半径要求，再结合上述推导求得的反射球4的反射率R2≈0.02，即可设计相应的反射球，进而搭建系统实现低精细度为0.5的F-P腔体。
第二种是反射球4的半径已定，关键在于设计扩束透镜3，上述具体实施步骤里说明了本实施例搭建F-P腔的过程，根据理论公式可知，想要实现低精细度0.5的F-P腔，反射球4的反射率需满足0.02，上述过程是把扩束透镜3的接收角和出射光的半径当成已知参量，求得反射球4的半径要求，但是基于本实施例，当把反射球4的半径当成已知参量时，由公式
可知，最终可选取符合上述等式成立的扩束透镜3型号，因此，无论反射球的半径已知，还是扩束透镜的接收角和出射光的半径已知，都能够实现低精细度0.5的F-P腔。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种低精细度F-P腔制备装置，其特征在于，包括：宽谱光源(1)、2×1耦合器(2)、扩束透镜(3)、反射球(4)、光谱仪(5)；
所述2×1耦合器(2)包括第一光纤尾纤输入端、第二光纤尾纤输入端、第一空间光输出端；所述第一光纤尾纤输入端与所述宽谱光源(1)的输出端连接；所述第二光纤尾纤输入端与所述光谱仪(5)连接；所述第一空间光输出端与所述扩束透镜(3)连接；所述扩束透镜(3)与所述反射球(4)同轴放置。
2.根据权利要求1所述的低精细度F-P腔制备装置，其特征在于，
所述2×1耦合器(2)用于将宽谱光进行耦合后进入到扩束透镜(3)，并经过所述反射球(4)进行反射，经过所述扩束透镜(3)后返回至所述2×1耦合器(2)中进行输出。
3.根据权利要求1所述的低精细度F-P腔制备装置，其特征在于，
所述扩束透镜(3)用于将入射的激光进行扩束，获得激光束。
4.根据权利要求1所述的低精细度F-P腔制备装置，其特征在于，
所述反射球(4)用于将激光束反射回所述扩束透镜(3)，经过所述扩束透镜(3)后返回至所述2×1耦合器(2)中，并在所述2×1耦合器(2)的第一空间光输出端和反射球(4)之间形成F-P腔。
5.根据权利要求1所述的低精细度F-P腔制备装置，其特征在于，
所述光谱仪(5)用于获取经过F-P腔输出的光谱特性。
6.一种低精细度F-P腔制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
宽谱光源(1)发射宽谱光，所述宽谱光经过2×1耦合器(2)进入扩束透镜(3)，获得激光束；所述激光束由反射球(4)反射回所述扩束透镜(3)；经过所述扩束透镜(3)后返回至所述2×1耦合器(2)中，并在所述2×1耦合器(2)的第一空间光输出端和反射球(4)之间形成F-P腔。
7.根据权利要求6所述的低精细度F-P腔制备方法，其特征在于，
基于F-P腔的精细度理论公式，获得反射球(4)的反射率；基于照射到反射球面上的平行光的半径，获得反射光的半径；基于所述反射光的半径，获得对应的反射球(4)的半径；基于所述反射球(4)的反射率、半径，将所述扩束透镜(3)与所述反射球(4)同轴放置，构建低精细度F-P腔。
8.根据权利要求6所述的低精细度F-P腔制备方法，其特征在于，
所述激光束由反射球(4)反射回所述扩束透镜(3)后，经过2×1耦合器(2)进入光谱仪(5)；基于所述光谱仪(5)，获取经过所述F-P腔的干涉谱，所述干涉谱为正弦曲线。
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