CN1584507A

CN1584507A - 一种用于光纤传感的新型法布里－珀罗腔结构

Info

Publication number: CN1584507A
Application number: CN 200410027445
Authority: CN
Inventors: 江绍基; 朱析; 汪河洲; 刘文杰
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: CN1323286C

Abstract

本发明涉及光纤传感器技术领域，更具体地说是一种用于光纤传感的光纤法布里—珀罗干涉仪的结构。其发明目的在于解决现有技术中的难题，为光纤传感器技术提供一种新的法布里—珀罗干涉仪结构，从而得到提高干涉对比度，扩展动态范围，提高测量灵敏度的效果。运用光学干涉原理设计了一种用于传感测量的新的FP干涉仪，基本结构为：在光纤端面镀上两层薄金属膜，其中，一层为折射率和吸光系数接近的金属，例如铬，镍，镍铬合金等，另一层为折射率远小于吸光系数的金属，例如，金，银，铜，铝等，与另一金属高反镜中间夹有一空气层或其他介质层，形成一个非本征的FP光纤干涉仪。

Description

一种用于光纤传感的新型法布里—珀罗腔结构

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，更具体的说是一种用于光纤传感的光纤法布里—珀罗干涉仪的结构。

技术背景

光纤传感器以其固有的优点在各个领域获得了广泛的应用。最常用的调制方法是光强度调制和相位调制两种方法。利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。相位调制的传感器需要将光相位信号转换成相应的光强信号，这工作由干涉仪完成。常用的光纤干涉仪有迈克尔逊干涉仪，马赫—泽德干涉仪，萨格奈克干涉仪，法布里—珀罗(F-P)干涉仪。其中，法布里—珀罗干涉仪基于多光束干涉，可有效消除光纤由于应变，温度等造成的相位噪声的影响，具有很高的灵敏度，被广泛用于多种物理量的测量，例如温度，应力，压力，振动等。

现有的法布里—珀罗干涉仪的基本结构是有两个反射镜夹着一个介质层形成，图2为现有技术中法布里—珀罗干涉仪测量结果的光强对相位的响应曲线图。外界传感量通过改变介质层的参数，使得光波在法布里—珀罗干涉仪的相位发生改变，通过测量干涉仪的透射或反射光强，就可得到待测传感量，光强对相位的响应曲线是周期为π的函数，其图形如图2所示。目前常用的法布里—珀罗干涉仪，在一个周期内，上升段和下降段曲线是对称的，而且线性区很窄。这些都限制了FP光纤传感器的测量范围和灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的难题，为光纤传感器技术提供一种新的法布里—珀罗干涉仪结构，从而得到提高干涉对比度，扩展动态范围，提高测量灵敏度的效果。

本发明运用光学干涉原理设计了一种用于传感测量的新的法布里—珀罗干涉仪，基本结构为：在光纤端面镀上两层薄金属膜，与另一金属高反镜中间夹有一空气层或其他介质层，形成一个非本征的法布里—珀罗干光纤干涉仪，其结构如图1所示。当外界传感量改变介质层的光程时，将会改变光纤的反射光强。可采用光学干涉薄膜理论对其进行分析，得到反射率与法布里—珀罗干涉仪介质层的相位厚度的近似表达式。并根据该表达式，方便的设计出法布里—珀罗干涉仪的结构参数，从而获得提高干涉对比度，扩展动态范围，提高测量灵敏度的效果。

当法布里—珀罗腔的中间的介质层较薄时，我们可以把该系统看作一个多层膜系统，采用光学干涉薄膜理论对其进行研究。这时，光纤可看作是入射介质，高反金属镜可看作出射介质，光纤端面上镀制的多层金属膜和中间的介质层共同组成一个多层膜系，其中介质层的光程由外界传感量调制，通过研究反射率与介质层的参数的关系，就可得到传感器的响应关系。由于实际使用时，通常调制量为介质层的厚度，主要研究反射率与介质层的相位厚度的关系。该膜系可表示为：

G|M₁M₂L|M_g其中，G为入射介质，这里是光纤，主要为SiO2，折射率为n₀，Mg为出射介质，复折射率为N_g，M₁、M₂为光纤端面上的第一、第二金属膜，复折射率为N₁、N₂，厚度为d₁、d₂，L为介质介质层，折射率为n_m，厚度为d_m。

考虑光纤出射的光为垂直入射膜系时，系统的干涉矩阵可表示为：

A_{1} = [\begin{matrix} \cos δ_{1} & j \sin δ_{1} / N_{1} \\ j N_{1} \sin δ_{1} & \cos δ_{1} \end{matrix}] - - - (1)

A_{2} = [\begin{matrix} \cos δ_{2} & j \sin δ_{2} / N_{2} \\ j N_{2} \sin δ_{2} & \cos δ_{2} \end{matrix}] - - - (2)

A_{m} = [\begin{matrix} \cos δ_{m} & j \sin δ_{m} / n_{m} \\ {jn}_{m} \sin δ_{m} & \cos δ_{m} \end{matrix}] - - - (3)

其中N_i＝n_i-jk_i，δ_i＝2πd_i/λ，N_i为各层的复折射率，n_i为各层的折射率，k_i为各层的消光系数，d_i为各层的厚度。

等效导纳

Y = \frac{C}{B} = y_{1} + {jy}_{2}

膜系的振幅反射系数

r = \frac{n_{0} - Y}{n_{0} + Y} = r_{1} + r_{2},

能量反射率

R = r \cdot r^{*} = r_{1}^{2} + r_{2}^{2} .

经过合理的简化和推导，可得到反射率的表达式为：

R = 1 - \frac{{8 n}_{0} k_{1} F_{1}}{{(n_{0} + 2 k_{1} F_{1})}^{2} + {(k_{2} F_{2} - c_{2} / c_{1})}^{2}},

c_{1} = \cos δ_{m} + \frac{k_{g} \sin δ_{m}}{n_{m}}

c₂＝n_msinδ_m-k_gcosδ_m

对其进行分析可知，R-δm曲线是周期为π的函数，R在1和0之间变化，在一个周期内有一个极大值和极小值。反射率的极小值由第一金属膜的参数：折射率、消光系数和厚度决定。极大值的大小主要由高反镜的反射率决定。极大值的位置由干涉仪的高反镜和介质层的材料参数：折射率和消光系数决定。极小值的位置由第二金属膜、介质层和高反镜的参数：折射率、消光系数和厚度决定。

对于传感应用，总是希望有高的干涉对比度和高的测量范围。在设计过程中，可以通过调整各层材料和几何参数来实现该目的。通过调节第一层的金属膜的厚度可使得最小值R＝0，通过提高高反镜的反射率提高最大值，获得最高的对比度。要提高传感器的测量范围，可以增加单调区间。在一个周期内，如果压缩上升区间，那么相应地下降区间就会增大，反之亦然。这可以通过改变极值点的位置来实现。极大值的位置由干涉仪的高反镜和介质层的材料参数决定，可调整的范围很小，极小值的位置由光纤上第二金属膜，介质介质层，高反镜的参数决定，可以通过调节第二金属膜的厚度，改变极小值的位置，使之接近极大值，从而改变单调区间的大小，同时在各单调区间内，曲线的线性度也相应提高。通过选取合适的参数，可使单调下降区间接近π。

本发明主要通过一下技术方案来实现其发明目的：

本发明为一种用于光纤传感的新型法布里—珀罗腔结构，包括光纤、金属膜层、介质层和金属高反镜，光纤的一端与金属高反镜相对，两者中间隔有介质层，金属膜层镀于光纤上述端的端面上，金属层由第一金属膜和第二金属膜构成。所述第一金属膜为折射率和吸光系数接近的金属，折射率和吸光系数的差的绝对值小于1，可以采用的材料为铬，镍，镧，钯或至少上述两种金属的合金。第二金属膜为折射率远小于吸光系数的金属，吸光系数为折射率的10倍以上，可以采用材料为金，银，铜，铝或至少上述两种金属的合金。所述的介质层为空气介质层。

本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：

1.本发明提高了光纤传感感应器的干涉对比度，扩展动态范围，提高测量灵敏度的效果；

2.计算简单，可以根据最终关系式来调节金属层的各个参数，以达到最佳的测量效果；

3.适用范围广，可以选用多种金属及其合金来制作第一、第二金属膜，并且可以根据各个层的性质参数不同来调节最佳效果；

4.结构简单，制作成本底。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为现有技术中法布里—珀罗干涉仪测量结果的光强对相位响应曲线图；

图3为本发明实施例1测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图4为本发明实施例2测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图5为本发明实施例3测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图6为本发明实施例4测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图7为本发明实施例5测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图8为本发明实施例6测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图9为本发明实施例7测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图10为本发明实施例8测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图11为本发明实施例9测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图12为本发明实施例10测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图13为本发明实施例11测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图14为本发明实施例12测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图15为本发明实施例13测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图16为本发明实施例14测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图17为本发明实施例15测量结果的光强对相位的响应曲线图；

图18为本发明实施例16测量结果的光强对相位的响应曲线图。

具体实施方式

本发明为一种用于传感测量的新的法布里—珀罗干涉仪，基本结构如图1所示，包括光纤1、金属膜层2、介质层3和金属高反镜4，光纤1的一端与金属高反镜4相对，两者中间隔有介质层3，金属膜层2镀于光纤1上述端的端面上，上述金属层2由第一金属膜21和第二金属膜22构成，第一金属膜21为折射率和吸光系数接近的金属，一般采用铬，镍，镧，钯或至少上述两种金属的合金，第二金属膜22为折射率远小于吸光系数的金属，一般采用金，银，铜或铝等金属，介质层3为空气介质层。

实施例1

第一金属膜为Cr，复折射率N1＝3.5-3.5j，厚度d1＝10nm；第二金属膜为Cu，复折射率N2＝0.2-6.27j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图3所示，对比图1和图3可知，图3可以同时具备干涉对比度高和动态范围广两个特点，由此达到提高测量灵敏度的效果。

实施例2

第一金属膜为Cr，复折射率N1＝3.5-3.5j，厚度d1＝10nm；第二金属膜为Au，复折射率N2＝0.58-6.65j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图4所示，其结果与实施例1相似。

实施例3

第一金属膜为Cr，复折射率N1＝3.5-3.5j，厚度d1＝5nm；第二金属膜为Al，复折射率N2＝1.78-8.53j，厚度d2＝6nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图5所示，其结果与实施例1相似。

实施例4

第一金属膜为Cr，复折射率N1＝3.5-3.5j，厚度d1＝10nm；第二金属膜为Ag，复折射率N2＝0.11-6.56j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图6所示，其结果与实施例1相似。

实施例5

第一金属膜为La，复折射率N1＝1.79-1.91j，厚度d1＝35nm；第二金属膜为Cu，复折射率N2＝0.2-6.27j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图7所示，其结果与实施例1相似。

实施例6

第一金属膜为La，复折射率N1＝1.79-1.91j，厚度d1＝35nm；第二金属膜为Au，复折射率N2＝0.58-6.65j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图8所示，其结果与实施例1相似。

实施例7

第一金属膜为La，复折射率N1＝1.79-1.91j，厚度d1＝20nm；第二金属膜为Al，复折射率N2＝1.78-8.53j，厚度d2＝5nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图9所示，其结果与实施例1相似。

实施例8

第一金属膜为La，复折射率N1＝1.79-1.91j，厚度d1＝30nm；第二金属膜为Ag，复折射率N2＝0.11-6.56j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图10所示，其结果与实施例1相似。

实施例9

第一金属膜为Ni，复折射率N1＝1.79-1.86j，厚度d1＝35nm；第二金属膜为Cu，复折射率N2＝0.2-6.27j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图11所示，其结果与实施例1相似。

实施例10

第一金属膜为Ni，复折射率N1＝1.79-1.86j，厚度d1＝20nm；第二金属膜为Al，复折射率N2＝1.78-8.53j，厚度d2＝5nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图12所示，其结果与实施例1相似。

实施例11

第一金属膜为Ni，复折射率N1＝1.79-1.86j，厚度d1＝35nm；第二金属膜为Au，复折射率N2＝0.58-6.65j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图13所示，其结果与实施例1相似。

实施例12

第一金属膜为Ni，复折射率N1＝1.79-1.86j，厚度d1＝35nm；第二金属膜为Ag，复折射率N2＝0.11-6.56j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图14所示，其结果与实施例1相似。

实施例13

第一金属膜为Pd，复折射率N1＝1.92-1.31j，厚度d1＝45nm；第二金属膜为Cu，复折射率N2＝0.2-6.27j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图15所示，其结果与实施例1相似。

实施例14

第一金属膜为Pd，复折射率N1＝1.92-1.31j，厚度d1＝45nm；第二金属膜为Au，复折射率N2＝0.58-6.65j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图16所示，其结果与实施例1相似。

实施例15

第一金属膜为Pd，复折射率N1＝1.92-1.31j，厚度d1＝25nm；第二金属膜为Al，复折射率N2＝1.78-8.53j，厚度d2＝5nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图17所示，其结果与实施例1相似。

实施例16

第一金属膜为Pd，复折射率N1＝1.92-1.31j，厚度d1＝45nm；第二金属膜为Ag，复折射率N2＝0.11-6.56j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的响应曲线图如图18所示，其结果与实施例1相似。

Claims

1.一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，包括光纤(1)、金属膜层(2)、介质层(3)和金属高反镜(4)，光纤(1)的一端与金属高反镜(4)相对，两者中间隔有介质层(3)，金属膜层(2)镀于光纤(1)上述端的端面上，其特征是上述金属层(2)由第一金属膜(21)和第二金属膜(22)构成。

2.根据权利要求1所述的一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，其特征是所述第一金属膜(21)为折射率和吸光系数接近的金属，第二金属膜(22)为折射率远小于吸光系数的金属。

3.根据权利要求2所述的一种用于光纤传感的新型法布里一珀罗腔结构，其特征是所述第一金属膜(21)折射率和吸光系数的差的绝对值小于1。

4.根据权利要求2所述的一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，其特征是第二金属膜(22)的吸光系数为折射率的10倍以上。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，其特征是所述第一金属膜(21)的材料为铬，镍，镧，钯或至少上述两种金属的合金。

6.根据权利要求1或2或4所述的一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，其特征是所述第二金属膜(22)的材料为金，银，铜，铝或至少上述两种金属的合金。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，其特征是所述的介质层(3)为空气介质层。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，其特征是第一金属膜(21)的厚度为5～50nm。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，其特征是第二金属膜(22)的厚度为3～15nm。