光纤F-P传感器偏振互相关解调中光楔参数的影响研究

对光纤法布里-珀罗(F-P)腔长偏振互相关解调法中的双折射光楔进行了理论和实验研究,建立了双折射光楔对干涉光程差影响的数学模型,并进行了数值仿真。仿真结果表明,当楔角为4°时,要保证楔面内任意点处的光程误差在15nm以内,入射角应小于0.3°,光楔光轴倾斜应小于0.8°,楔面垂直度误差应小于0.15°。采用光楔进行了偏振光干涉实验,实验干涉条纹与理论条纹基本一致,实验干涉条纹的倾斜度与理论倾斜度相差0.02°。     

共焦法布里-珀罗干涉显微测头光学特性分析

根据纳米计量分辨力的要求,设计一套共焦法布里-珀罗(F-P)干涉显微测头。系统光源采用保偏光纤直接导入,从F-P腔外入射。光路设计成便于减小光学共模噪音的差动形式。通过建立模型分析系统光学特性,得出反射平板的最佳反射率以及共焦结构对干涉条纹的影响。实验验证表明反射平板反射率为40%时可以使系统得到对比度高,信噪比好的干涉条纹;针孔光阑可以方便寻找测量透镜的焦点和减小杂散光的噪音;系统轴向分辨力达到0.2nm。     

变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉腔反射率确定方法

变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉光谱成像系统获取的干涉条纹承载着目标重要的干涉信息,其正弦性的好坏和调制度的高低直接影响了目标干涉信息的提取。而变间隙法布里-珀罗(F-P)干涉腔材料的反射率值是变间隙F-P干涉光谱成像系统的重要性能参数。为提高变间隙F-P干涉光谱成像系统整个系统的性能,从系统干涉条纹的正弦性和调制度两方面约束了变间隙F-P干涉腔反射率值的选取。文中分别建立了干涉条纹正弦性和调制度与变间隙F-P干涉腔材料反射率之间的数学关系,并给出合理地目标函数,以确保干涉条纹正弦性和调制度同时达到相对最佳值时,变间隙F-P干涉腔材料的反射率最佳。此外,搭建了长波红外变间隙F-P干涉式光谱成像系统,采用测量聚丙烯薄膜的光谱透过率实验验证了上述理论分析的正确性。     

显微光波干涉仪显示物体表面轮廓

在弗吉尼亚理工学院和州立大学 ,研究人员建造了一台光纤杨氏双孔干涉仪用作三维显微光波干涉仪 ,并在建造过程中发现精确均衡两根光纤产生稳定的零级干涉条纹的方法。在干涉仪中 ,光纤耦合器将光均等地分给两段单模光纤 ,两根光纤的输出端放置被照亮的三维物体。当成像到 CCD摄像机上时 ,物体上产生的干涉条纹花样给出物体的表面轮廓信息。通过需要知道零级条纹位置的相位展开算法消除了干涉条纹花样中的相位不确定性。为了找到零级条纹 ,两种波长的光—— 6 33nm 和 830nm——被连续地投射通过干涉仪 ,如果光程等长 ,不移动的条纹就是零…     

基于光纤光栅F—P腔的相位跟踪系统

在对光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的反射光谱特性进行理论分析的基础上,建立了一种基于弱反射率、长腔长光纤光栅F-P腔的新颖传感系统,并提出了一种适用于该系统的有效解调方法-相位跟踪解调.相位跟踪系统的原理是利用光纤布喇格光栅(FBG)反射波长的漂移特性来测量干涉条纹的数目.用数字跟踪器与条纹积分信号保持相位的平衡,而条纹的积分信号是通过宽带超发光二极管(SLD)的波长调制得到的.实验表明,这种新颖的传感系统可实现应变的精确测量,且这种相位解调方法可应用于其他的干涉系统中,具有很高的可靠性.     

对F-P腔式气体光纤传感器信号解调方法的研究

研究了一种新型的基于法-珀(F-P)腔式气体光纤传感器信号解调的方法。应用F-P腔的多光束干涉原理和气体吸收的朗-比定律建立起检测的数学模型,在理论上设计了其信号的解调方法,模拟分析了有效光程对待测气体浓度的影响及影响该方法检测精度的因素,从模拟结果分析了如何选择腔长的变化范围以确保频率间隔适用于实际测量。该法可在生物检测、航空航天、环境监测等许多领域中广泛应用。     

干涉条纹空间频率对数字叠栅移相干涉测量精度的影响

基于数字叠栅移相干涉原理,分析了CCD像元尺寸、随机噪声和量化误差对采样后干涉条纹和合成叠栅条纹对比度的影响,并就干涉条纹频率对叠栅移相干涉相位测量精度的影响进行了理论分析和仿真研究。结果表明,随着干涉条纹空间频率的增大,CCD的采样过程、随机噪声和量化噪声会影响叠栅条纹信号的对比度和信噪比,并通过相位解算过程直接影响数字叠栅移相干涉的相位测量精度。以相位测量精度为π/50(折合光程差精度为λ/100)作为判断标准,对应可探测干涉条纹的最大空间频率为0.45λ/pixel,为后续数字叠栅移相干涉测量范围的研究提供了定量理论依据。     

光纤F-P腔与FBG复用传感器精确解调方法研究

建立了基于光纤Fabry-Perot(F-P)腔与光纤Bragg光栅(FBG)串联复用结构传感器的解复用数学模型,分析了串联复用中FBG与F-P腔光谱的叠加对各自解调的影响,得到了分离FBG与F-P腔光谱的方法,从而实现双参数测量高精度解调的目的,并采用基于扫描激光器的波长查询系统验证了该方法的有效性。实验结果表明,该解调方法可以消除串联复用时光纤F-P腔与FBG间的交叉干扰,光纤F-P腔的解调数据最大离散值小于0.2nm,FBG峰值反射波长测量数据最大离散值小于0.7pm。     

基于稀疏快速傅里叶变换的光纤F-P传感器腔长解调方法

因光纤法布里-珀罗(F-P)传感器的干涉光信号频谱具有稀疏性,求解腔长时,传统的快速傅里叶变换(FFT)算法需要计算整个频率范围内的频谱成分,计算速度较慢。稀疏快速傅里叶变换(SFFT)算法只需计算干涉光信号的主要频谱成分,通过频谱重排、窗函数滤波、频域降采样,以及循环定位与估值,能快速地计算出信号频谱中K个极大的傅里叶系数,从中找出腔长对应的频率,解调出腔长。该算法结构简单,时间复杂度低。通过分析光纤FP传感器腔长解调系统的实际干涉光信号,验证解调结果的准确性,以及相比FFT算法的高效性。因此,SFFT算法适用于对光纤F-P传感器腔长进行在线实时解调,以实时测量物理量。     

基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统研究

阐述了利用可调谐法布里-珀罗腔建立的F-P腔解调系统模型和通过检测F-P腔的相关参数来获得所测参变量的方法。并在此基础上，给出了基于单片机AT89C52的光纤Bragg光栅解调系统的设计方案及其软硬件设计方法。     

法布里-珀罗环转线系统的测风激光雷达技术与数值仿真

设计了基于法布里-珀罗(F-P)条纹技术的非相干多普勒测风激光雷达系统,采用环转线干涉仪光学系统(CLIO)将F-P形成的环状条纹转换成线性条纹成像到具有高量子效率的CCD探测器上进行检测,克服了环状条纹与传统阵列式探测器不匹配的缺点并改善了探测系统的信噪比。采用光学设计软件ZEMAX对该系统进行了光学设计和数值仿真,得到了用于反演风速的不同波长干涉条纹图样,并对重心法和Voigt函数拟合法两种主要的风速反演方法进行了对比讨论。结果表明:用Voigt函数拟合法反演风速误差较小,获得风速在20 m/s时的误差小于0.5 m/s,验证了该系统的设计及数据反演算法的可行性,为测风激光雷达的进一步研制提供了理论依据。     

短相干光源偏振移相Fizeau干涉仪的实验研究

研究了一种偏振移相Fizeau干涉仪,以中心波长为650nm的多纵模半导体激光器作为光源,利用光源短相干特性和一套偏振延迟装置分出一对偏振方向正交参考光和测试光,采用巴比列-索列尔补偿器作为偏振移相器,采集四幅移相干涉图按照传统移相算法图,测试了一块平行平板的前表面面形。PV值为0.0682λ,RMS值为0.0127λ。该方法的优点是移相精度高,移相时无须推动参考镜,可适用于大口径系统的干涉测试,同时消除了多表面干涉杂散条纹的影响。     

径向基函数神经网络在光纤法布里-珀罗传感器解调中的应用

提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络的光纤法布里一珀罗传感器解调方法.从理论上分析了该方法的解调原理.从干涉谱中提取特征值,利用干涉谱的特征值和腔长作为训练集,对RBF网络进行训练,训练好的网络就可以实现预测腔长的功能.在测量范围为0～2 MPa的法布里-珀罗(F-P)腔MEMS压力传感器进行的解调实验中,该算法可以辨别0.1 MPa的压力,腔长与压力数据的拟合度为0.98858.仿真计算得出,该方法解调出的腔长的相对误差达到0.02%,腔长的最大绝对误差小于0.1μm.实验结果表明,神经网络方法可以达到较高的精度,满足实际需求.     

用于液晶盒表面面形检测的短相干载频干涉方法

液晶盒表面面形的质量会影响空间光调制器的性能。为了精确测量液晶盒表面面形,提出了短相干载频干涉方法。利用短相干扩展光源进行照明,产生的参考光和测试光之间形成定域干涉,通过控制参考面和液晶盒表面之间的倾角,引入合适的载频,得到待测载频干涉条纹;同时空液晶盒空气层上下表面干涉,形成背景干扰条纹,从而在CCD相机中采集到混叠有一组干扰条纹的单幅载频干涉图。通过空间傅里叶变换方法滤除背景和干扰条纹的频率信息,提取并恢复待测条纹包含的面形数据。实验检测了两块玻璃基片错位粘合制成的液晶盒表面面形,解算出波面峰谷值PV为8.286λ,波面均方根值RMS为1.782λ。使用该方法和ZYGO干涉仪进行的对比实验中PV值和RMS值分别相差0.023λ和0.004λ,两种测量方法得到的结果一致。该方法能够克服多表面干涉的问题,实现液晶盒表面面形的精确测量。     

非本征F-P干涉仪式光纤触觉传感器的研究

基于法布里-珀罗(F-P)干涉原理,设计制作了具有核磁共振成像(MRI)兼容能力的光纤非本征F-P干涉仪(EFPI)结构的触觉传感器。在整个光纤触觉传感系统中,利用螺旋微控装置对传感器施加力,通过光谱分析(OSA)测量干涉光谱,利用交叉相关解调技术解调出传感器腔长,同时由FS20系列力传感器进行标定。对传感器的性能指标进行了分析,本文传感器的测量范围为0～3N,测量分辨率为0.02nm,多次测量结果显示和理论的吻合度较高。     

高灵敏度的多波长多光束干涉仪

作者用多纵模He-Ne激光照明多光束Fabry-Perot或Fizeau干涉仪,在一个自由光谱范围内,形成与不同波长对应的子条纹,相邻条纹间的间隔代表的波长数依赖于He-Ne激光腔的光学长度npL与F-P腔长nd之比r=nd/npL.当r是整数时,不同波长对应的相邻干涉级次相互重叠,条纹间隔为λ/2且强度最大;当r是分数时,r=N/M,N,M为互质的整数,相邻条纹之间间隔为λ/2M.不难做到M=10,条纹间隔为K/20.由于多光束干涉条纹细而锐,有利于读数精度提高,可以测量λ/500的程差变化,不需内插就可以给出空间分布的足够信息.这对光学元件的高精度面形检验及低密度流场显示有实际的应用前景.给出了应用的若干例子.     

利用白光干涉垂直扫描法测量波片延迟量

将白光偏振干涉、迈克耳孙干涉仪和垂直扫描系统相结合,提出了一种利用白光干涉垂直扫描测量波片延迟量(包括级次信息)的方法。准直的白光经偏振干涉系统形成两束偏振方向相同的线偏光,它们进入迈克耳孙干涉仪后分别被两干涉臂的平面镜反射形成四束光,在压电传感器(PZT)驱动干涉仪动镜垂直扫描的过程中,它们两两干涉,形成3组白光干涉包络。根据CCD各像素记录的白光干涉信号,计算白光干涉包络之间的光程差,即可获取被测延迟量。实验测量了一多级波片的延迟量,其结果(4268.1nm)与使用光谱扫描法测量得到的结果(4269.9nm)相吻合。     

波长解调用偏振无关光纤干涉仪的研究

针对光纤激光传感器信号解调过程中,干涉仪输出干涉条纹可见度受输入光偏振态变化以及两臂单模光纤双折射效应的影响,介绍了一种简单的光纤干涉仪消除偏振衰落技术,通过在Michelson光纤干涉仪上加两个法拉第旋转镜来提高输出条纹可见度。使用琼斯矩阵法对干涉仪系统进行理论计算,证明法拉第旋转镜旋转角度在理想的45°附近时能达到很好的消偏振效果,并通过实验进行了有效地论证。     

高消光比测试系统衰减器的研究

为了提高消光比测试系统的测试精确度,利用偏振干涉原理研究设计了一种用于此系统的衰减器,并对它的工作机理进行了详细分析。此衰减器主要包括3个偏光棱镜,1个λ/4波片(632.8nm),两个步近电机。它可以对光强度进行连续调节,其调节范围在0~60dB之间,插入损耗小于1.5dB,消除了以往更换固定衰减量的衰减器带来的误差。此光衰减器用在高消光比测试系统中可以得到优于10-7量级的消光比,它不仅可以用于高消光比测试系统,同样可用于其它光学测试系统。当用消色差波片代替λ/4波片时,它能对多种波长的光进行衰减,扩大测试系统对光谱区的使用范围。     

一种用于海洋温度快速测量的光纤法布里-珀罗温度传感器

为满足海水温度高精度快速测量的需求,提出了一种基于光纤法布里-珀罗(F-P)传感器的温度传感方案。该传感器由硅片和光纤尾纤组成,硅片作为光纤F-P传感器F-P腔的腔体,利用硅的热光效应和热膨胀效应实现温度的传感。采用基于二分法的交叉相关快速解调算法对光纤F-P传感器进行高精度的快速解调。对制作的光纤F-P温度传感器进行测试,结果表明:该传感器可达到0.15℃的温度测量精度,可分辨0.001℃的温度变化,温度响应时间可达到128ms。该传感器有望在投弃式测量领域得到应用。