F-P 腔的调节

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F—P腔的激光稳频技术探讨

F—P腔的激光稳频技术探讨作者：史国庆来源：《市场周刊·市场版》2017年第20期摘要：光电子半导体的发展。

半导体激光器凭借着工作效率高，整体结构简单，工作寿命长，机械强度高，光谱范围宽，可与常用探测器相匹配，成本低的特点被大量的应用在通信领域，航天领域，谱线分析领域。

频率的稳定度的成为了衡量半导体激光器发展的层次。

基于F-P腔的半导体激光器能够拥有较强的稳定性和精度，在一定条件下还具有较强的抗干扰能力，使它具有更广阔的发展空间和发展前景。

在此基础上，运用了PDH技术建立了PDH模型，特别的时针对F-P腔的一系列问题进行研究，充分了解到了激光器的主要是受温度和电流的影响很大，并且分析了在不同的条件下，在稳频的状态的时候，半导体激光器的影响和反应。

关键词：F-P腔；半导体激光器；PDH稳频技术一、绪论（一）稳频技术研究状况稳频技术的原理是为了维持穿过谐振腔光程长度的稳定性，稳频技术主要分为被动稳频和主动稳频。

通过调节F-P腔的腔长长度，使激光重新恢复到稳定的频率上去，从而达到稳频的目的。

稳频技术有饱和吸收法；原子光谱Zeeman效应吸收法；相位调制光外差稳频。

（二）F-P腔的优点及研究现状外腔光反馈元件主要有光栅和F-P腔。

光栅光稳定性较差。

而F-P标准具光反馈稳定性能好，结构简单，可以保证激光器的输出波长始终稳定在系统的中心频率上，并且不会出现频率漂移问题。

F-P腔的优点也不是十全十美的，短期稳定性较低。

所以，要采用一些方法抑制其他因素的扰动诱发的频率漂移，才能尽可能的使激光器得到稳定。

因此半导体激光器的频率是关键，有一种是基于光学元件的稳频，这种电子元件的名字叫做F-P腔，它可以不受波段的限制，成为半导体激光器稳频的主要措施，结合F-P腔的这种特点用来把半导体激光器的稳频恰到好处。

（三）半导体激光器的基本特性半导体激光器主要分为三个部分一部分是激光管，一部分是驱动电源，最后一部分是准直支架三大部分构成半导体激光器产生激光需要适应基本的三个条件：（1）粒子数反转。

F-P可调谐滤波器

DSP系统构成的驱动和采集电路
光电探测器 I∕V转换电路
放大、滤波电路
37
F-P滤波器在传感解调中的应用
本方法总结：
基于光纤F - P滤波器的FBG传感解调系统不仅具有体积小、价格低、光能利用率高、操作简单等优势,而且可以直接输出对应于波长变化的电信号,实现准确的多点同时测量,因此是目前最具发展前景且实用性较好的解调方法。随着研究的不断深入,光纤光栅解调系统会向着实用性更强的方向发展。该解调方案还有待于进一步完善来提高其解调精度和速度以达到更好的解调效果。
29
液晶光调谐滤波器
当3Uth < U 时，指向矢方向与外加电场方向基本平行，液晶F-P滤波器光学特性与偏振无关，此时o 光e 光有相同的谐振波长.
此滤波器可用作WDMA 光网络系统中的信号解调器，可调谐激光器中的调谐元件，还可以用于光谱成像系统中进行目标识别。
30
波导FP 滤波器
在抛光后的波导两端镀上高反膜，通过在波导上加电压由电光效应来调节滤波器的中心波长。由于它利用的是电光效应，调节速度可达至ns级。
32
可调谐滤波器性能比较
33
可调谐F-P滤波器的应用
在可调谐光滤波器的众多技术方案中，目前商用化的可调谐滤波器主要基于三种技术：光纤FP技术(Micron Optics 公司)，MEMS-FP技术(NP Photonics公司)和线性可变滤波片LVF技术(Santec公司等)，国内尚无产品推出，基本依赖进口。
纤集成，光谱分辨率较高，条纹细度极高结构灵活，成本低，可做成不同结构来满足各种自由
光谱区的需求
6
F-P干涉仪的结构和工作原理
利用两个平行放置的介质平板构成一个平-平腔，介质板内表面镀高反射膜，形成两个反射镜面。

F-P腔的调节解读讲课讲稿

F-P腔的调节解读
一、F-P腔的工作原理 F-P腔（Fabry-perot Cavity）是一种利用多光束干涉现象来工作的装置
图1 多光束干涉示意图
如图1,一束光0入射到一上下表面平行的薄膜上, 它将产生一系列的反射光束1,2,3,…,和一系列的透射光束1’,2’,3’,…
令r和t分别代表光从膜外到膜内的振幅反射率和透射率,
矩的影响,有的光谱线分裂成几条十分接近的谱线,这叫做光谱线的超精细结构.设想入射光中包含两个十分接近的波长λ和λ=λ+δλ.它们产生的等倾干涉条纹有稍微不同的半径. 如果每根干涉条纹的宽度较大,则两个波长的干涉条纹就会重叠在一起无法分辨.经F-P腔后干涉条纹的细锐对提高谱线分辨率本领是极为有利的因素.
三、F-P腔的调节
F-P腔对光路的要求非常严格,它要求光能够从它的两面反射镜的中心准确地通过,所以对光路的调节要求非常精确.不能使光路有左右或上下的一丁点的偏差.光路的调节如下图5所示:
图5 F-P腔光路的调节
实验操作步骤如下:
（1）首先要对光路进行初步的调节，用两个光阑b1和b2 来准直光路,使光路达到F-P腔的高度153mm。实验中激光的输出光的高度大约为147mm，因此需借助两个的全反镜 M1和M2结合两个光阑来达到所需高度。
四、F-P腔在光学实验中的应用
1 F-P腔在光谱学中的应用
(1) 提高单色性将一非单色光输入F-P腔之后得到的输出曲线
图,频率是等间隔的,每条单模的谱线宽度随R和H的增大而减小,即F-P腔对输入的非单色光起挑选波长, 压窄线宽,从而提高单色性的作用.这点在激光技术中得到重要的应用.
(2) 用于超精细结构的分析主要用在光谱线超精细结构的研究方面.由于原子核磁

动态F-P腔对波长的解调方法

动态F-P腔对波长的解调方法范刘静;韩道福;马力;戚小平【摘要】提出一种动态非本征法布里-珀罗(F-P)腔对波长的解调方法.利用PZT构建的动态非本征F-P腔调制FBG反射光,理论分析得到调制光强随F-P腔长呈类余弦变化.经数值模拟,当PZT在一正弦电压驱动下,F-p腔调制输出的类余弦信号因FBG波长漂移而产生峰值偏移,且偏移量与FBG波长变化量成线性关系,此关系可用于FBG波长的解调.研究结果表明,动态非本征F-P腔波长解调方法,在FBG传感测量中简化了信号处理过程中复杂的算法问题.%A demodulation method of wavelength with dynamic extrinsic Fabry-Perot (F-P) cavity was proposed. The reflected light of FBG was modulated by the F-P cavity which was constructed using a PZT. The modulated intensity was theoretically analyzed and found to vary with the length of F-P cavity as cosine-like. When PZT vibrated with a sine voltage,the cosine-like signal would move to produce a peak migration, which had a linear relationship with the FBG wavelength offset. This relationship could be used for FBG wavelength of demodulation. Our results furthermore showed that the new signal demodulation method could simplify the signal processing algorithm of complex problems.【期刊名称】《南昌大学学报（理科版）》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】4页(P478-481)【关键词】动态非本征F-P腔;类余弦信号;峰值偏移;FBG波长解调【作者】范刘静;韩道福;马力;戚小平【作者单位】南昌大学物理学系,江西南昌 330031;南昌大学物理实验中心,江西南昌 330031;南昌大学物理实验中心,江西南昌 330031;南昌大学物理实验中心,江西南昌 330031【正文语种】中文【中图分类】O436现代测量技术的发展日渐趋于高精度，高分辨率的方向，光纤布拉格光栅(FBG)做为当前光纤无源器件的代表，在传感测量方面占有举足轻重的地位。

光纤F-P腔传感器波分复用技术研究

光纤F-P腔传感器波分复用技术研究段玉培;张立喆;盛晓岩;黄彩霞【摘要】描述了一种光纤F-P传感器的多路复用解调技术,该技术采用一个4通道的粗波分复用器( CWDM)和一个40通道的密集型波分复用器(DWDM)构成多路复用系统,利用探测器对系统输出光能量进行检测,通过插值法对采集信号进行拟合计算,解调出反射光谱的波长值,实现了4支具有相同参数的F-P腔传感器的同时解调.【期刊名称】《计测技术》【年(卷),期】2011(031)004【总页数】5页(P19-22,25)【关键词】F-P腔;波分复用;插值法【作者】段玉培;张立喆;盛晓岩;黄彩霞【作者单位】中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095;中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095;中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095;中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095【正文语种】中文【中图分类】TP212.140 引言近年来，光纤F-P腔传感器在制作及信号处理方面已经趋于成熟，可应用于应变、温度、压力、折射率等物理量的测量［1］。

在传感器的实际应用中，如果一套解调系统只能监测一个传感器的状态，往往会带来较高的测量成本，因此，复用技术成为光纤F-P传感器实用化发展的研究热点之一。

从复用的结构来说，常用的复用结构包括串联复用结构、并联复用结构和串并联混合型的复用结构。

与串联复用相比，并联复用在结构上相互独立，当其中一个传感器遭到破坏时不影响其它传感器工作，稳定性较好，且输出信号简单，易于分析。

本文采用两个波分复用器:4个通道的粗波分复用器 (CWDM）和40个通道的密集型波分复用器(DWDM），通过探测器对每一个DWDM的通道能量变化进行采集，并对采集的数据进行计算，证明了所构成的多路复用系统可以对4支传感器同时进行解调，实现了4支传感器的并联复用。

1 光纤F-P腔的基本原理光纤F-P腔是从F-P干涉仪发展而来的，其基本结构如图1所示。

f-p原理及参数具体说明_0

---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------1 / 16f-p 原理及参数具体说明F-P 原理及参数具体说明 1. F －P 干涉仪的简要描述 F －P 干涉仪的核心是两个平面性和平行性极好的高反射光学镜面，它可以是一块玻璃或石英平行平板的两个面上镀制的镜面，也可以是两块相对平行放置的镜片，即为空气间隔，如图 1 所示。

前一种形式结构简单，使用时无需调整，比较方便，体积也小，但由于材料的均匀性和两面加工平行度往往达不到很高水平，故性能不如后者优良。

用固定间隔来定位的F －P 干涉仪又常称为 F －P 标准具。

间隔圈常用热膨胀系数小的石英材料(或零膨胀微晶玻璃) 。

它在三个点上与平镜接触，用三个螺丝调节接触点的压力，可以在小范围内改变二镜面的平行度，使之达到满意的程度。

使用时常在干涉仪的前方加聚光透镜，后方则用成象透镜把干涉图成象于焦平面上，如图 2 所示。

图 1 F －P 干涉仪的多光束干涉图 2 法布里－珀罗标准具的使用 F －P 干涉仪采用多光束干涉原理，关于多光束干涉的详细理论可参阅有关专著，我们在此就直接利用有关的一些关系式。

设每一镜面的反射率都为 R ，透射率为，吸收散射等引起的损耗率为，则有-----------------------------------------------------(1) 图 1 中相邻两光束的光程差为------------------------------------ (2) 其中 h 为镜面间隔距离， n 为镜间介质折射率，为入射光束投射角，为光束在镜面间的投射角。

干涉条纹定域在无穷远，在反射中光强分布由下式决定：------------------ (3) 在透射光中光强分布为----------------------------- (4) 其中0I 为入射角为的入射光强；而为相邻光束的相位差，来自由(2) 式表示的光程差和两次反射时的相位差变、：------------------------------------------------ (5) 其中1 、对金属膜可认为常数，对介质膜来说它们是零，下面我们不予考虑。

F-P传感系统解调算法和数据处理及表现

F-P传感系统解调算法和数据处理及表现作者：朱晓朱宗玖来源：《中国信息化》2023年第10期Faber-Perot（F-P）传感系统是一种基于光学干涉原理的精密传感技术，能对多种物理量进行测量。

解调算法是提取物理量信息的关键，本文讨论了峰值追踪、相位解调、波长解调和传输矩阵法等常用算法，介绍了如何通过各种信号处理技术进一步提取和精炼信息，并从灵敏度、精度、稳定性、分辨率和抗干扰能力等方面进行性能评估。

这些内容为F-P传感系统的研究与应用提供了全面深入的理论基础。

F-P传感系统，全称Faber-Perot干涉仪传感系统，是一种应用广泛的光纤传感技术，这种传感器技术利用了光学干涉原理，能够对多种物理量进行精确测量，如温度、应力、振动、压力等。

F-P传感系统基于Faber-Perot干涉仪，该仪器的基本结构包括两个平行反射镜构成的共振腔。

在共振腔内，入射光被反射镜反射多次，形成干涉，由于不同的物理量影响，会改变反射镜间的距离或者介质的折射率，从而引起干涉条纹的移动，通过测量这种移动就可以得到所需测量的物理量。

F-P传感器由于其高精度、高灵敏度、抗电磁干扰能力强和长寿命等优点，在各种工业领域以及科学研究中都有着广泛的应用，如油气管线的健康监测、结构健康监测、环境监测、军事侦测等场景，均可以看到F-P传感器的身影。

F-P传感系统的解调算法是实现对测量物理量精确探测的关键环节。

解调的主要目标是从输出的干涉信号中提取出与受测物理量相关的信息。

以下是对几种主要的解调算法的简单介绍。

峰值追踪算法是一种常用的F-P传感器解调方法。

它通过跟踪干涉信号的峰值来测量受测物理量的变化。

具体来说，首先需要获取干涉信号的初始峰值位置，然后在后续的测量中，通过比较每次测量得到的干涉信号的峰值位置与初始峰值位置的差值，就可以得到受测物理量的变化。

这种方法简单直观，但在噪声较大或干涉信号较弱的情况下，其测量精度会受到影响。

相位解调算法是另一种常用的F-P传感器解调方法。

FP腔的调节解读

定义F-P腔的精细度F(Finesse) 为.
F?? R
(5)
1? R
它反映了 F-P腔的分辨率 .
二、F-P腔的结构
实验中所用的腔镜反射率为 R=0.98, 代入(5)式得精细度F =155. 在实验中调节的 F-P 腔是由山西大学光电研究所设计的可控温 F-P腔,由于F-P腔的腔长的变化 , 将影响到透射光频率的稳定性 ,为此,在该F-P腔的设计中 ,充分考虑了环境温度的变化 ,空气的变化及机械振动等干扰的防护 .
(2) 用于超精细结构的分析主要用在光谱线超精细结构的研究方面 .由于原子核磁
矩的影响,有的光谱线分裂成几条十分接近的谱线 ,这叫做光谱线的超精细结构 .设想入射光中包含两个十分接近的波长λ和λ=λ+δλ.它们产生的等倾干涉条纹有稍微不同的半径 . 如果每根干涉条纹的宽度较大 ,则两个波长的干涉条纹就会重叠在一起无法分辨 .经F-P腔后干涉条纹的细锐对提高谱线分辨率本领是极为有利的因素 .
（2）将两个光阑（ a1，a2）加在F-P腔上，把F-P腔放入到准直后的光路中，若刚才准直后的光高与 F-P腔的所需光高有误差，这时需再通过对的细调来达到所需高度，使光线水平准直地通过两个光阑 .
(3) a.粘贴腔的第一片腔镜，由于粘贴后的腔镜的轴线与准直的光路不一定完全重合，可能存在误差，因此，在粘贴过程中需借助一个磁力座来减小这个误差。把粘贴好的腔镜装置放在磁力座上进行校正，这时也需借助光阑，调节的目的是使入射光斑与出射光斑的中心重合，调节过程中要在 A-B胶未完全固化之前，通过旋转镜片使得入射光斑与反射光斑在最小误差范围内达到重合，旋转时注意手指不要接触镜面 ,否则可能造成对镜面的损坏。调节过程持续 15分钟左右。由于磁力座不可能做的精确水平，因此粘贴好的腔镜在校正后任可能存在较小的误差。

f-p腔工作原理

f-p腔工作原理
f-p腔是一种用于激光器中的光学腔。

它由两个反射镜组成，一个是反射率较低的输出镜，另一个是反射率较高的输入镜。

腔体内放置了一个活性介质，如半导体材料或固体晶体。

当一个外部能量源（如电流或光）作用于活性介质时，它会激发介质中的电子，使其跃迁到高能级。

在跃迁过程中，这些电子会产生额外的能量，释放出光子。

这些光子会沿着腔的方向来回反射，反射镜会把光子保持在腔内。

由于反射镜的特性，只有特定波长的光子才能被反射镜反射回来，形成光的驻波。

而其他波长的光则会通过输出镜泄漏出来。

在光的驻波形成的过程中，光子与跃迁过程中的高能级电子发生相互作用，导致电子跃迁回低能级，释放出更多的能量。

这个过程称为受激辐射。

这种受激辐射会导致更多的光子产生，并扩大原有光的幅度。

这种光的反射、受激辐射和幅度增强的过程在腔中不断进行，形成了激光束。

输出镜的反射率较低，使得一部分激光束能够通过输出镜泄漏出腔外，形成实际可用的激光输出。

总结起来，f-p腔的工作原理基于光的驻波效应和受激辐射过程，在活性介质中产生受激发射并放大的光子，最终形成激光输出。

F-P腔光纤传感器研究

F-P腔光纤传感器研究黄旭光;黄义文【摘要】文章综述了作者研究组关于F-P腔光纤干涉型传感器多参数测量的研究进展.在单模光纤与薄膜或空气间隙等构成的法布里-珀罗腔结构基础上,分别提出基于F-P腔干涉和基于F-P腔调制菲涅尔反射的温度、液体和固体折射率光纤传感器.理论分析和实验均证明,温度的变化可转化为干涉光谱波峰或波谷中心波长的偏移测量,通过干涉光谱的条纹反衬度可解调出液体或固体折射率.光纤干涉型传感技术可拓展其它功能,是高端领域传感测量的发展方向.【期刊名称】《华南师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(048)006【总页数】7页(P50-56)【关键词】光纤干涉型;F-P腔;条纹反衬度;波长偏移【作者】黄旭光;黄义文【作者单位】华南师范大学信息光电子科技学院,广州特种光纤光子器件与应用重点实验室∥广东高校特种功能光纤工程技术研究中心∥广东省微结构功能光纤与器件工程技术研究中心,广州510006;华南师范大学信息光电子科技学院,广州特种光纤光子器件与应用重点实验室∥广东高校特种功能光纤工程技术研究中心∥广东省微结构功能光纤与器件工程技术研究中心,广州510006【正文语种】中文【中图分类】O436.1随着科学技术的飞速发展，基础科学研究、工业生产、环境检测等诸多领域对传感技术的要求越来越高. 温度、折射率等参数的测量几乎涉及现代科学的各个领域，因此，能准确快速测量出这些参数非常重要.光纤传感由于具有强的抗电磁干扰、恶劣环境耐用性、高精度、快速响应和远程在线等优点[1]，是科学研究、工业生产、食品加工、环境检测等众多领域传感测量的重要发展方向.干涉结构已被成功地用作光学传感器的温度、应变、压力测量和位移的测量[2-5]. 目前已有多种技术用于温度测量，如谐振器数字温度传感器、硅晶薄膜光纤传感器、光纤光栅温度传感器[6]等. 法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)腔光纤传感技术属于干涉型光纤传感技术的其中一种. CHOI等[7]设计了一种微型混合结构的F-P腔光纤传感器用于温度测量. WEI等[8]证明了基于飞秒激光器调制的开放型F-P腔的折射率传感器，具有可靠性高、温度不敏感等优点，但随着F-P腔沉积物增多，其性能将大大下降. RAN等[9]在单模光纤端面加入密闭的F-P腔用作信号调制器，研究出一种不受温度干扰的液体折射率传感器，通过测量干涉条纹最大对比度获得液体折射率. 此外，用于液体折射率测量的技术包括基于波长移动的表面等离子体共振法[10-12]、光纤光栅传感技术[13]等. 对于固体折射率的测量，最小偏差法[14]、折射法和椭圆偏振法常用于光学玻璃折射率的测量[15]. 基于棱镜干涉仪的玻璃折射率测量技术可提供较高的精度[16]，但需将待测样品加工成棱镜形状. 也有基于F-P腔干涉法测量透明固体折射率[17-18]，但传感器采用非光纤技术，设备结构较复杂笨重.本文综述了本研究组基于光纤端面菲涅耳反射形成的F-P腔调制的多种光纤传感器的研究进展，分别讨论了F-P腔干涉型光纤传感器在液体折射率、环境温度和固体折射率测量应用中的所采用的具体结构、工作原理和实验结果.基于F-P腔干涉调制的光纤液体折射率传感器的光纤端面传感头结构如图1A所示. 薄膜是一层以SU-8光刻胶为原料、采用旋涂法制成的有机薄膜，其折射率约为1.628 5. SU-8放置在光纤末端，以适当的速度旋转光纤，使SU-8通过离心力均匀分散. 光纤旋转的角速度越大，制成的薄膜越薄. 最后形成厚度L=29.9 μm的薄膜. 光纤与薄膜、薄膜与液体的2个分界面形成了一个腔长为L的F-P腔.设光纤、薄膜和液体的折射率分别为nf、nfilm和nq，界面“1”和界面“2”的反射率分别为R1和R2. 由于入射光在2个界面的反射是菲涅尔反射，所以R1和R2满足菲涅尔反射公式：从2个界面反射回来的电场分布如图1B所示. 由于光纤端面的反射率较低，存在较高的损耗，高阶反射回来的电场强度很小，只占总电场的0.1%，可以忽略不计(图中虚线部分). 因此，反射光波的总电场Er可近似等于2个界面第一次反射回来的电场之和[18]:.Ei是入射光电场，A1是由于反射面1表面缺陷而造成的损耗因子，α是F-P腔中的衍射损耗因子，β是薄膜的传播常数. 为简化，可忽略表面缺陷对反射系数的影响. 光从光疏介质入射到光密介质，在反射面1存在着半波损失，即π相移.由式(2)及光的电磁理论可得到反射光波归一化的电场分布IFP():)，其中K=(1-A1)(1-α)是传感器头部的总损耗因子. 上式说明了反射光的干涉光场是由双光束干涉产生的余弦信号. 干涉条纹波谷的中心波长min满足：m为正整数，表示干涉条纹波谷的序数. F-P腔的腔长L可通过相邻2个波谷的中心波长求出：当式(5)中4πLnfilm/等于(2m+1)π和2mπ时，IFP()分别达到最大值和最小值：由式(5)可得，干涉光谱的条纹对数反衬度为：.当传感系统设置好后，式(6)中的R1,K和nfilm为常量，由于热光系数很小，条纹反衬度的变化可认为与温度无关. 因此，液体折射率的测量可转化为干涉条纹反衬度的监测，且该测量方法与温度无关.为了验证该技术的可行性，本文采用如图2所示的实验装置进行实验. 本装置采用一种功率为10 mW、功率谱平坦的宽带光源(Flattened Broadband Source，BBC)作为光发射器，可提供40 nm宽波长范围(1 525～1 565 nm)的单束光. BBC光源输出的光束通过光纤环形器(Optical Circulator，OC)被耦合进F-P腔，F-P腔反射回来的双光束干涉反射光谱通过环形器输入到光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer，OSA)，OSA通过连接电脑对干涉光谱进行分析计算. 本实验所用型号为Yokogawa AQ6370的OSA具有0.02 nm波长分辨率、0.001 dB 功率精度. 采用SMF-28光纤,其直径为8.1 m、数值孔径(无量纲)为0.14 μm.采用不同浓度的硝酸钠溶液作为样品，分别测量其折射率. 光的波长为1 550 nm 附近时，这些溶液的折射率范围为1.314 0到1.365 0. 传感器头分别在空气和折射率为1.314 0与1.360 0溶液中的干涉光谱如图3所示，该光谱的波段为1 527～1 565 nm. 干涉条纹包含2个波峰和2个波谷，与式(3)和式(6)吻合较好. 本实验中，从干涉光谱和式(3)、式(5)可算得传感器探头的损耗因子K=0.497 2，薄膜的厚度L=29.85 m，2个相邻的波峰和波谷之间的波长宽度约为13 nm，这意味着一个分辨率为0.5 nm的低成本光谱仪就可以满足本传感系统的检波要求. 干涉条纹反衬度与硝酸钠溶液折射率的关系如图4所示. 传感器参数为K=0.497 2, R1=0.003 4和nx=1.628 5时，实验结果与式(6)中的理论结果非常吻合. 随着折射率从1.314 0增到1.365 0，干涉条纹反衬度单调减小，总的变化量为10.46 dB，相对RI的灵敏度约为205 dB. 由于光谱分析仪的相对强度分辨率为0.001 dB，当被测折射率范围在1.314 0至1.365 0时，则折射率平均分辨率约为5×10-6.以上分析表明，基于F-P腔调制的光纤干涉型折射率传感器，将折射率的测量转化为干涉条纹反衬度的监测，具有很高的分辨率和测量精度. 该传感器不受温度影响，具有同时测量折射率和温度的潜能.基于F-P腔干涉条纹移动的光纤温度传感器的探头结构与液体折射率传感器的探头结构基本相同，但具体工作原理有差别. 由于温度传感器测量的是环境温度，其探头直接放置在空气中，因此探头薄膜的另一侧为空气. 光纤与薄膜、薄膜与空气形成类似图1B所示的F-P腔. 经过如同液体折射率传感器的推导过程，可得温度传感器的干涉条纹波谷的中心波长min满足：当环境温度变化时，由于热膨胀效应和热光效应，薄膜的厚度和折射率也会变化. 因此，min可由下式给出：式中,αl=1/L·dL/dT和dnfilm/dT分别是薄膜的热膨胀系数和热光系数. 由于薄膜的折射率和厚度随着温度的变化而变化，干涉图案也会随着温度移动，即干涉波谷的波长min随着温度的变化而发生漂移. 因此，测量温度的变化可以转化为测量干涉条纹波谷的波长移动.传感器实验装置(图5)与图2类似，差别仅在于传感探头结构. 温度传感器的探头置于温控仪里，利用温控仪控制温度变化. 图6显示，干涉条纹有2个波峰和3个波谷，因此可以通过测量波峰或波谷中心波长的移动来计算温度的变化.控制温控仪的温度在20～100 ℃的范围内变化，选取干涉条纹其中一个波谷，用OSA标记物对其标记(图中标有黑色三角符号及Ds的位置)，并以最小扫描法跟踪其波长变化(图7)，通过其中心波长的移动来计算温度的变化. 随着温度的上升，Ds波谷的中心波长单调向长波方向移动. 图中圆圈是实验测得数据，曲线是通过3次拟合得出，拟合相关因子R2=0.996，拟合结果与实验数据非常吻合[20].通过大量的实验可以得出温度与波长的经验公式，经校准后，环境温度可通过测量波谷Ds的中心波长、直接代入经验公式来计算得到. 由实验结果可知，该温度传感器的最高灵敏度可达到0.2 nm/℃，由于光谱分析仪的分辨率为0.02 nm，本传感器的最高温度的分辨率为0.1 ℃.总结上述实验，光纤干涉型温度传感器可通过FP腔干涉波谷波长的移动解调出环境温度的变化，利用经验公式，便可实现温度的精确测量功能.基于F-P空气腔干涉条纹反衬度的固体传感器的探头结构如图8所示，即光纤末端与被测固体之间的空气隙形成了一个空气F-P腔.设固体折射率为ns，由菲涅耳反射公式可得2个反射表面的反射率R1和R2为：在F-P腔反射表面2存在一个半波损失，即π相移. 忽略高阶反射回来的电场，反射光波的总电场Er可近似等于2个表面第一次反射回来的电场之和:其中，Ei是入射光电场，K是由于反射面1表面缺陷和F-P腔中的衍射而造成的总损耗因子，βair是空气中的传播常数. 由此可得归一化的光场cos(4πLnair/-π)，当式中4πLnair/-π满足IFP()分别达到最大值和最小值：，.干涉条纹反衬度为[21]：,其中，R1、K均为常数，ns为被测物体的折射率. 为计算传感器的总损耗因子K，需进行简单快速的校准：设置好传感系统，在实验过程中不再对传感器做任何修改，测量折射率已知的样品(如：石英)的条纹反衬度C0作为参考. 已知nair=1.000 3, nf=1.449 6[21]，R1可以由式(9)求出，因此，K的值可以在实验前通过校准测量计算出来. 在校准后，通过测量干涉条纹的反衬度C，利用式(13)可以计算出固体的折射率.固体折射率传感器的探头具有特定的设计(图9)，金属板用于固定光纤尾纤的末端，并留下固定的长度间隙. 传感探头的金属板接触样品时，光纤末端、空气间隙和被测物体表面形成空气F-P腔，这种结构不仅可以使光纤末端与待测样品表面保持平行，还可避免光纤末端的结构因接触样品而损坏.本实验中，由于加工精度等原因，间隙的长度L=0.075 mm. 为了测量干涉光谱的条纹反衬度，干涉光谱中至少在OSA测量范围内存在2个极值点. 由式(12)，对于宽带范围为1 525～1 565 nm宽带光源，传感探头的间隙即F-P腔的腔长L应大于0.03 mm. 本文选择纯度为99.999%石英玻璃作为标准样品，传感器入射光波长为1 529.52 nm时，其折射率为1.443[21]. 为保证表面的清洁，样品需用粘有去离子水的透镜清洗纸彻底清洗，并在测量待测样品折射率前对标准样品的折射率进行校准.用传感器测量石英样品的折射率，OSA接收到F-P腔调制的干涉光谱如图10所示. 干涉条纹的反衬度为11.033 dB. 根据式(13)可算出传感器探头的损耗因子K≈0.586 8.以BK7、SF10和SF11三种不同材料的光学玻璃作为待测样品，利用该传感器装置对其折射率进行测量，控制环境温度为(20±1) ℃，OSA接收到这3种材料的反射光谱如图11所示.由图11可知，BK7、SF10和SF11 三种光学玻璃的干涉条纹反衬度分别为12.560、18.796 和21.052 dB. 由式(13)，可算出折射率分别为nBK7=1.501、nSF10=1.692和nSF11=1.743，与肖特光学玻璃特性参数手册(SCHOTT Optical Glass Data Sheets, 2009)给出这3种材料的折射率nBK7=1.500 9、nSF10=1.693 1和nSF11=1.743 8非常接近，分别相差大约0.000 1、0.001 0和0.001 0. 由于加工技术的局限性，光纤末端表面与待测物体表面很难完全水平. 具有非零入射角的入射光强会略微偏离上面的反射率公式，条纹反衬度C也会随着入射角的变化而稍有变化. 但光纤已被固定在金属板中，所以入射角对条纹反衬度C的影响不变. 在比较标准样品的折射率和校准损耗因子K后，折射率的测量误差可被降到最低. 此外，传感器探头金属板与待测物体之间的气密性会对待测物体表面入射光的入射角和光路产生影响. 光源和检测器的稳定性也会影响测量结果. 因此，影响条纹反衬度C和测量的折射率准确性的主要原因有：传感器探头金属板与待测物体之间的气密性以及光源和检测器的稳定性. 因此待测物体表面必须很光滑平整，光源和检测器的稳定性在测量期间应保持稳定.上述分析表明，基于F-P腔菲涅尔反射的光纤干涉型传感器可实现高精度的固体折射率测量，固体折射率可通过计算干涉条纹的反衬度精确算出. 除测量光学玻璃外，如果吸收系数是已知，传感器可扩展到其它光滑平面固体(包括不透明固体)的折射率测量.总结了本研究组基于F-P腔干涉和F-P腔调制的菲涅尔反射的光纤传感器研究工作，探讨了利用光纤端面F-P腔干涉波谷或条纹反衬度变化去实现各种参数光纤传感的可能性. 首先讨论了液体折射率传感器的工作原理，分析了液体折射率与干涉条纹反衬度的关系；然后，在此基础上发展了基于干涉条纹波谷中心波长移动的温度传感器，并可实现温度和折射率的双参数测量；最后，拓展出基于空气F-P 腔的传感器结构，实现了固体折射率的精确测量. 总之，光纤干涉型传感器结构独特，灵敏度高，便于操作与安装，同时具有远程在线实时监测的能力，可应用于工业生产、食品加工、环境监测、科学研究等各领域.【相关文献】[1] 赵勇, 张博, 廖延彪,等. 基于位置敏感器件的光学法盐度检测技术研究[J]. 光学学报, 2003,23(11):1379-1383.ZHAO Y,ZHANG B,LIAO Y B,et al.Salinity measurement based on position sensitive detector and optical technology[J].Acta Optica Sinica,2003,23(11):1379-1383.[2] MURPHY K A,GUNTHER M F,VENGSARKAR A M,et al. Quadrature phase-shifted,extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors[J]. Optics Letters,1991,16(4):273-175. [3] CLAUS R O,GUNTHER M F,WANG A,et al. Extrinsic Fabry-Perot sensor for strain and crack opening displacement measurements from-200 to 900 degrees C[J]. Smart Materials & Structures,1992,1(3):237-242.[4] LIU T,FERNANDO G F. A frequency division multiplexed low-finesse fiber optic Fabry-Perot sensor system for strain and displacement measurements[J]. Review of Scientific Instruments,2000,71(3):1275-1278.[5] WATERS R L,AKLUFI M E. Micromachined Fabry-Perot interferometer for motion detection[J]. Applied Physics Letters,2002,81(18):3320-3322.[6] MONZN-HERNNDEZD,MORA J,PREZ-MILLN P,et al. Temperature sensor based on the power reflected by a Bragg grating in a tapered fiber[J]. Applied Optics,2004,43(12):2393-2396.[7] CHOI H Y,PARK K S,PARK S J,et al. Miniature fiber-optic high temperature sensor based on a hybrid structured Fabry-Perot interferometer[J]. Optics Letters,2008,33(21):2455-2457.[8] WEI T,HAN Y,LI Y,et al. Temperature-insensitive miniaturized fiber inline Fabry-Perot interferometer for highly sensitive refractive index measurement[J]. OpticsExpress,2008,16(8):5764-5769.[9] RAN Z L,RAO Y J,LIU W J,et al. Laser-micromachined Fabry-Perot optical fiber tip sensor for high-resolution temperature-independent measurement of refractiveindex[J].Optics Express,2008,16(3):2252-2263.[10]ROTHENHUSLER B,KNOLL W. Surface plasmon microscopy[J].Nature,1988,332(6165):615-617.[11]ABDELGHANI A,JAFFREZIC-RENAULT N. SPR fibre sensor sensitised by fluorosiloxane polymers[J]. Sensors & Actuators B:Chemical,2001,74(1/2/3):117-123.[12]MONZN-HERNNDEZ D,VILLATORO J. High-resolution refractive index sensing by means of a multiple-peak surface plasmon resonance optical fiber sensor[J]. Proceedings of SPIE:The International Society for Optical Engineering,2006,115(1):227-231.[13]RONG M,ZHANG L S. Liquid concentration measurement based on the optoacoustic effect and fiber Bragg grating sensor technology[J]. Optical Engineering,2006,45(4):828-828.[14]DAIMON M,MASUMURA A. High-accuracy measurements of the refractive index and its temperature coefficient of calcium fluoride in a wide wavelength range from 138 to 2.326 nm[J]. Applied Optics,2002,41(25):5275-5281.[15]BURNETT J H,GUPTA R,GRIESMANN U. Absolute refractive indices and thermal coefficients of CaF2,SrF2,BaF2,and LiF near 157 nm[J]. Applied Optics,2002,41(13):2508-2513.[16]HORI Y,HIRAI A,MINOSHIMA K,et al. High-accuracy interferometer with a prism pairfor measurement of the absolute refractive index of glass[J]. AppliedOptics,2009,48(11):2045-2050.B,GRACIN K. Measurement method for the refractive index of thick solid and liquid layers[J]. Applied Optics,2009,48(22):4430-4436.[18] B. Measurement of the refractive index and thickness of a transparent film from the shift of the interference pattern due to the sample rotation[J]. Thin SolidFilms,2010,518(14):3619-3624.[19]ZHAO J R,HUANG X G,HE W X,et al. High-resolution and temperature-insensitive fiber optic refractive index sensor based on fresnel reflection modulated by fabry-perot interference[J]. Journal of Lightwave Technology,2010,28(19):2799-2803.[20]CHEN JH,HUANG X G,HUANG Z J. Simple thin-film fiber optic temperature sensor based on Fabry-Perot interference[J]. Optical Engineering,2010,49(4):258-258.[21]CHEN J H,ZHAO J R,HUANG X G,et al. Extrinsic fiber-optic Fabry-Perot interferometer sensor for refractive index measurement of optical glass[J]. AppliedOptics,2010,49(29):5592-5596.。

F-P腔的调节解读

U ' 1 Att ' ' i 2 U 2 Atr t ' e ' i 4 U 3 Atr t ' e
(2)
反射光和透射光的总振幅和光强分别为:
U R Uj j 1 U Uj T j 1
IR U R U R I T U T U T
可将频率调到特定的波长区，同时降低其强度和位相噪
声，降低阈值。光反馈是通过平面镜、光栅、F-P腔等
反馈元件将输出光束的部分光反馈回半导体激光器，使
特定的模式振荡同时抑制其它模式的方法。
山西大学
物理实验中心
姚景芹 Email:yaojq@
节的目的是使入射光斑与出射光斑的中心重合，调节过程中要在A-B胶未完全固化之前，通过旋转镜片使得入射光斑与反射光斑在最小误差范围内达到重合，旋转时注意手指不要接触镜面,否则可能造成对镜面的损坏。调节过程持续
15分钟左右。由于磁力座不可能做ห้องสมุดไป่ตู้精确水平，因此粘贴
好的腔镜在校正后任可能存在较小的误差。
F-P 腔的调节
一、F-P腔的工作原理
二、F-P腔的结构
三、F-P腔的调节四、F-P腔在光学实验中的应用
一、F-P腔的工作原理
F-P腔（Fabry-perot Cavity）是一种利用多光
束干涉现象来工作的装置
图1 多光束干涉示意图
如图1,一束光0入射到一上下表面平行的薄膜上, 它将产生一系列的反射光束1,2,3,…,和一系列的透射光束1’,2’,3’,…
令r和t分别代表光从膜外到膜内的振幅反射率和透射率, r’和t’分别代表光从膜内到膜外的振幅反射率和透射率, 用A代表入射光0的振幅。在薄膜2两侧媒质的折射率 n1和n2相等的条件下,由光的可逆性原理可得: r=-r 和r2+tt’=1 (1) 反射光束和透射光束的复振幅表示:

FP腔的制作、搭建、精细度Finesse的求解

一、F-P 腔的工作原理F-P 腔（Fabry-perot Cavity ）是一种利用多光束干涉现象来工作的装置。

图1 多光束干涉示意图如图1,一束光0入射到一上下表面平行的薄膜上,它将产生一系列的反射光束1,2,3,…,和一系列的透射光束1’,2’,3’,…令r 和t 分别代表光从膜外到膜内的振幅反射率和透射率, r ’和t ’分别代表光从膜内到膜外的振幅反射率和透射率,用A 代表入射光0的振幅。

在薄膜2两侧媒质的折射率n1和n2相等的条件下,由光的可逆性原理可得:r=-r 和r2+tt ’=1 (1) 反射光束和透射光束的复振幅表示:'1'221233'43''''''''i i i i U U Att U At Ar U A r t U t Atr t r t U Atr t e e e e δδδδ=-⎧⎪=⎪⎨=⎪⎧⎪=⎪=⎪⎨⎪⎩=⎪⎩（2）反射光和透射光的总振幅和光强分别为:11 jR R R R j T T T jTj U U I U U I U U U U ∞*=*∞=⎧=⎪⎧=⎪⎨⎨=⎩⎪=⎪⎩∑∑ （3）式中0R T I I I +=，20I A =为入射光强。

计算可得透射光强为 :222200224222(')(1)4sin (/2)12cos (1)(1)1(1)T T Ti i I A tt I r I U UR r rr r R e e δδδδ*--====-+--+-利用（4）式可作出F-P 腔透射特性曲线如图2所示图中曲线表明，随着R 的增大，透射光强极大的锐度越来越大。

R 的增大意味着无穷系列中后面光束的作用越来越不可忽略，从而参加到干涉效应中的光束数目越来越多，其结果是使干涉条纹的锐度变大。

这一特征正是多光束干涉的普遍规律。

由④式可知，在2k δπ=处，0T I I 的峰值为1，峰值两侧0T I I 的值降到一半的两点间的距离ε即为半值宽度。

F-P腔式光纤压力传感器温度补偿设计研究

灵敏度，更适合用于精确地实现温度、压力、应变等物理量的测量。
作者简介：王增健（１９６０一），男，工程师，主要从事电气工程
及管理工作。
腔的光谱。当压力发生变化时，中空光纤发生变形，带动反光光纤移动，导致Ｆ — Ｐ腔长度发生变化，致使
・
７８・
计测技术
２０１３年第３３卷增刊
Ｆ・Ｐ腔式光纤压力传感器温度补偿设计研究
王增健
（中航长城计量测试（天津）有限公司，天津３００４５７）
摘要：Ｆ — Ｐ式光纤压力传感器因其独有的优点广泛应用于军事、民用领域。由于自身结构的关系，Ｆ — Ｐ式光
温度特性直接影响其在压力测量上的性能表现。可以
图１传感器示意图
通过外部补偿的方式减小温度对压力测量的影响，本文通过对中空式Ｆ－Ｐ压力传感器制作过程中相关参数
的设计控制，实现自身的温度补偿，并通过实验
ＥＦＰＩ传感器可以通过对光纤、准直毛细管材料和Ｆ．Ｐ腔结构等参数的合理选择，使光纤Ｆ－Ｐ温度传感器对
环境压力不敏感，同时对大范围的温度变化影响做自
Ｆ — Ｐ腔光纤压力传感器结构。使用过程中导光光纤将测

塞曼效应实验报告

塞曼效应【摘要】本实验运用法布里—珀罗标准具分光，观测Hg 绿线（546.1nm ）的塞曼分裂现象。

先标定磁场的B-I 曲线，判断电磁铁的性质，再利用法布里—珀罗标准具进行分光，观察Hg 绿线（546.1nm ）的塞曼分裂情况，利用测量的数据计算自由光谱区和对应电流下的磁场。

关键词：塞曼效应、法布里—珀罗标准具、能级分裂、量子跃迁一.引言1896年荷兰物理学家塞曼发现如果把光源置于足够强的磁场中，光源发出的谱线发生变化，单条谱线分裂为多条，分裂的条数随能级的类别而不同，这种现象被称为塞曼效应。

荷兰物理学家洛仑兹应用经典电磁理论对这种现象进行了解释。

他认为，由于电子存在轨道磁矩，并且磁矩方向在空间的取向是量子化的，因此在磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂成间隔相等的3条谱线。

塞曼效应的发现及其解释对研究原子中电子的角动量和反映角动量耦合作用的朗得因子等原子结构信息有重要的作用。

塞曼和洛仑兹因为这一发现共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。

二．实验原理1.塞曼效应按照半经典模型，质量为m ，电量为e 的电子绕原子核转动，因此，原子具有一定的磁矩，它在外磁场B 中会获得一定的磁相互作用能ΔE ，由于原子的磁矩J μ与总角动量J P 的关系为J SJ S LJ L J P me g 2cos cos =+=αμαμμ （公式1）其中的朗德因子为：)1(2)1()1()1(1g ++++-++=J J S S L L J J （公式2）由于J 一定时，M 有2J+1个可能的取值，所以，原子在外磁场中，每一个0≠J 的能级都分裂为2J+1个子能级，被称为磁能级。

同一能级分裂的磁能级间距相等，为B B μg 。

对于不同的能级来说，如果它们的朗德因子g 不同，则磁能级间距不同。

原子能级产生磁分裂后，各磁能级之间的跃迁要准守选择守则：禁戒）时，（，禁戒）（，000100010=→==±=∆=→=±=∆M M J M J J J0=∆M 时，在垂直于磁场方向上，可观察到电矢量平行于磁场方向的线偏振光；在平行于磁场方向上，观察不到谱线，观察到的为π线1±=∆M 时，在垂直于磁场方向上，可观察到电矢量平行于磁场方向的线偏振光；在平行于磁场方向上观察到的都是圆偏振光，观察到的为σ线能级21E E →的跃迁辐射产生塞曼效应分裂后，各跃迁能级与无磁场时跃迁辐射的波数之差。

F-P干涉仪及其典型应用

质量块谐振腔多光束干涉66fp干涉仪及其典型应用加速度传感器fp型干涉加速度传感mz型干涉加速度传感迈克尔逊型干涉加速度传感fma的光学干涉测量光源系统光纤耦合器pin3pin2pin1模拟开关adcpu质量块谐振腔光纤fp传感器反射面反射面光纤fp腔磁致伸缩材料fp腔腔长变化外置式传感原理光源探测器耦合器传感器fp型干涉磁场传感mz型干涉磁场传感迈克尔逊型干涉磁场传感67fp干涉仪及其典型应用微弱磁场传感器
F-P干涉仪及其典型应用
6.1 F-P干涉仪及其典型应用——多光束干涉
ai
D
a1
B
a2 a3
a4
反射光： 2hn cos i ' / 2
n
A i'
h 相邻两束光之间的程差
透射光：
C
b1 b2 b3 b4 多光束薄膜等顷干涉
G1 G2
2hn cos i '
透射光相差
4

nh
R0 R 0.048
R 0.27
R 0.64 R 0.87
F-P腔
多光束干涉提高了条纹精细度
多光束干涉
6.1 F-P干涉仪及其典型应用——光纤干涉基本形式
l
S
F一P光纤干涉仪基本结构
D
多光束干涉

4 n

l
被测物理量-→引起F-P腔长度 l 的变化-→引起相位Δ φ变化
光电探测器 I/V转换放大、滤波
信号处理
A/D
6.4 F-P干涉仪及其典型应用——微位移传感器
L1 探测器耦合器 S GWS 耦合器耦合器探测器 L2 双路F-P干涉仪工作原理 1）采用波长可调光源（λ 1～ λ 2 ） 2）参考F-P干涉系统：预先校准参考谐振腔长度，并保持不变 3）敏感F-P干涉系统；目标测量绝对位移测量 FPI2 敏感腔 FPI1 参考腔

FP腔的制作、搭建、精细度Finesse的求解

F-P 腔：一、F-P 腔的工作原理F-P 腔（Fabry-perot Cavity ）是一种利用多光束干涉现象来工作的装置。

图1 多光束干涉示意图如图1,一束光0入射到一上下表面平行的薄膜上,它将产生一系列的反射光束1,2,3,…,和一系列的透射光束1’,2’,3’,… 令r 和t 分别代表光从膜外到膜内的振幅反射率和透射率, r ’和t ’分别代表光从膜内到膜外的振幅反射率和透射率,用A 代表入射光0的振幅。

计算可得透射光强为 :222200224222(')(1)4sin (/2)12cos (1)(1)1(1)T T Ti i I A tt I r I U UR r rr r R e e δδδδ*--====-+--+- （4）利用（4）式可作出F-P 腔透射特性曲线如图2所示图2I T /I 0R=5% R=25% R=75%R=50% 0 1 i23 41’ 2’ 3’图中曲线表明，随着R 的增大，透射光强极大的锐度越来越大。

R 的增大意味着无穷系列中后面光束的作用越来越不可忽略，从而参加到干涉效应中的光束数目越来越多，其结果是使干涉条纹的锐度变大。

fp工作波长

FP腔（Fabry-Perot cavity）的工作波长通常取决于腔内两个镜子的反射镜面长度和镜面曲率半径。

腔内两个镜子的反射镜面长度决定了腔的自由光谱度，即腔可以工作的波长范围。

而镜面曲率半径则影响腔的焦距，从而影响腔的分辨率和带宽。

在实际应用中，FP腔的工作波长可以通过调整腔内两个镜子的反射镜面长度和镜面曲率半径来实现。

例如，在激光领域中，可以通过调整腔内两个镜子的反射镜面长度和镜面曲率半径来改变激光器输出的激光波长。

需要注意的是，FP腔的工作波长应该在其自由光谱度范围内，并且需要根据具体的应用需求来选择合适的腔参数。