（光学工程专业论文）可调谐光纤fabryperot滤波器的研制及其在fbg传感系统中的应用.pdf

摘要 譬8 7 9 0 0 8 摘要 光纤光栅是近些年来发展较快的一种新型光纤器件，呵广泛用于 光纤通讯与光纤传感领域。在传感应用中，光纤光栅传感器采用波长 作为信息载体，具有高灵敏度，抗电磁干扰，对光强起伏不灵敏，适 于波分复用等优点。这些独特的优点使得光纤光栅传感器在工程检测 领域有着较大的应用潜力。光纤光栅波长解调仪器是整个测量系统中 最重要的部分，它性能的好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。 本论文研究的目的就在于提高以可调谐f a b r y p e r o t 滤波器为解调器 件的光纤光栅解调系统的性能。 论文中对可调谐f a b r ) r p e f o t 滤波器的原理进行了介绍，分析了腔 内损耗对可调谐f a b r y p e m t 滤波器性能的影响，并使用传输矩阵埘多 层介质反射膜进行了分析。以这些原理为基础，我们采用端面镀高反 膜的光纤准直器作为腔镜制成可调谐单模光纤f a b 驴p e r o t 滤波器。该 滤波器具有精细度高、损耗低、工艺简单、易于调节及腔长可调节范 围大等优点，可以应用于光纤光栅波长解调系统。 论文对可调谐光纤f a b r y p e r o t 滤波器解调光纤光栅b r a g g 波长的 原理进行了分析。利用研制的可调谐光纤f a b r y p e r o t 滤波器，我们构 建了光纤光栅传感系统，并进行了单点准静态应变测量实验。在该实 验中，我们分别进行了纯应力实验和参考光纤光栅温度补偿实验。实 验结果表明使用参考光纤光栅温度补偿法进行单点准静态膨变测量 可以有效地消除温度变化的影响，提高测量精度。 本论文使用的参考光纤光栅的方法，可以普遍适用于基于可调谐 北京交通大学硕七论文 f a b r y p e r o t 滤波器的光纤光栅波长解调系统。对于业已存在的测量系 统，只需要对系统硬件进行微调，并重新设计系统程序，就可以使其 在不提高系统成本的情况下提高了测量精度。 关键词：光纤光栅、解调系统、可调谐f a b r y p e m t 滤波器、参考光纤 光栅 i i a b s t r a c t a b s 仃a c t f i b e rb r a g gf a t i n g ( f b g ) i saf i b e re l e m e n tw h i c hi sd e v e l o p i n gr a p i d l y t h c s ey c a r s 1 tc 姐b e 谢d e l yu s e d 血血cf i e l d so f 胁e rc o m m u n i c a t i o na n d n b e rs e n s i n g w h e nb e i n gu s e di n s e n s i n gf i e l d ，f b gu s e s i t sb r a g g 、v a v e l e n 百ha sm es e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c i th a ss o m ep a n i c u l a ra d v a n t a g e s s u c ha sh i g hr c s o l u t i o n ，i m i r m n 时t oe l e c t r d m a g n e t i cf i e l d s 孤dl i g h t i n l 舶l s i t ym o d u l a t i o n ，m u l t i p l e x i n gc 印a b i l i t y ，e t c i nc o n s e q u e n c e ，m a n y r c s e a r c h e r sb e l i e v et h a tf b gh a sap r o m i s i n g 如t u r ei n e n g i n e e r i n g i n s p e c t i o nf i l e d w a v e l e n g t l li n t e r r o g a t i o n i n s t m m e n ti st h em o s t i m p o n a n tp a n o f t h ew h o l es y s t e ma i l di t sp c r f o r m a n c ep l a y sak e yr o l ei n m ep 曲h n a i l c eo ft l l ew h o l es y s t e m t h i st h e s i sa i m sa ti m p m v i n gt h e p e r f o r m a n c eo ff b gi n t e r r o g a t i o ns y s t e mb a s e do n l ei m e r r o g a t i n go fa t u n a b l ef a b 妒p e m tf i l t e l t h ep r i n c i p l eo f 恤t u i l a b l ef a b r y p e r o t6 1 t e ri si n t m d u c e da n dt h e i n n u e n c eo ft l l ei n s e n i o nl o s so nt h ep e r f o r n l a n c eo fm et u n a b l e f a b r y - p e r o tf i l t e ri sa i l a l y z e d t h co p t i c a lt r a l l s f e rm a t r i x i su s e dt o a n a l y z e 廿l em u l t i - l a y e rm e m b r a n ea sw e l l b a s e do nt h ep r i n c i p l e s ，a n l n a b l e 丘b e rg r i nl e n sf a b r y p e r o tf i l t e r ，w h i c hc o n s i s t so ft w og r i nl e n s o nw h i c hm em u l t i - l a y e rm e m b r 趾eo f h 诎r e n e c t i v i t yi sd e p o s i t e d ，i s d e s i 印e da i l df 如r i c a t e d 1 1 l i st 1 1 n a b l e 丘b e rf a b r y p e m tf i l t e r h a sh i 曲 f i n e s s e ，l o wi n s e r t i o nl o s s ，s i m p l es t m c t l l r ea i l d “i se a s yt oc o l l i m a t ea n d i t sc a “t yc a l lb et u n e di nw i d er a n g e nc a nb eu s e da st h ei n t e 丌o g a t i o n i l i 韭室窒里查兰堡主堡茎 i n s t n l m e mo t 也e 。b os e n s l n gs y s t e m t h ep d n c i p l eo fu s i n gat u n a b l ef i b e rf 姗- p c r o tf i 腑t oi n t e h o g a t et h e b m g gw a v e l e n g t ho f a 助c rg m t i n gi si n n d d u c e d u s i n gt h et 岫a b l es i n g l e m o d ef i b e rf a b r y - p e r o tf i l t e rw ef a b r i c a t e dt h ef b gi i l t e o g a t i o ns y s t e m e x p e r i m e n t so fq l l a s 内a t i cs 删n 印p l i e d t om ef b ga r em e a s u r e d h l c l u d i n gp u r e s t r a i t l e x p e r i i n e m a n dr e f e r e n c ef b gt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o ne x p e 血n e m e 1 ( p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt 1 1 a tt h er e f e r e n c e m e t l l o dc a ne m s e 吐1 ei n f l u e n c eo ft h et e m p e r a t u r ew h e nm e a s u r i n gs t r a i n ， i m p r o v e 也em e a s u r e m e ma c c u r a c y t h er e f e r e n c er n e t l l o d 百v e ni nt 1 1 i st h c s i sa l s oc a nb eu s e di ns o m eo t h e r i m e r r o g 砒i o ns y s t e mb a s e do nt h ei m e i t o g a t i o no fam n a b l ef a b r y p e m t f i l t e lf o rs o m ee x i t c di n t e r r o g a t i o ns ”t e m ，al i t n ea d j u s t i l l e n ts h o u l db e m a d et ot h es y s 把ma n dt h em e a s u r e m e n tp r o 伊锄s h o u l db ed e s i g n e d a g a i n t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a nb ei m p m v e d w i t h o u tc o s ti n c r e a s e k e yw o r d s ：f i b e rb r a g g 铲a t i n g ，i m e r r o g 砒i o ns y s t e m ，t u n a _ b l ef a b r y p e r o t 疗l t e lr e f e r e n c ef b g 1 1 引言 第一章绪论 自从1 9 7 8 年k 0 h i l l 等人采用驻波写入法制成世界上第一只光 纤光栅以来，经过二十多年的发展，光纤光栅已经在制作方法、器件 特性、应用领域等方面取得了不断的进步，它已成为近些年来发展最 为迅速、应用最为广泛的光无源器件之一。 在光通信领域，光纤光栅被广泛用于光纤激光器、光纤放大器、 半导体激光器、光纤滤波器、波分复用器、色散补偿器等领域，大大 促进了光通讯的发展。 在传感领域，光纤光栅也成为近些年来光纤传感领域研究的热点。 它一般可分为b r a g g 光纤光栅传感器、啁啾光纤光栅传感器、长周期 光纤光栅传感器等几类，其中b r a g g 光纤光栅传感器( f b g ) 应用地 最为广泛，它在检测手段和应用领域方面有了很大的进展。光纤光栅 传感器主要具有如下的优点： 1 抗电磁干扰，由于传感量是光波长，因此本质上抗电磁于扰； 2 对光源起伏、光纤弯曲、连接损耗引起的光强变化不敏感； 3 传感信号为波长调制； 4 灵敏度高，波长移动为p m 量级； 5 体积小，光纤光栅的长度在毫米到厘米量级，直径与光纤直径 相同； 6 易于加工，采用相位模板的方法，使得光纤光栅的加工变得简 北京交通大学硕上论文 单； 7 便于波分复用，实现准分布式测量，由于测量量为光波长，因 此在一根光纤上传送多个波长以实现多个传感器的复用。 基于以上的这些优点，使得光纤光栅传感器在智能材料和智能结 构领域有着很大的应用潜力。它可以应变、温度以及由其衍生出的物 理量，如位移、压力、振动等传感量进行测量。国内外的一些研究机 构已经将光纤光栅传感器成功应用于桥梁、航天器、石油工业等领域 的安全检测】。 图b m g g 光纤光栅示意图 b r a g g 光纤光栅是在光纤纤芯内部形成的空间相位光栅，折射率 沿轴向周期性的变化。当宽带光谱的光入射时，满足特定波长条件的 光将被光纤光栅反射，如图1 1 所示。其反射中心波长为b m g g 波长， 有以下公式给出【5 1 ： = 2 门人 ( 1 1 ) 其中如为反射光中心波长，即b r a g g 波长，a 为光纤光栅的栅距， n 为纤芯有效折射率。 由于b r a g g 光纤光栅的栅距a 和纤芯有效折射率n 会因光纤光栅 所受应变及环境温度的变化而变化，因此当光纤光栅所受应变发生变 化，或者环境温度发生变化时，f b g 的b m g g 波长将发生变化，如下 式所示【6 】： 绪论 忙m 肌譬脚m ：料抖 ( 1 z ， 其中是加在f b g 上的应变，r 是温度的改变，只为弹光系数， p 为泊松比，a 为光纤的热膨胀系数( c e t ) 。由上式可以看出，通过 对b f a g g 波长变化量b 的测量，就可以测量f b g 所受的应变s 或环 境温度的变化r 。 近些年来，b r a g g 光纤光栅传感器越来越多地被用于各种工程项目 中，但对于大规模实用化的应用，它还有一些关键的技术问题需要解 决，其中包括长期稳定光纤光栅的制作，b r a g g 光纤光栅传感器的制 作，实用化解调仪的研制，区分应变与温度交叉影响，以及光纤光栅 传感器的复用等问题。在这其中，实用化光纤光栅波长解调仪器的研 制和区分应交与温度的交叉影响是最重要的两个技术问题，同时也是 许多研究机构关注的热点所在。 1 2 实用化光纤光栅波长解调仪器的研制 影响b r a g g 光纤光栅传感器应用的一项关键技术就是如何对光纤 光栅b r a g g 波长进行高精度的解调。虽然光谱分析仪可以用于解调波 长，但是由于光谱分析仪精度相对较低，而且价格昂贵，体积较大 且扫描速度不高，因此不适合大部分的工程应用。工程上需要一种高 精度，较低成本，集成化的解调仪器，因此这也成了许多研究机构努 力的方向。 目前可以用于波长解调的主要方法有：可调谐f a b r y p e r 。t 滤波 北京交通大学硕士论文 器法，c h z e h n d e r 干涉仪法，可调谐波长激光器法，参考光纤光栅 匹配法，下面将详细介绍他们的解调原理及优缺点。 1 可调谐f a b r y p e r o t 滤波器m 1 “： l 一洲卜# q 洲川 一 ，f b g 2 f b g n 图1 2 可调谐f a b f y p e m t 滤波器解调系统示意图 可调谐f a b r y p e r o t 滤波器的腔长与透射光的中心波长有如下关系： 上：坐( 1 3 )p 、j j ， 2 其中l 为f p 腔的腔长，m 为透过峰级次，五为滤波器中心透过 波长，n 为腔内介质折射率。 通过加扫描电压改变腔长，便可以对可调谐f a b r y p e m t 滤波器的 透过波长进行扫描，当透过波长与光纤光栅传感器的b r a g g 波长相匹 配时，探测器将探测到光强极大值。记下此时的扫描电压值，经过标 定后，即可通过加扫描电压得到光纤光栅的b r a g g 波长。当温度变化 时，可调谐f a b r y p e m t 滤波器的腔长往往发生漂移，这对波长测量的 重复性有较大的影响。可以通过设计稳定的结构或温度进行控制等手 绪论 段来减轻温度变化的影响。另外，也可以通过参考波长的方法消除腔 长漂移【9 1 。 可调谐f a b r y p e m t 滤波器的主要参数包括自由光谱区f s r ，精细 度n ，扫描频率等。自由光谱区f s r 代表了可调谐f 抽r y p e r o t 滤波 器的波长扫描范围，精细度n 代表了可调谐f a b r y p e r o t 滤波器对波 长分辨能力。扫描频率即为测量系统对测量点的测量频率。在b r a g g 光纤光栅波长解调中，可调谐f a b 妒p e r o t 滤波器的典型参数是 f s r l 4 0 m ，n = 1 2 0 ，相应的滤波器半峰值带宽0 3 啪。自由光谱区f s r 决定了测量系统可以布置的测量点数，例如当测量点应变变化范围为 0 1 5 0 0 肛时，其波长变化范围约为2 m ，在一条光纤上就可以布置2 0 个测量点。 可调谐f a b 驴p e r o t 滤波器的扫描速度主要取决于压电陶瓷的扫描 速度以及信号的处理速度，目前已有扫描速度为3 6 0 h z 的报到。在 分布式测量中，为了减少解调仪器的使用个数，可以通过空分复用， 时分复用等方法提高每个解调仪器的测量点数，d a v i s 等人利用空分 复用，时分复用相结合的方法实现了6 0 个点的测量，其短时间内噪 声为l 脚打_ 口加【1 。 可调谐f a b r y p e r o t 滤波器法是目前应用最为成熟的一种方法，其 分辨率较高，复用能力好。适于对准静态应变及温度进行测量，而且 由于其结构紧凑，易于实现仪器的小型化。 2 m a c h - z e l l n d e r 干涉仪【1 二1 5 北京交通大学硕士论文 图1 3 m a c h - z e l l i l d e r 干涉仪解调系统示意 m a c h z e l l i l d e r 干涉仪( m z i ) 的输出与光纤光栅传感器的b r a g g 波长有如下关系， ，( a ) = 一n + 女c o s p ( 丑) + m ( f ) b ( 1 4 ) 其中 甲( 工) ：掣 ( 1 5 ) a 为光强幅值，k 为光强比例系数，n 为纤芯的有效折射率，d 为 两臂的长度差，五为入射波长，中( f ) 为随机相位漂移，光程差o p d 大 小为n d 。 当f b g 的b 豫鹊波长在外加应变s 或温度丁时发生变化 时， 相位甲( 五) 的变化为兰掣丑，通过探测器探测光强的变化即可确定a 值。 由对公式( 1 4 ) 的分析可知，通过对光程差o p d 的选择，可以 使得动态测量具有很高的灵敏度。例如，当0 p d 为1 c m 刊，相位变 6 绪论 化与波长变化量的比例系数2 6 r a d ，n m ( 波长位于l5 5 0 n m 附近) 。m z i a 2 的扫描范围f s r = 之，扫描范围与光程差o p d 成反比。可以看出， n d m z i 的扫描范围与分辨率对光程差o p d 的要求相矛盾，在实际应用 中，应根据具体要求选择m z i 的光程差，典型值为几百微米。 当温度变化时，m z i 的光程差0 p d 将发生漂移，由( 1 4 ) 式可 以看出，随机相位漂移o ( f ) 将对光强的输出发生漂移，受其影响，m z i 用于准静态测量将会有较大的误差。为了消除其影响，k e r s e y 等人采 用一光纤光栅用于相位补偿，在l h z 的低频应变作用下实现了 6 m 蝴i 厄的动态测量分辨率，测量稳定性达到了o 5 胪打口加，h 【1 2 1 。 m z i 方法的波长扫描范围较小，一般无法实现几十个点的监测。 基于此，国内外的研究机构对m z i 方法做出了种种改进。b e r k o f r 和 k e r s e y 采用波分复用器实现了对4 个光纤光栅应变的同时测量旧1 。 y j r a o 和d a j a c k s o n 则通过双腔干涉的方法在保证了高分辨率的同 时，大大提高了系统的测量范围。这种方法可将传统的m z i 方法的测 量范围扩大了1 0 0 倍【1 4 】。而m d t o d d 等人则在一套测量系统中同时 使用了m z i 和可调谐f p 滤波器，用可调谐f p 滤波器对波长的测量 范围进行选择，用m z i 在选择的波长范围内实现高精度的测量。这样 就扩大了m z i 方法的测量范围，并保证了测量精度。测量系统中使用 了两个参考光纤光栅来消除m z i 的相位漂移及温度影响，从而使测量 系统不仅适合动态测量，也适合准静态的测量。最终在o 1 h z 下其动 态分辨率达到4 m 相加瓦，最高测量频率达到1 0 k h z ，在准静态测量 时，其精度为0 5 【1 5 】。 m a c h z e l l l l d e r 干涉仪对动态应变的测量具有较好的测量效果，分 7 北京交通大学硕士论文 辨率较高。但是在准静态测量时，由于其光程差o p d 容易发生漂移， 需要对其加以补偿。与可调谐f p 滤波器方法相比，m z l 方法更适合 于动态测量。若要实现分布式多点测量，需要构建比较复杂的测量系 统。 3 可调谐波长激光器【1 6 _ 1 7 l ： 波 图1 4 可调谐波长激光器法解调系统示意图 j i i | i 一 f b g n 与上述两种解调方法选择宽带光源不同，这种方法选择可调谐波 长激光器作为b r a g g 光纤光栅传感系统的输入光源。连续改变激光器 的输出波长，当激光器输出的窄带光的中心波长与f b g 波长相匹配 时，探测器将探测到光强极大值，此时激光器的输出波长即为f b g 的 b r a g g 波长。 由以上原理分析可知，这种方法的测量范围、分辨频率及测量速 度等参数主要由可调谐激光器的特性决定。可调谐波长激光器的波长 扫描范围决定了在一条光路上可布置的光纤光栅传感器的个数。波长 扫描的速度即为光纤光栅b m g g 波长的测量速度。g a b a u 等人采用 可调谐腔长光纤激光器作为光源，对光纤光栅b r a g g 波长进行测量， 分辨率达到了2 3 p m ，测量精度为o 1 o 2 f s r i ”j 。 由于可调谐波长激光器一般具有比较高的功率输出，探测信号具 有较高的信噪比，同时由于激光的光谱带宽窄，便于实现多个光纤光 栅的复用。虽然可调谐波长激光器方法具有比较好的性能，但是可调 谐波长激光器一般价格昂贵，限制了它的应用范围，这种方法常常用 在要求较高的场合。 4 参考光纤光栅匹配方法陋1 9 】 1 1 卜一i 卜井q 洲川l 一 f b g 2 f b g n ( b ) 图1 5 光纤光栅匹配法解调系统示意图 ( a ) 反射法( b ) 透射法 北京交通大学硕十论文 参考光纤光栅匹配法采用光纤光栅作为波长解调元件，利用压电 陶瓷、瓷致伸缩器等位移驱动元件对其进行拉伸，改变其b r a g g 波长 从而对其反射和透射波长进行选择，实现对光纤光栅传感器b r a g g 波 长的解调。由于光纤光栅制作技术的日益成熟，光纤光栅的成本也在 逐渐降低，因此这种方法相对于其他解调方法最大的优点是其低廉的 成本。光纤光栅匹配法可分为反射法( a ) 和透射法( b ) 。反射法是利 用光纤光栅的反射谱对光纤光栅传感器的b m g g 波长进行解调，当二 者波长匹配时，探测器将探测到光强极大值。d - a | j a c k s o n 等人采用这 种方法实现了对4 个光纤光栅传感器的同时测量，应变分辨率达到了 4 1 2 埘【1 8 】。透射法则是利用光纤光栅的透射谱对光纤光栅传感器的 b r a g g 波长进行解调。当二者波长匹配时，探测器将探测到光强极小 值。m a d a v i s 和a d k e r s y 用这种方法实现了对6 个光纤光栅传感 器的测量。波长测量的线性范围达到1 0 0 埘，动态测量的分辨率达到 o o l 卢加加面【坞】。反射法与透射法各有优缺点，反射法需要更多的 耦合器和探测器，其光强损失较大，信号较弱。但其结构比较简单， 信号处理容易。当解调多个光纤光栅传感器时，透射法需要多个压电 陶瓷分别解调，而反射法只需要一个压电陶瓷，结构较为简单，控制 方便。 与其他解调方法相比较，光纤光栅匹配法结构简单，成本低，分 辨率较高。但是由于受材料特性的影响，光纤光栅的伸长量不能过大， 因此其波长扫描范围受到了一定限制( 单个光纤光栅扫描典型值为 5 m n ) 。 1 _ 3 区分应变与温度对f b g 反射波长变化量的交叉影 响 由b f a g g 光纤光栅传感原理的( 1 2 ) 式分析可知，当加在f b g 上 的应变或环境温度发生改变时，f b g 的b r a g g 波长都会发生改变，因 此仅仅测出b r a g g 波长并不能直接确定应变或温度的变化。温度的漂 移对主要对准静态测量产生影响，对于动态测量，由于温度的漂移不 会太快，因此不会产生影响。在实际的准静态应用中，为了得到可靠 的应变或温度测量结果，必须区分应变和温度对b r a g g 波长的影响， 这是光纤光栅应用中另一项需要解决的关键技术。目前人多数b r a g g 光纤光栅传感器都是用于应变的测量，因此研究主要集中于如何消除 温度对应变测量的影响，主要的方法有： 1 、温度补偿封装法【2 0 1 。对f b g 进行温度补偿的封装，当温度变 化时，封装结构尺寸发生微小的变化，对f b g 施加一个额外的应变， 用于抵消光纤光栅自身随温度变化而产生的波长漂移。用公式可以表 示为 五= k 。s + 足r r = k ( 日+ s 2 ) + 芷r r = k s 毛 ( 1 6 ) 其中k 。为波长随应变变化系数，岛为波长随温度变化系数，r 为f b g 所受总应变，为测量点处的实际应变，岛为f b g 封装结构受温度 影响而加在f b g 上的应变，r 为环境温度的变化量。通过选择合适 的封装结构，可以使得k 。s ：+ 丘，r = o ，这样便消除了温度变化的影 响。这种方法的优点是每个测量点只需一个f b g ，结果简单。缺点为 对封装材料的膨胀系数及封装结构的稳定性要求较高。 北京交通大学硕士论文 2 、温度参考光纤光栅法【1 2 j 【2 1 】口2 l 。选择两个相同参数的f b g 对同 一点进行测量，其中一个f b g 固定于工件上，同时受应变和温度影响， 另外一个f b g 不固定，只受温度影响。由此，可以得到方程组 j 厶2 岛r( 1 7 ) l = k s + 芷r r 解此方程组，就可以得到固定于工件上的f b g 所受的应变s 。这 种方法的优点是操作较为简单，在测出应变得同时，也可同时测出环 境的温度，实现了双参数测量。缺点是需要严格保证两个f b g 的波长 温度系数肼相同。 3 、双波长方法。采用两个参数不同的f b g 对同一点进行应变和 温度测量，安装两个f b g 时应保证它们之间的距离足够近，以保证它 们所受到的应变与所处温度环境相同。这样，可以得到方程组 乜烈i 0 s ， 由此可以解出测量点的s 、r 。为使方程有解，需要满足巨：姜引；。 这种方法不仅可以得到测量点的应变，也可以同时测出环境温度的变 化，实现了两个参数的同时测量。由于在同一波段的光纤光栅参数相 近，不易于应变与温度的区分，所以常常使用不同波段的光纤光栅( 典 型为8 5 0 n m 和1 3 0 0 姗) 【功，但是由于这种方法需要两个宽带光源， 系统稍显复杂。j a m e ss w 等人使用两个同一波段的光纤光栅，但这两 个光纤光栅具有不同的直径，这样便使得两个光纤光栅具有不同的参 数，满足了矩阵非零的要求【2 3 1 。 4 、光强测温法。通过光强与待测点温度的关系来确定温度，以消 除温度对波长变化量的影响。通过解方程组 j ，。彳，( 1 9 ) 【= 口占+ c t 2 解出需要测量的s 。其中包括使用e b f a 的a s e 噪声方法2 4 1 、特 殊结构f b g 【2 5 】、利用特殊材料对温度的敏感性等方法口6 1 。 5 、多种光纤光栅结合法。利用啁啾光栅或长周期光纤光栅与b r a g g 光纤光栅组成复合型传感器，利用它们的特殊性质确定温度【2 7 1 。 由以上分析可以看出，光纤光栅传感器与其他传统传感器相比具 有诸多优点，这些优点使得它具有很大的潜力来应用于各种工程。因 此，早日解决制约其大规模实用化的技术问题，尤其是实用化解调仪 器及区分应变与温度的交叉影响，就显得尤为重要。 1 4 论文工作的主要内容 本论文主要针对光纤光栅传感器实用化应用中所面临的问题展 开，提出并实现了一种新颖的基于可调谐光纤f a b r y p e m t 滤波器的光 纤光栅传感系统。具体包括以下内容： 第一章主要介绍了光纤光栅的传感原理，分析、对比了可调谐 f a b 妒p e r o t 滤波器等四种主要波长解调方法的测量原理、优缺点及适 用的应用场合，对如何区分应变与温度对f b g 反射波长变化量影响的 方法进行了归纳，指出了本论文的背景及意义。 第二章主要介绍了光纤光栅传感系统的关键器件一可调谐光纤 f a b r y p e r o t 滤波器的原理及研制。首先对可调谐光纤f a b r y p e r o t 滤波 北京交通大学硕士论文 器进行了详细的理论分析，并对传统的光纤f a b r y p e m t 滤波器提出改 进，以端面镀高反膜的准直器作为腔镜研制了高精细度低损耗的可调 谐光纤f a b 驴p e r o t 滤波器。 第三章主要介绍了利用实验研制的可调谐光纤f a b r y p e r o t 滤波 器作为光纤光栅传感器的解调系统，进行单点准静态应变测量实验。 实验结果表明使用参考光纤光栅温度补偿法进行单点准静态应变测 量可以有效地消除温度变化的影响，提高测量精度。 第四章对本论文的工作进行了总结及展望。 1 4 町调谐光纤f a b r y - p e r o t 滤波器的研制 第二章可调谐光纤f a b r y - p e r o t 滤波器的研制 由第一章的介绍可知，光纤光栅传感器应用的关键就在于测量出 光纤光栅b m g g 波长的变化量，进而计算出施加在光纤光栅上的应变 或温度。因此，解调就成为光纤光栅传感系统最重要的组成部分。在 文献报道的各种解调方法中，可调谐光纤f a b r y p e r o t 滤波器足经济性 与实用性都较好的一种方法，其分辨率较高，复用能力好，适于对准 静态应变及温度进行测量，而且由于其结构紧凑，易于实现仪器的小 型化，很多工程应用都是以它作为解调仪器。本论文亦用可调谐光纤 f p 滤波器作为光纤光栅波长的解调仪器。 2 1 光纤f a b 巧一p e r o t 滤波器的理论基础 f a b r y p e r o t 腔的滤波特性是人们所熟悉的多光束干涉现象。本节 将简要概述f p 腔的工作原理和基本参数、腔内损耗对光纤f a b r y p e r o t 滤波器的影响及多层介质反射膜的矩阵分析。 2 f a b r y p e r o t 滤波器的性能描述 众所周知，在如图2 1 ( a ) 所示的f p 腔中， 成如图2 1 ( b ) 所示的透过特性可表示为： 4 = 志4 由于多光束干涉形 ( 2 1 ) 北京交通大学硕士论文 l = 而舌而l = 而高丽 冠r矗，r 至 ，、l i 5 ：讽f 、 l7 k ff l 2 ( b ) 图2 1f a b r y p e r o t 滤波器原理示意图 其中4 ，j 。分别为入射光场的振幅和光强，4 ，。为出射光场的振幅及 光强。5 为相邻两束光的相位差： 万：挈饵c 。s 口( 2 3 ) r ，r 分别为镜面的反射率和透射率( 在理想状况下，r + r = 1 ) ，”为 可调谐光纤f a b r y p c r o t 滤波器的研制 腔中介质折射率，。为腔长。当光波长z 使得d 满足占= m2 z ( m 为 正整数) 时，有极大透过峰。这就形成了f p 腔的具有波长选择性的透 过特性，从而达到滤波的效果。 f a b r y - p e m t 腔的通带宽度f 定义为，( f ，( ) = v 2 时的透过峰宽度( 相 域) ： 占；驾孚 ( 2 4 ) 尺 两个相邻透过峰的频率间隔( 在相域，即为j ( 五：) 一占( 五。) = 2 ，r ) 称 为f a b 驴p e r o t 腔的自由谱区( f s r f r e es p e c t r l l i i l r a i l g e ) ，表示为： r 豫= 叫2 心 ( 2 5 ) 上。为f a b i y p e r o t 腔的腔长。 f a b r y p e t 腔的细度( f i n e s s e ) 则定义为f s r 与f 的比： = 等= 等= 啬旺s ， ，f 刀g 跚= 扑= ( 2 6 ) s占l k 于是，通常用f s r ，f i n e s s e ，峰值透过率( 插入损耗) 这三个参 数来标定一个f a b 妒p e r o t 腔的性能。 以上是在理想情况下得到的表达式，当f a b r y p e r o t 腔中存在损耗 时，应对上面的表达式做相应得修改。若设腔内的单程损耗为l ，则 峰值透过率： 下 丁2 ( 1 一三) 一 7 1 2 1 1 一r ( 1 一) 】2 1 ( 1 一l ) 一只】2 当三 1 时，简化为： 北京交通大学硕士论文 巾 r 2 l 2 i 再万。丽晓8 细度公式则变为： 砌黜p ：蜩。土( 2 9 ) l r ( 1 一l + r 由此可见，f p 腔内的损耗l 将使f p 腔的细度和峰值透过率下降 损害f p 滤波器的性能。 光纤f a b r y p e r o t 滤波器的损耗主要在于光纤两端面的不平行、 腔内的衍射损耗等。 2 1 2 损耗对光纤f a b r y p e r o t 滤波器的影响3 0 】 对光纤端面直接镀膜所带来的损耗，m a m u s e 曾做过详细的分析， 可直接引用其结果，因此，本文对腔内损耗只以l 来代表，由( 2 8 ) 式 和( 2 9 ) 式做整体的定量分析。 图2 2 为在不同附加损耗l 下，细度随反射镜的透过率的变化情 况。由图可见，l o 2 时，提高反射率可以较大幅度地提高腔的细 度。而当l 2 时，细度的变化已很小，提高反射镜的反射率对提高 细度已贡献不大。但增加反射镜的反射率将会使得腔的峰值透过率大 大减小。所以，当附加损耗一定时，应适当地选择反射镜的反射率来 优化腔的参数，以免无效地提高反射率，至使f a b r y p e r o t 光滤波器 的细度提高有限，反而使其插入损耗增大。 图2 3 为在不同的附加损耗下，腔的峰值透过率随反射镜的透过 率的变化情况。可以看出，在反射率较大时，峰值透过率极小，( 即 使腔内的总损耗只有0 叭，其峰值透过率也只有2 5 ) ，而当反射 可调谐光纤f a b 妒p e m t 滤波器的研制 率为9 9 、腔内损耗为o 5 时，腔的峰值透过率也有4 0 。 当反射镜的反射率一定时，减小腔内损耗，可以增大其峰值透过 率及提高细度。但在腔内存在一定的损耗( o 5 ) 时，提高反射镜的 反射率，可以增大腔的细度( 反射率从9 9 到9 9 5 ，细度由2 5 0 到 3 0 0 ) ，但腔的峰值透过率急剧减小( 4 0 到2 0 ) 。因此，在f a b r y p e r o t 光滤波器的研制中，应综合考虑这些参数的选择，从而优化器 件的性能。 综上所述，减小腔内损耗是提高f a b r y p e r o t 滤波器的细度及峰 值透过率的主要途径。提高反射镜的反射率来提高细度只是在腔内损 耗较小时才有意义，否则，细度提高不多，而使f a b r y p e r o t 光滤波 器的插入损耗大增。腔内损耗一定时，选择反射镜的透过率小于附加 损耗是没有意义的，它只能使细度有微小的改善，却同时使f a b r y p e r o t 光滤波器的插入损耗恶化。 i i 口o f 鬣6 2 廿0粪“蚝 ns 筠 曳 “。吼 - 、jj 呈b 如年 m 打t 竹t 托州时出蜥t ) 图2 2 不同的附加损耗下，细度随反射镜的透过率的变化情况 北京交通大学硕士论文 一 z ：三幺2 k 0 d t 0 1li 口 堋r t wn n m ( x ) 图2 3 不同的附加损耗下，腔的峰值透过率随反 射镜的透过率的变化情况 2 1 3 多层介质反射膜的矩阵分析2 8 】 f p 腔是由两个具有高反射率的反射镜面组成的。此反射镜面可以 是金属反射膜或多层介质反射膜等。由于金属反射膜的反射率固定， 不可调整，反射光有相位突变，在光学系统中一般多采用多层介质反 射膜来形成反射镜面。 对多层介质反射膜的分析有多种方法。可用多光束相干迭加法， 此方法具有比较直观的物理观念，但所得的解析式比较复杂，不利于 计算，特别是在斜入射时的薄膜反射特性，计算更显繁琐。这里利用 光学传输矩阵进行，所得解析式的关系比较清晰，有利于数值计算。 考虑图2 4 所示的多层介质膜，用崖+ ，存+ 分别表示正向传播的 电场分量与磁场分量，点一，存一分别表示反向传播的电场分量与磁场 分量，在每层中的电场与磁场分量则为： 拍 的 o ， xe譬曩e口bl 可调谐光纤f 曲r y p e r o t 滤波器的研制 耋= 肇+ 旺1 0 ) 壬l = n + 秘一 ”o 球 e i 川日 k 一：e e i i 啊f e ： 砟、戤】0e j 10 1r z 图2 4 多层介质膜分析示意图 我们选z ：o 处为入射媒介与介质膜的界面；为入射媒介的折射率； q 为第i 层介质膜材料的折射率；为基底的折射率；吐为第f 层介质 膜的厚度；e ，日，分别代表第f 层介质膜中的电场与磁场矢量；岛为 利用在各层界面处的电场与磁场边界条件，可得到各层介质的光 盼嚣晒9 4 倒眨，。， i i = 一l ul，、 恼j “h 矿晒j l 瓯。j 旺j 其中f l + 1 分别为第f 层介质与第f + 1 层介质膜界面上的菲涅耳 系数，4 ：挈吩珥c o s 辞为光经过第f 层介质膜后产生的相位差。假设多 北京交通人学硕上论文 层介质反射膜的层数为m ，则有： 阱忐刍等 2 # 伊1 。峨慷+ ，1 蛾p 1 氏 l l oj 其中氏= 等d 。c 。s 如，a ，b ，c ，d 为多层介质反射膜的光学传输矩阵元。 将场分成振动方向与入射面平面平行( p 分量) 和垂直( s 分量) 两部分，其菲涅耳系数分别为： 铲等舞篇 汜5 一lc o s 一l + c o s 氏 “。1 j = 杀嘉罴蒜 a ，3 咒m 一1c o s 氏一1 + c o s 气 1 4 2 等舞薷舞 眩 1 唧 订州一1c o s 先+ 胛卅c o s 如一1 u ” 2 挖。一1c o s 色 2 磊面瓦i 而 1 6 式中： s i i l 岛= 啊s i n q 一= n s i n 占= n 。+ 1s i n + 1 ( 2 1 7 ) 由式( 1 3 ) 可以得到多层介质膜的反射率与透过率分别为： k ，= 斟钳 b 可调谐光纤f a b r y - p e r o t 滤波器的研制 而总的反射率与透过率则分别为 r = 伍。+ r ，) 2 r = 杌+ 巧) 2 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 利用以上公式可以计算多层介质反射膜的特性。 2 2 可调谐光纤f a b 巧一p e r o t 滤波器的实验研制 根据前面的分析，在实际制作中影响可调谐光纤f p 滤波器( f f p f ) 的性能的主要因素为： ( 1 ) 光纤f p 滤波器的结构，它包括腔镜的选择与准直、整体结 构的稳定性、压电陶瓷的选择等； ( 2 ) 腔镜端面高反膜的选择； 目前国内外关于光纤可调谐f p 滤波器的研制最多的做法是在光 纤端面直接镀膜，其结构主要有三种，目的在于满足不同f s r 的需要 和降低f f p f 的插入损耗。图2 5 为这三种f f p f 的结构示意图【2 8 】【3 l 】： f i b e r vj血耐纽 誊| | 兰 堑 北京交通大学硕士论文 f i b e r 图2 5 光纤可调谐f p 滤波器的结构示意图 ( a ) t y p ei ( b ) t y p ei i ( c ) t y p ei i i ( a ) t y p ei 为光纤波导腔型f f p f 。如图2 5 ( a ) 所示，光纤两端 面直接镀高反膜，光纤本身构成f p 谐振腔，通过压电陶瓷拉伸光纤 来调节腔长。由于受结构限制，其f s r 较小，f p 腔的腔长一般为厘 米到米量级。这是最早研制的f f p f 的结构。 ( b ) t y p e 为空气隙腔型f f p f 。如图2 5 ( b ) 所示，光纤端面镀 高反膜，两个端面与之间的空气隙共同构成f p 腔。压电陶瓷驱动其 中之一的腔镜沿轴向运动，对腔长进行扫描。由于受插入损耗的影响， f p 的腔长不能过长，一般小于1 0 um 。这就在一定程度上限制了可 调谐f p 滤波器的带宽。 ( c ) t y p ei i i 为改进型波导腔型f f p f 。如图2 5 ( c 1 所示，住空 气隙腔滤波器的基础上，腔内加入一段光纤波导，这样便可以有效克 服插