无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器的制作方法

专利名称：无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种可用于各种物理量、化学量、生物量测量的无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器。
背景技术：
基于法布里-珀罗千涉仪(FPI)原理的光纤法布里-珀罗干涉传感器(FFPIS)在过去20多年取得了长足的发展，其应用遍及物理、化学、生物等领域。光纤法布里-珀罗干涉传感器的类型包括本征法布里-珀罗干涉传感器(IFPIS)、非本征法布里-珀罗干涉传感器(EFPIS)、同轴光纤标准具、基于微机电系统(MEMS)的干涉传感器、薄膜千涉传感器、多腔F-P干涉传感器和其他各种类型FFPIS的器件。这些光纤F-P干涉传感器都有其各自的特点和应用范围。但他们靠的是两反射端面的轴向运动来改变法布里-珀罗腔长，多用在温度、应力等参数的测量，应用范围有限。而采用两反射端面无导向的结构，可以大大扩展光纤F-P传感器的应用范围，但是，到目前为止还未见有关无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器的报道。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器，本发明可用于各种物理量、化学量和生物量的测量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 一种无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器，它主要由白光光源、2x2光纤耦合器、压电陶瓷、光谱仪和计算机组成。所述2x2光纤耦合器一侧的两根光纤分别连接白光光源和光谱仪，另一侧的两根光纤中， 一根缠成若干圆环，另一根光纤的端部切平形成光纤端面，靠近光纤端面处固定在压电陶瓷上。所述光谱仪和计算机之间通过USB接口相连。所述光纤端面在压电陶瓷的控制下靠近被测物体的表面，光纤端面和被测物体的表面之间形成法布里-珀罗谐振腔。本发明的有益效果是本发明是一种无导向型光纤F-P干涉传感器(UFFPIS)，即它的两个反射面之间没有固定连接，光纤端面与被测物体表面之
间形成法布里-珀罗谐振腔，计算机分析反射回光纤的光谱信号可以获得法布里-珀罗腔长值。由于光纤端面和被测物表面之间没有任何连接，二者可以做横向
相对运动，这就使得这种结构的F-P千涉传感器具有非常广泛的应用
1. 可以用来对一些物体的表明形貌和粗糙度进行非接触测量。
2. 可以测量物体的震动。
3. 可以将被测液体涂敷在基片上，通过无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器光纤
端面扫描基片来分析液体中微生物的含量。
4. 可以作为定位装置，将无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器的光纤端与微纳光纤捆绑，控制微纳光纤进行微纳激光捕获或微纳激光手术。


图1是本发明无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器的原理图2是本发明无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器的系统结构示意图。
具体实施例方式
下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图1所示，本发明无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器的基本原理是光纤端面1切平，在电控平移台和压电陶瓷的控制下接近被测物体2的表面，光纤端面1和被测物体2的表面之间形成法布里-珀罗谐振腔。由于光纤端面1和被测物体2的表面之间没有任何连接，二者可以做横向相对运动，这就使得这种结构的F-P干涉仪具有非常广泛的应用前景。
因为法布里-珀罗谐振腔两个表面的反射率相差较大，而且因为每次测量的物体不同，表面反射率不是固定值，传统算法不适合用来解调腔长信号，因此，本发明无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器的信号处理采用质心算法。
如图2所示，本发明的无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器主要由白光光源3、 2x2光纤耦合器4、压电陶瓷5、光谱仪6和计算机7组成。2x2光纤耦合器4一侧的两根光纤分别连接白光光源3和光谱仪6，另一侧的两根光纤中， 一根缠成若干半径很小的圆环以减少杂散光的千扰，另一根光纤靠近光纤端面1处固定在压电陶瓷5上，光纤端面1事先用光纤切割装置切平。光谱仪6和计算 机7之间通过USB接口相连。光纤端面1在压电陶瓷5的控制下靠近被测物体2 的表面，光纤端面1和被测物体2的表面之间形成法布里-珀罗谐振腔。
光从白光光源3耦合进入光纤，经过2x2光纤耦合器4后进入由光纤端面1 和被测物体2的表面之间形成的法布里-珀罗谐振腔，法布里-珀罗谐振腔返回 的光信号再次经过光纤耦合器4进入光谱仪6，光谱仪6采集光谱信号后，通过 USB接口把光谱信号送入计算机5，计算机5把光谱信号转换成法布里-珀罗腔 长"直。
无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器产生的干涉光谱信号包含着法布里-珀 罗谐振腔的腔长信号，光谱条纹的最值追踪法是最常用的腔长信号解调方法。 这种方法是通过识别条纹的最值位置来确定条纹的级次和计算谐振腔两反射面 之间的光程差(0PD)。虽然这种方法获得了广泛的应用，但是它的局限性在于 它需要高的信噪比以正确的识别条纹级次，还需要高的探测器分辨率来提高测 量灵敏度。通过对光谱信号的傅立叶变换来解调信号也是常用方法之一，关键 是它可以对多路法布里-珀罗干涉传感器的复用信号解调。首先对光谱仪输出的 光谱信号均匀采样，然后做傅立叶变换。从信号的频域获得0PD也有很多种算 法。最简单的是把频谱中的0PD谐振峰的峰值作为腔长值，但这种方法受频域 离散信号采样间隔的限制，分辨率很低。有一种基于频率估计的算法可以实现 非常高精度的测量，这是一种非常先进的算法，但是此种算法对信噪比要求很 高，另外运算量也比较大。还有的信号处理算法需要预知法布里-珀罗干涉传感 器的精确结构模型，所以只适合于某种结构固定法布里-珀罗干涉传感器，不适 合用于无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器测量不同反射率的物体。本发明所采 用的一种质心算法，通过计算法布里-珀罗腔长信号频域谐振峰的质心来确定腔 长，这种质心算法简单快速，不需要对光谱归一化，不需要传感器的结构参数， 不需要滤波，系统噪声影响小，具有高的位移分辨率。
本发明无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器的独特之处在于，法布里-珀罗 谐振腔两个表面的反射率相差较大，而且因为每次测量的物体不同，表面反射 率不是固定值，这就需要合适的算法来解调法布里-珀罗谐振腔腔长信号，本发 明所述无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器包含了相应的质心信号处理算法，其 计算公式式为
丄〖中帥Q
5FC/Q)是干涉光谱的傅立叶变换，"和6分别是频域一次谐振峰曲线的起点坐标 和终点坐标。对于计算机处理的离散信号，公式变换为
丄=附-a_
其中F(m)是光谱仪输出光谱信号的离散傅立叶变换，q是频域的取样间隔，"是 一次谐振峰信号的起始取样点，6是它的终止取样点。
权利要求
1. 一种无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器，其特征在于，它主要由白光光源、2×2光纤耦合器、压电陶瓷、光谱仪和计算机组成。所述2×2光纤耦合器一侧的两根光纤分别连接白光光源和光谱仪，另一侧的两根光纤中，一根缠成若干圆环，另一根光纤的端部切平形成光纤端面，靠近光纤端面处固定在压电陶瓷上。所述光谱仪和计算机之间通过USB接口相连。
2. 根据权利要求l所述的无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器，其特征在于，所 述光纤端面在压电陶瓷的控制下靠近被测物体的表面，光纤端面和被测物体 的表面之间形成法布里-珀罗谐振腔。
全文摘要
本发明公开了一种无导向光纤法布里-珀罗干涉传感器，它主要由白光光源、2×2光纤耦合器、压电陶瓷、光谱仪和计算机组成。2×2光纤耦合器一侧的两根光纤分别连接白光光源和光谱仪，另一侧的两根光纤中，一根缠成若干圆环，另一根光纤的端部切平形成光纤端面，靠近光纤端面处固定在压电陶瓷上。所述光谱仪和计算机之间通过USB接口相连。所述光纤端面在压电陶瓷的控制下靠近被测物体的表面，光纤端面和被测物体的表面之间形成法布里-珀罗谐振腔。由于光纤端面和被测物表面之间没有任何连接，二者可以做横向相对运动，这就使得本发明具有非常广泛的应用。
文档编号G01D5/26GK101509789SQ20081016317
公开日2009年8月19日 申请日期2008年12月18日 优先权日2008年12月18日
发明者徐建峰, 杨国光, 梁宜勇, 丰 田, 剑 白 申请人:浙江大学