基于Vernier效应的法布里-珀罗传感器增敏方法

刘燕燕; 刘磊; 刘雪强; 王燕涛; 张鑫; 王明君; 齐跃峰

doi:doi:10.3788/AOS201939.0428001

光学学报, 2019, 39 (4): 0428001, 网络出版: 2019-05-10

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Sensitivity Improvement of Fabry-Perot Sensor Based on Vernier Effect

论文大纲

刘燕燕 ^1,2,3刘磊 ^1,*刘雪强 ^1,2王燕涛 ⁴张鑫 ¹王明君 ¹齐跃峰 ^1,2

作者单位

¹ 燕山大学信息科学与工程学院, 河北秦皇岛 066004

² 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北秦皇岛 066004

³ 巴音郭楞职业技术学院电子信息工程学院, 新疆库尔勒 841000

⁴ 燕山大学里仁学院, 河北秦皇岛 066004

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摘要

设计了一种分离型光纤传感增敏结构,并联连接两个腔长相近的法布里-珀罗(F-P)腔。理论分析了此结构的增敏原理并制备了两组增敏结构。实验结果表明,增敏结构的压强灵敏度值由单F-P结构的4.85 nm/MPa提高到43.95 nm/MPa,温度灵敏度由单F-P腔的0.0675 nm/℃提高至0.40364 nm/℃,在相同温度下采用双腔结构可消除温度交叉敏感对测量结果的影响。此结构克服了集成式增敏结构的缺陷,在不影响原传感器结构的情况下提高了灵敏度,且可通过更换辅助腔来调节灵敏度,具有移植性好和交叉敏感小等优势。

Abstract

A separation type fiber sensor structure is designed to improve sensitivity, in which double Fabry-Perot (F-P) cavities with similar cavity lengths are connected in parallel. The sensitization principle of this structure is theoretically analyzed and two groups of sensitizing structures are prepared. The experimental results show that the pressure sensitivity of the sensitizing structure is increased to 43.95 nm/MPa from 4.85 nm/MPa of the single F-P structure. The temperature sensitivity is increased to 0.40364 nm/℃ from 0.0675 nm/℃ of the single F-P cavity. At the same temperature, the use of double cavity structure can eliminate the effect of temperature cross-sensitivity on measurement results. The structure overcomes the defects of integrated sensitization structure, and increases the sensitivity without affecting the original sensor structure. The sensitivity can be adjusted by replacing the auxiliary cavity. This structure has the advantages of good portability and small cross-sensitivity, etc.

1 引言

光纤法布里-珀罗(F-P)传感器具有结构简单、耐腐蚀和抗电磁干扰等优点,且可应用于复杂极端环境测量^[1-4],越来越受到研究人员的关注。目前光纤F-P传感技术已成功应用于压力、温度及超声等物理量的测量^[5-7]。高测量灵敏度一直是研究者追求的一个目标^[8],近年来,光学游标(Vernier)效应作为提高光学传感器灵敏度的方法,为解决这一问题提供了一个很好的思路。游标效应最早是应用于长度测量,其利用主尺和游尺的长度相近来提高测量精度,同时可以通过控制主尺和游尺的差距来控制测量精度。2009年,Dai^[9]和Jin等^[10]分别在光纤环状传感器中引入了游标效应,串联两个环状结构完成了对折射率的超高灵敏度检测,由于环状结构的不宜封装性,该结构传感器未能普及。2015年,Shao等^[11]提出了一种串联Sagnac结构的光纤温度传感器,其灵敏度是单一结构的10倍。2016年,哈尔滨工业大学胡玲^[12]提出了一种由毛细玻璃管和沙林树脂构成的三面双F-P结构,分别完成了对压强和温度的测量。

目前,基于游标效应的双F-P增敏结构多为集成式结构,其双腔紧邻,干涉光谱受三个反射面调制。集成式双F-P结构的灵敏度有明显提高,但由理论分析可知,集成式双F-P结构的辅助腔与传感腔处于同一环境,此时辅助腔会受被测量影响,从而造成增敏效果下降,且随传感量的变化,辅助腔谱线会发生非线性变化,这会影响测量精度。目前在集成式双F-P传感器的报道中均未考虑传感量对辅助腔的影响,也均未有实验证明辅助腔完全不受传感量的影响。

本文提出一种分离式双F-P增敏结构,利用两个环形器,并联两个腔长相近但不相等的光纤F-P腔,匹配出游标效应,用于提高传感灵敏度,且可通过更换辅助腔调节灵敏度。采用传感腔和辅助腔分离结构:一方面可以避免辅助腔受到传感量影响;另一方面,结构相同的双腔对交叉敏感量感应相同。根据光学游标效应理论,传感腔和辅助腔变化对干涉光谱的影响相反,因此可消除交叉敏感对测量结果的影响。

2 传感器结构和工作原理

图1所示为单个光纤F-P干涉结构。在单个光纤F-P干涉仪中,第一个反射面M1为单模光纤(SMF)的切割面,反射率约为4%,第二个反射面M2为金属膜,具有较高的反射率。

图 1. 单个F-P干涉结构

Fig. 1. Single F-P interference structure

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设两个反射面的反射比分别为r₁和r₂,则从左侧SMF入射的光,经过两个反射面调制后,其光强为^[13]

I_{R} = \frac{r_{1}^{2} + r_{2}^{2} + 2 r_{1} r_{2} \cos ϕ}{1 + (r_{1} r_{2})^{2} + 2 r_{1} r_{2} \cos ϕ} I_{0}, (1)

式中:I₀为初始光强;ϕ为初始相位差,ϕ= $\frac{4 π nd \cos β}{λ}$ ,n为空气折射率(n≈1),d为F-P腔的腔长,λ为入射光波长,β为入射角,此结构中光线垂直端面入射,入射角约为0°。两端面之间距离远大于光纤端面直径,光纤端面反射比r₁较低,可近似为双光束干涉,此时干涉光强为

I_{R} = I_{0} r_{1}^{2} + I_{0} (1 - r_{1}^{2}) r_{2}^{2} + 2 I_{0} r_{1} r_{2} \sqrt[]{1 - r_{1}^{2}} \cos ϕ 。 (2)

在宽带光源的F-P干涉中,相同的干涉级次下,干涉峰值波长和腔长的关系式为

2 nd = k λ_{k}, (3)

式中:k为干涉级次(k=1,2,3,…),λ_k为k级次下干涉光谱峰值对应的波长。由(3)式可知,在同一个干涉级次下,随腔长的变短干涉光谱峰值波长会发生蓝移,随腔长的变长而发生红移。

图2所示为分离式双F-P腔增敏结构。光由宽带光源(ASE)产生,经由环形器进入辅助腔,调制后进入传感腔再次被调制,最终由光谱仪(OSA)接收经过两次调制的光信号。经过双腔的调制后,总干涉光强为

I_{r} = I_{12} + I_{34}, (4)

式中:I₁₂=I₁+I₂+2 $\sqrt[]{I_{1} I_{2}}$ cos ϕ_a,I₃₄=I₃+I₄+2 $\sqrt[]{I_{3} I_{4}}$ cos ϕ_s,I₁为辅助腔的光纤切面的反射光光强,I₂为辅助腔金属膜面的反射光光强,I₃为传感腔光纤切面的反射光光强,I₄为传感腔金属膜面的反射光光强,ϕ_a为辅助腔产生的相位差,ϕ_s为传感腔产生的相位差。

图 2. 分离式双F-P腔增敏结构

Fig. 2. Separation type double F-P cavity sensitizing structure

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由光学游标效应理论可知,双腔干涉光谱的包络函数为^[14]

I_{e} = D + 2 m \cos [\frac{4 π (d_{s} - d_{a})}{λ}], (5)

式中:D为包络函数的常数部分,m为单腔干涉的振幅,d_s为传感腔腔长,d_a为辅助腔腔长。

由自由光谱区波长λ_FSR=λ²/(2nd)得,包络的自由光谱区为^[15]

λ_{FS R_{e}} = \frac{λ_{FS R_{a}} λ_{FS R_{s}}}{λ_{FS R_{a}} - λ_{FS R_{s}}}, (6)

式中: $λ_{FS R_{e}}$ 为总干涉光谱包络的自由光谱区, $λ_{FS R_{a}}$ 为辅助腔的自由光谱区, $λ_{FS R_{s}}$ 为传感腔的自由光谱区。

传感腔对传感量的灵敏度为

\frac{Δ λ_{s}}{Δ X} = λ_{s - k} (\frac{1}{n} \frac{Δ n}{Δ X} + \frac{1}{d_{s}} \frac{Δ d_{s}}{Δ X}), (7)

式中:Δλ_s为传感腔的光谱变化量,λ_s-_k为k阶次的峰值波长,Δn为折射率变化量,X为传感量,ΔX为传感量的变化量,Δd_s为传感腔腔长的变化量。

双腔对传感量的灵敏度为

\frac{Δ λ_{e}}{Δ X} = λ_{s - k} (\frac{1}{n} \frac{Δ n}{Δ X} + \frac{1}{d_{s}} \frac{Δ d_{s}}{Δ X}) \frac{λ_{FS R_{a}}}{λ_{FS R_{a}} - λ_{FS R_{s}}}, (8)

式中:Δλ_e为干涉包络的光谱变化量。对比(7)式和(8)式可以看出,双腔增敏结构的灵敏度相对于单腔增敏结构的灵敏度的放大倍数为

M_{1} = \frac{λ_{FS R_{a}}}{λ_{FS R_{a}} - λ_{FS R_{s}}} 。 (9)

如果辅助腔腔长变化而传感腔腔长不变化,测量灵敏度的增大倍数为

M_{2} = \frac{λ_{FS R_{s}}}{λ_{FS R_{s}} - λ_{FS R_{a}}} 。 (10)

双腔同时变化时,有

Δ λ_{e} = Δ λ_{s} M_{1} + Δ λ_{a} M_{2} = Δ λ_{s}, (11)

式中:Δ $λ_{FS R_{a}}$ 为辅助腔的光谱变化量。

当传感腔和辅助腔的腔长变化量相同,即Δd_s=Δd_a时,有

D + 2 m \cos \{\frac{4 π [d_{s} + Δ d_{s}) - (d_{a} + Δ d_{a}]}{λ}\} = D + 2 m \cos [\frac{4 π (d_{s} - d_{a})}{λ}] 。 (12)

根据(12)式,当双腔的腔长变化相同时,总干涉光谱包络并未发生变化,若双腔处于相同的交叉敏感环境中,交叉敏感量对总干涉光谱无影响。进行仿真研究发现,双腔的增敏倍数在光谱中表现为总干涉包络中的条纹数。

图3为干涉叠加仿真光谱,设置传感腔长为300 μm,辅助腔长为280 μm。图3(a)为初始光经过辅助腔和传感腔调制后的干涉光谱图,可以看出干涉光谱中每个干涉包络约包含15个条纹。对光谱中极大值组成的包络进行三角函数拟合,得到的包络曲线如图3(b)所示,通过记录包络曲线的漂移量可分析出传感量的变化。

图 3. 仿真干涉叠加光谱。(a)干涉光谱图;(b)光谱包络

Fig. 3. Interference superposition spectra of simulation. (a) Interference spectrum; (b) envelope of spectrum

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传感腔腔长从300 μm改变为301 μm,腔长变化前后的干涉光谱如图4(a)和4(b)所示。传感腔长增加1 μm后,单F-P腔的仿真干涉光谱红移了1 nm,双腔仿真干涉光谱红移了15 nm。

图 4. 增敏前后仿真干涉光谱对比。(a)单腔干涉;(b)双腔干涉

Fig. 4. Comparison of interference spectra of simulation before and after sensitization. (a) Single cavity interference; (b) double cavity interference

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传感腔和辅助腔结构相同,在受到相同的交叉敏感量的影响时,认为传感腔和辅助腔的腔长变化量相同。图5为传感腔和辅助腔的腔长变化相同时的仿真分析结果。

图5(a)为单个传感腔的腔长增加0.2 μm前后的干涉光谱,干涉光谱红移了1 nm,图5(b)为双腔结构传感腔和辅助腔的腔长均增长0.2 μm后的干涉光谱,图5(c)为双腔结构传感腔和辅助腔的腔长均增长0.2 μm后的干涉光谱包络。通过图5(b)和5(c)可以看出,双腔的腔长变化量相同时,总干涉光谱包络不发生变化,仿真结果证明了(12)式的正确性。结构相同的双腔受相同的交叉敏感量影响,腔长变化相同,交叉敏感量对总干涉光谱包络无影响。

图 5. 双腔腔长均变化时的干涉光谱图。(a)单腔形变0.2 μm;(b)双腔均增长0.2 μm;(c)双腔均增长0.2 μm的干涉包络

Fig. 5. Interference spectra of double cavity with variable length. (a) 0.2 μm growth of single cavity; (b) 0.2 μm growth of double cavity; (c) interference envelopes of 0.2 μm growth of double cavity

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3 实验和结果分析

在制作传感腔时,首先使用匀胶机制备紫外胶膜,用作锥形毛细玻璃管和铜膜的黏合剂。在毛细玻璃管锥口端管壁蘸取紫外胶后,再粘贴40 μm厚铜膜,紫外胶在紫外灯下照射30 min固化。将切割平整的单模光纤由另一侧插入锥形毛细玻璃管中,观察光谱,待出现清晰的干涉光谱后,使用紫外胶固定单模光纤。在制备辅助腔时,先搭建光路,接入传感腔,调整辅助腔长度,直至出现清晰的干涉包络。实验中制备了两组不同的增敏结构,分别用于压强增敏实验和温度增敏实验。

3.1 压强增敏实验

进行压强增敏实验时,在实验环境中,气压从0.1 MPa逐步增加至0.5 MPa,步长为0.1 MPa,记录不同压强下的干涉光谱。

图6(a)和6(b)分别为单F-P腔和分离型双F-P增敏结构在初始状态和气压增加至0.5 MPa后的干涉光谱图。由图6(a)可看出,未接入辅助腔的单F-P结构,在压强增加至0.5 MPa后干涉光谱蓝移了2.3 nm;由图6(b)可看出,接入辅助腔后,在压强增加至0.5 MPa后,干涉光谱红移了23 nm。漂移方向相反的原因是辅助腔的初始相对腔长大于传感腔的初始相对腔长。

图 6. 初始状态与0.5 MPa下的光谱对比。(a)单F-P腔;(b)分离型双F-P增敏结构

Fig. 6. Contrast of spectra between initial state and 0.5 MPa. (a) Single F-P cavity; (b) separation type F-P sensitizing structure

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图7(a)为未接入辅助腔的单F-P腔在不同压强下的干涉光谱,干涉光谱随压强增加发生蓝移;图7(b)为接入辅助腔后,对光谱中极大值组成的包络进行三角函数拟合得到的不同压强下的干涉光谱的包络曲线,包络曲线随压强的增加发生红移。

图7(c)为在1555 nm附近,单F-P腔干涉光谱的峰值波长与压强的关系曲线,对峰值波长和压强进行最小二乘法线性拟合。线性拟合的斜率表征了单F-P腔的压强灵敏度,其压强灵敏度为-4.579 nm/MPa,相关系数R²=0.9958,说明单F-P腔干涉光谱的峰值波长和压强之间存在良好的线性关系。

图7(d)为1500 nm附近分离式双F-P增敏结构的包络曲线的峰值波长和压强的关系曲线。由线性拟合结果可以看出,该增敏结构的压强灵敏度为43.95 nm/MPa,约是单F-P腔灵敏度的10倍,相关系数R²=0.9969,包络曲线峰值波长和压强有良好的线性关系。

在压强增敏实验中,一个干涉包络中约有10个条纹,分离型双F-P增敏结构的压强灵敏度值为单F-P结构的10倍,即接入辅助腔实现了对压强的增敏测量。实验使用的光谱仪为日本横河电机株式会社生产的AQ6370型光谱仪,其分辨率为0.02 nm,该传感器可检测到的最小压强变化量约为450 Pa。

3.2 温度增敏实验

将分离型双F-P增敏结构用于温度增敏实验。在温度实验中,将传感腔放于温控箱中,辅助腔置于室温环境下,温控箱温度由30 ℃逐步增温至50 ℃,每5 ℃为一个温度记录点,到达设定温度后,保温5 min,待温控箱温度均衡时记录干涉光谱。

图8(a)为不同温度下单F-P结构的干涉光谱图。可以看出,随着温度逐步升高,干涉光谱逐步红移;图8(b)为不同温度下的分离型双F-P增敏结构的干涉包络曲线,随着温度的逐步升高,干涉包络曲线发生红移。

图8(c)为在1553 nm附近的单F-P腔干涉谱的峰值波长与温度的拟合曲线,线性拟合函数的斜率表征了传感器的温度灵敏度,单F-P传感器的温度灵敏度为0.0657 nm/℃,拟合相关系数R²=0.9936,表明单F-P结构的峰值波长和温度存在良好的线性关系;图8(d)给出了接入传感腔后,包络曲线在1585 nm附近的峰值波长与温度的拟合曲线,其温度灵敏度为0.40364 nm/℃,约是单F-P结构的6倍,拟合相关系数R²=0.99621,增敏结构包络曲线的峰值波长和温度存在良好的线性关系。

图 7. 不同压强下的干涉光谱对比图。(a)单F-P腔的干涉光谱;(b)双腔结构的干涉光谱;(c)单F-P腔的峰值波长拟合曲线;(d)双腔的峰值波长拟合曲线

Fig. 7. Comparison of interference spectra under different pressures. (a) Interference spectra of single F-P cavity; (b) interference spectra of double cavity structure; (c) peak wavelength fitting curve of single F-P cavity; (d) peak wavelength fitting curve of double cavity structure

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在温度增敏实验中,一个干涉包络中约有6个条纹,分离型双F-P增敏结构的温度灵敏度约为单F-P温度灵敏度的6倍,接入辅助腔完成了对温度的增敏测量。实验中使用的光谱仪分辨率为0.02 nm,分离型双F-P增敏结构的最小温度分辨率约为0.05 ℃。

3.3 交叉敏感实验

在消除敏感实验中,将温度作为交叉敏感量。将传感腔和辅助腔同时放入温控箱中,温控箱温度由30 ℃逐步升温至50 ℃,每5 ℃作为一个温度记录点,达到设定温度后保温5 min,待温度箱温度均衡后记录干涉光谱。

图9(a)为35 ℃和50 ℃时的干涉光谱,可以看出双腔均在温控箱时,35 ℃和50 ℃的干涉光谱无明显漂移。这是因为双腔结构相同,对温度变化响应相同,传感腔和辅助腔的腔长均随着温度的升高而变长,且增长量基本相同。在这组分离型双F-P增敏结构中,传感腔的相对腔长大于辅助腔的相对腔长。传感腔增长,对应的干涉光谱红移;辅助腔增长,对应的干涉光谱蓝移;双腔同时增长相同量时,干涉光谱基本无明显漂移。

图9(b)为1460 nm左右干涉包络曲线的峰值波长和温度的关系曲线。从图中可以看出,不同温度下的干涉包络曲线峰值基本不变。实验验证了将传感腔和辅助腔处于相同温度环境下,可消除温度对干涉光谱的影响。

图 8. 不同温度下的干涉光谱对比图。(a)单F-P腔的干涉光谱;(b)双腔结构的干涉光谱;(c)单F-P腔的峰值波长拟合曲线;(d)双腔的峰值波长拟合曲线

Fig. 8. Comparison of interference spectra under different temperatures. (a) Interference spectra of single F-P cavity; (b) interference spectra of double cavity structure; (c) peak wavelength fitting curve of single F-P cavity; (d) peak wavelength fitting curve of double cavity structure

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图 9. 温度交叉敏感对光谱的影响。(a) 35 ℃与50 ℃的干涉光谱;(b)峰值波长与温度的关系曲线

Fig. 9. Effect of temperature cross sensitivity on spectra. (a) Interference spectra at 35 ℃ and 50 ℃; (b) peak wavelength versus temperature

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4 结论

针对提高光纤F-P传感器灵敏度的应用需要,本研究基于光学游标效应,提出了一种分离型双F-P增敏结构。对此增敏结构进行了光路分析和数值模拟仿真。结果表明此结构可以提高F-P干涉结构的灵敏度,并可消除交叉敏感对测量结果的影响。为验证理论的可靠性,制备了两种增敏结构,分别进行了压强增敏实验和温度增敏实验。实验结果表明,增敏结构的压强灵敏度为单F-P结构的10倍,温度灵敏度为单F-P结构的6倍;双腔在同一温度环境时,温度对干涉光谱基本无影响,验证了理论的正确性。该结构可显著提高光纤F-P结构的测量灵敏度,且具有灵敏度可调、制备容易、成本低及移植性好等特点。本研究为提高光纤F-P传感器灵敏度提供了一种很有价值的参考。

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[14] 杨易, 徐贲, 刘亚铭, 等. 基于游标效应的增敏型光纤法布里-珀罗干涉仪温度传感器[J]. 物理学报, 2017, 66(9): 094205.

杨易, 徐贲, 刘亚铭, 等. 基于游标效应的增敏型光纤法布里-珀罗干涉仪温度传感器[J]. 物理学报, 2017, 66(9): 094205.

Yang Y, Xu B, Liu Y M, et al. Sensitivity-enhanced temperature sensor with fiber optic Fabry-Perot interferometer based on vernier effect[J]. Acta Physica Sinica, 2017, 66(9): 094205.

[15] Zhang P, Tang M, Gao F, et al. Cascaded fiber-optic Fabry-Perot interferometers with vernier effect for highly sensitive measurement of axial strain and magnetic field[J]. Optics Express, 2014, 22(16): 19581-19588.

Zhang P, Tang M, Gao F, et al. Cascaded fiber-optic Fabry-Perot interferometers with vernier effect for highly sensitive measurement of axial strain and magnetic field[J]. Optics Express, 2014, 22(16): 19581-19588.

刘燕燕, 刘磊, 刘雪强, 王燕涛, 张鑫, 王明君, 齐跃峰. 基于Vernier效应的法布里-珀罗传感器增敏方法[J]. 光学学报, 2019, 39(4): 0428001. Yanyan Liu, Lei Liu, Xueqiang Liu, Yantao Wang, Xin Zhang, Mingjun Wang, Yuefeng Qi. Sensitivity Improvement of Fabry-Perot Sensor Based on Vernier Effect[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(4): 0428001.

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1 引言

2 传感器结构和工作原理

图 1. 单个F-P干涉结构

Fig. 1. Single F-P interference structure

图 2. 分离式双F-P腔增敏结构

Fig. 2. Separation type double F-P cavity sensitizing structure

图 3. 仿真干涉叠加光谱。(a)干涉光谱图;(b)光谱包络

Fig. 3. Interference superposition spectra of simulation. (a) Interference spectrum; (b) envelope of spectrum

图 4. 增敏前后仿真干涉光谱对比。(a)单腔干涉;(b)双腔干涉

Fig. 4. Comparison of interference spectra of simulation before and after sensitization. (a) Single cavity interference; (b) double cavity interference

图 5. 双腔腔长均变化时的干涉光谱图。(a)单腔形变0.2 μm;(b)双腔均增长0.2 μm;(c)双腔均增长0.2 μm的干涉包络

Fig. 5. Interference spectra of double cavity with variable length. (a) 0.2 μm growth of single cavity; (b) 0.2 μm growth of double cavity; (c) interference envelopes of 0.2 μm growth of double cavity

3 实验和结果分析

3.1 压强增敏实验

图 6. 初始状态与0.5 MPa下的光谱对比。(a)单F-P腔;(b)分离型双F-P增敏结构

Fig. 6. Contrast of spectra between initial state and 0.5 MPa. (a) Single F-P cavity; (b) separation type F-P sensitizing structure

3.2 温度增敏实验

图 7. 不同压强下的干涉光谱对比图。(a)单F-P腔的干涉光谱;(b)双腔结构的干涉光谱;(c)单F-P腔的峰值波长拟合曲线;(d)双腔的峰值波长拟合曲线

Fig. 7. Comparison of interference spectra under different pressures. (a) Interference spectra of single F-P cavity; (b) interference spectra of double cavity structure; (c) peak wavelength fitting curve of single F-P cavity; (d) peak wavelength fitting curve of double cavity structure

3.3 交叉敏感实验

图 8. 不同温度下的干涉光谱对比图。(a)单F-P腔的干涉光谱;(b)双腔结构的干涉光谱;(c)单F-P腔的峰值波长拟合曲线;(d)双腔的峰值波长拟合曲线

Fig. 8. Comparison of interference spectra under different temperatures. (a) Interference spectra of single F-P cavity; (b) interference spectra of double cavity structure; (c) peak wavelength fitting curve of single F-P cavity; (d) peak wavelength fitting curve of double cavity structure

图 9. 温度交叉敏感对光谱的影响。(a) 35 ℃与50 ℃的干涉光谱;(b)峰值波长与温度的关系曲线

Fig. 9. Effect of temperature cross sensitivity on spectra. (a) Interference spectra at 35 ℃ and 50 ℃; (b) peak wavelength versus temperature

4 结论

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1 引言

2 传感器结构和工作原理

图 1. 单个F-P干涉结构

Fig. 1. Single F-P interference structure

图 2. 分离式双F-P腔增敏结构

Fig. 2. Separation type double F-P cavity sensitizing structure

图 3. 仿真干涉叠加光谱。(a)干涉光谱图;(b)光谱包络

Fig. 3. Interference superposition spectra of simulation. (a) Interference spectrum; (b) envelope of spectrum

图 4. 增敏前后仿真干涉光谱对比。(a)单腔干涉;(b)双腔干涉

Fig. 4. Comparison of interference spectra of simulation before and after sensitization. (a) Single cavity interference; (b) double cavity interference

图 5. 双腔腔长均变化时的干涉光谱图。(a)单腔形变0.2 μm;(b)双腔均增长0.2 μm;(c)双腔均增长0.2 μm的干涉包络

Fig. 5. Interference spectra of double cavity with variable length. (a) 0.2 μm growth of single cavity; (b) 0.2 μm growth of double cavity; (c) interference envelopes of 0.2 μm growth of double cavity

3 实验和结果分析

3.1 压强增敏实验

图 6. 初始状态与0.5 MPa下的光谱对比。(a)单F-P腔;(b)分离型双F-P增敏结构

Fig. 6. Contrast of spectra between initial state and 0.5 MPa. (a) Single F-P cavity; (b) separation type F-P sensitizing structure

3.2 温度增敏实验

图 7. 不同压强下的干涉光谱对比图。(a)单F-P腔的干涉光谱;(b)双腔结构的干涉光谱;(c)单F-P腔的峰值波长拟合曲线;(d)双腔的峰值波长拟合曲线

Fig. 7. Comparison of interference spectra under different pressures. (a) Interference spectra of single F-P cavity; (b) interference spectra of double cavity structure; (c) peak wavelength fitting curve of single F-P cavity; (d) peak wavelength fitting curve of double cavity structure

3.3 交叉敏感实验

图 8. 不同温度下的干涉光谱对比图。(a)单F-P腔的干涉光谱;(b)双腔结构的干涉光谱;(c)单F-P腔的峰值波长拟合曲线;(d)双腔的峰值波长拟合曲线

Fig. 8. Comparison of interference spectra under different temperatures. (a) Interference spectra of single F-P cavity; (b) interference spectra of double cavity structure; (c) peak wavelength fitting curve of single F-P cavity; (d) peak wavelength fitting curve of double cavity structure

图 9. 温度交叉敏感对光谱的影响。(a) 35 ℃与50 ℃的干涉光谱;(b)峰值波长与温度的关系曲线

Fig. 9. Effect of temperature cross sensitivity on spectra. (a) Interference spectra at 35 ℃ and 50 ℃; (b) peak wavelength versus temperature

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