基于端面镀膜Fabry-Perot光纤传感器研究.pdfVIP

!堑 !堂生士里擅圭墨芏鲞盘金鱼童筮 基于端面镀膜的Fabry．Perot光纤传感器研究 黄民双梁大开陶宝祺 智能材料与结构航空科技重点实验整．南京航空航天大学，南京．210016) 捅要 (本文首次用模式耦合理论计算了外腔式F-P干涉(EFPI)型光纤传感 器的输出光强与F-P腔长的关系。在制作外腔式Fabry．Perot干涉 (FPEI)光纤传感器中，、提出并解决了磨平抛光光纤端面并在其上镀上 多层电介质膜的关键技术，从而解决了外腔式Fabry—Perot干涉光纤传 感器的干扰和稳定性问题，使探测系统大大简化0传感器性能显著增 加，成本下降。最后将FfEI应变传感器贴附在二个分布式智能悬臂 梁上，检测到振动频率及轴向应变值，其结果与用电阻应变片检测到 的结果完全一致。 关键词 光纤传感器 应变传感器 F-P干涉模式耦合理论 近年来，外腔式Fabry—Perot(F-P)干涉型光纤传感器由于传感器原理简单、测试 精度高，被作为重要的传感器进行了大量研究报道m”。这种传感器具有本征型、全光 纤集成化、结构灵巧、灵敏度高等特点，在 智能材料结构等许多领域有非常重要的应用 前景。然而由于光纤中的反射光和光纤其它 端面菲涅尔反射光的影响，使得这种传感器 噪声大、灵敏度低，需要采用较复杂的光路 和电路探测系统；另外在理论上传感器输出 光强与F-P腔长的关系还不太明了，从而限 制了该传感器的实用化。因此本交着重围绕 上述问题进行研究。 图1 EFPI传感器探头结构 1原理 图1为EFPI传感器的结构。单膜光纤(s)作为输入一输出光纤，多模光纤(MF)作为 反射镜。两根光纤分别放入一个空心管中，于是在两根光纤的平行端面间就形成了F-P 腔。为了减小反射光的干扰，多模光纤的舅一端浸在折射率匹配液里。激光通过一个 3dB耦合器耦合入EFPI。一部分光在单膜光纤的镀膜一端(R】)反射，另一部分透射 光，在多模光纤的镀膜一端(R2)反射。这两束反射光在单膜光纤内干涉，然后通过 扭缝曼丛盘坌婴 211 3dB的耦合器入射到探测器。图中多模光纤由环氧树脂固定，单膜光纤在空心管中可自 山移动。 2理论 Kent A．Murphy[41用几何关系理论给出了 EFPI传感器的输出光强和F-P腔长度之间 的近似关系。WeiZha015]用Kirchhoff衍射理 论分析了EFPI传感器的输出，但需要进行 复杂的数值计算。本文应用模式耦合方法分 图2用于计算的模场图 析EFPI传感器输出，方法简单、直观，精 度高。 采用一个沿着光纤轴线方向的圆柱坐标系(r，0，z)．z与光纤轴线方向一致．设在单 膜光纤镀膜～端z坐标值为0。在输出端干涉波场强为： 巨(r，0l，f)=El(r，01)exp(jtPl) (1) 冒!(r，02，t)=曰2(r，82)exp(jcp2) (2) 因此，返回输入一输出光纤的总输出光强为： 2dA ，矿』』}日-(r，口∥)+曰z(r，日：，f)f ㈣ V’ =ⅡE。(rp．)2dA+盯曰：(r．p：)口渔+cos印．一妒：)$2盯置，(r，8．)E，(r，8：m 式中，识和妒：分月4是E．和层：的初始相位。假设吼=0，则妒：=2s(2州A)，A是自由 宅问波长。在公式(3)中，积分范围包括输入一输出光纤的端面。由(3)式可见，前两项 and 与反射光波(Rl R2)的相位无关，而真正起作用的是第三项。 下面计算两波场强西，(，，0。)、E：(r，0：)。假设光纤在圆周方向上对称，两光