一種腔長可控的光纖F‑P腔構成裝置的製作方法
2023-06-24 06:15:06 2
本發明屬於光纖傳感技術領域，具體涉及一種腔長可控的光纖f-p腔構成裝置。
背景技術：
光纖f-p(fabry-perot)傳感器具有靈敏度高、頻帶寬、抗電磁幹擾能力強、易復用等優點，廣泛應用於國防、航天、航空、工業測控、計量測試等領域。光纖f-p傳感器主要是由兩個反射膜層相對平行放置構成具有一定腔長的f-p腔。當光束經過f-p腔時，產生多光束幹涉，從而產生幹涉光譜。當f-p腔的腔長隨被測量變化時，反射光之間的光程差發生變化，從而導致了幹涉譜的變化。通過對幹涉譜的檢測，利用適當的方法進行解調，就能得到幹涉腔腔長的變化，進而得出被測量的變化。
因此，在研製針對光纖f-p傳感器的信號解調設備時，需要腔長精確已知的光纖f-p腔作為信號源，用於驗證信號解調設備解調結果的正確性，提高解調設備的精度。目前用於光纖傳感的光纖f-p傳感器的腔長一般為幾微米到幾毫米，傳統的f-p幹涉儀存在腔長不匹配和很難與光纖耦合等問題，無法與光纖f-p信號解調設備配合使用。常規的f-p標準具的腔長雖然準確，但不能調節腔長，也不能很好的滿足解調設備的研製需求。因此，需要一種腔長可控的光纖f-p腔，可實現對腔長大範圍調節和精確控制，用於在解調設備研製過程中提供標準腔長。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決光纖f-p傳感器的信號解調設備在研製過程中缺少標準腔長裝置的問題，而提供一種腔長可控光纖f-p腔的構成方法與裝置，實現對腔長大範圍調節和精確控制，用於驗證信號解調設備解調結果的正確性，提高解調設備的精度。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
本發明的一種腔長可控的光纖f-p腔構成方法，包含以下步驟：
1)首先將三維精密微位移平臺的三個方向分別定義為x方向、y方向和z方向，其中z方向為控制光纖f-p腔的腔長變化的移動方向，x方向控制傳輸光纖的左右平移，y方向控制傳輸光纖的上下移動；
2)傳輸光纖的一端帶有光纖接頭，一端為裸纖。將裸纖的這一端的端面研磨平整，該端面構成光纖f-p腔的第一反射面，將傳輸光纖上研磨好端面的一端固定於光纖夾持裝置上，將傳輸光纖伸出光纖夾持裝置適當的長度，再將光纖夾持裝置固定於三維精密微位移平臺上，光纖軸向與z方向一致；
3)將傳輸光纖帶有光纖接頭的一端與環形器的第一輸出端相連，環形器的輸入端與光源相連，環形器的第二輸出端與1×2耦合器的第一接口相連，1×2耦合器的第二接口與光譜儀相連，1×2耦合器的第三接口與解調儀表相連；
4)選取一個內徑比傳輸光纖外徑略大的中空準直管，將中空準直管的一端固定於平面反射片的反射面上，平面反射片的反射面構成光纖f-p腔的第二反射面，平面反射面的另一面經過處理不能形成有效反射；
5)將固定有中空準直管的平面反射片固定於平面反射片夾持裝置上，使得中空準直管的軸線與傳輸光纖的軸線方向一致；
6)通過三維精密微位移平臺的控制器調整三維精密微位移平臺的x方向、y方向和z方向，將傳輸光纖裸纖的一端穿入中空準直管中，移動三維精密微位移平臺的z方向，將傳輸光纖移動至其端面與平面反射片接觸，此時在光譜儀上觀察到的光譜信號近似一條直線，記錄此時三維精密位移平臺z方向的坐標位置，定為零腔長位置；
7)反向移動三維精密微位移平臺的z方向，使得傳輸光纖的端面與平面反射片的反射面之間形成一定的間距，此間距即為光纖f-p腔的腔長；
8)通過設定不同的移動長度來移動三維精密微位移平臺的z方向，可以實現對光纖f-p腔的腔長的精密控制。
本發明所示的構成方法還可以在三維精密微位移平臺的z方向上放置位移測量裝置，在光纖f-p腔的腔長變化時，通過位移測量裝置實現對光纖f-p腔的腔長變化量的準確測量。
本發明所示的構成方法還可以將三維精密微位移平臺和平面反射片夾持裝置安裝在隔振平臺上，降低外部環境振動對腔長的影響。
本發明所示的構成方法還可以將傳輸光纖、中空準直管、平面反射片、平面反射片夾持裝置和三維精密微位移平臺置於恆溫環境中，降低外部環境溫度變化對腔長的影響。
本發明還提供一種腔長可控的光纖f-p腔裝置，包括光源、環形器、1×2耦合器、光譜儀和三維精密微位移平臺，平面反射片、中空準直管、平面反射片夾持裝置、傳輸光纖和光纖夾持裝置；其中：
光源與環形器的輸入端相連，環形器的第一輸出端與傳輸光纖的一端相連，傳輸光纖的另一端放置在光纖夾持裝置上，光纖夾持裝置安裝在三維精密微位移平臺上，中空準直管軸線與傳輸光纖軸線重合，一端固定在平面反射片上，平面反射面固定於平面反射片夾持裝置上，環形器的第二輸出端與1×2耦合器的第一接口相連，1×2耦合器的第二接口與光譜儀相連，1×2耦合器16的第三接口與解調儀表相連。
本發明所示的光纖f-p腔裝置中的傳輸光纖還可以是單模石英光纖、多模石英光纖、光子晶體光纖、藍寶石光纖；更換光纖時，中空準直管也要更換成內徑與光纖外徑相匹配。
本發明所示的光纖f-p腔裝置，還可以包括位移測量裝置，其中位移測量裝置置於三維精密微位移平臺上，使位移測量裝置的測量方向與中空準直管的軸線方向重合。
本發明所示的光纖f-p腔裝置，還可以包括隔振平臺，將三維精密微位移平臺和平面反射片夾持裝置安裝在隔振平臺上，降低外部環境振動對腔長的影響。
本發明所示的光纖f-p腔裝置，還可以包括溫度控制裝置，將傳輸光纖、中空準直管、平面反射片、平面反射片夾持裝置和三維精密微位移平臺置於溫度控制裝置中，保持所有部件處於恆溫環境中，降低外部環境溫度變化對腔長的影響。
有益效果：
本發明對比已有技術有以下顯著創新點：
1)本發明所涉及的光纖f-p腔構成方法利用光纖作為光路傳輸媒介，可直接與光纖f-p信號解調設備配合使用；
2)本發明所涉及的光纖f-p腔構成方法利用中空準直管來保證f-p腔兩個反射面的平行，減少外界因素對因素對光路幹擾的同時還可以達到降低調節難度的目的；
3)本發明所涉及的光纖f-p腔構成方法利用三維精密微位移平臺和光譜儀對f-p腔的腔長進行精密控制，可實現腔長大範圍調節和精確控制目的；
4)本發明的開放式結構還可以方便地引入位移測量裝置對f-p腔的腔長變化進行監測，可以實現腔長的精密測量，並使得數據可溯源。
附圖說明
圖1為本發明的構成方法示意圖；
圖2為本發明的裝置示意圖；
圖3為本發明實施例1的示意圖；
圖4為本發明實施例2的示意圖；
圖5為本發明實施例3的示意圖；
圖6為本發明實施例4的示意圖；
圖7為本發明實施例5的示意圖；
其中，1-三維精密微位移平臺，2-腔長，3-傳輸光纖，4-第一反射面，5-光纖夾持裝置，6-光源，7-環形器，8-輸入端，9-第一輸出端，10-第二輸出端，11-光譜儀，12-中空準直管，13-平面反射片，14-第二反射面，15-平面反射片夾持裝置，16-1×2耦合器，17-第一接口，18-第二接口，19-第三接口，20-解調儀表，21-單模石英光纖，22-平面玻璃，23-石英毛細管，24-反射鏡，25-雙頻雷射幹涉儀，26-隔振平臺，27-溫度控制裝置。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
實施例1
如圖3所示，光纖f-p腔構成方法，其構成步驟是：
選用單模石英光纖作為傳輸光纖，單模石英光纖的一端帶有光纖接頭，一端為裸纖。選用單面毛玻璃處理的平面玻璃作為平面反射片，選用石英毛細管作為中空準直管。首先將單模石英光纖21的裸纖的端面研磨平整，該端面構成光纖f-p腔的第一反射面4，將單模石英光纖21上研磨好端面的一端固定於光纖夾持裝置5上，將單模石英光纖21伸出光纖夾持裝置適當的長度，再將光纖夾持裝置5固定於三維精密微位移平臺1上，光纖軸向與z方向一致；
將單模石英光纖21帶有光纖接頭的一端與環形器7的第一輸出端9相連，環形器7的輸入端8與光源6相連，環形器7的第二輸出端10與1×2耦合器16的第一接口17相連，1×2耦合器的第二接口18與光譜儀11相連，1×2耦合器的第三接口19與解調儀表20相連。
將石英毛細管23的一端固定於平面玻璃22的反射面上，平面玻璃22的反射面構成光纖f-p腔的第二反射面14。將固定有石英毛細管23的平面玻璃22固定於平面反射片夾持裝置15上，使得石英毛細管23的軸線與z方向一致。
通過三維精密微位移平臺1的控制器調整三維精密微位移平臺1的x方向、y方向和z方向，將單模石英光纖21穿入石英毛細管23中，移動三維精密微位移平臺1的z方向，將單模石英光纖21移動至第一反射面4與第二反射面14接觸，此時在光譜儀11上觀察到的光譜信號近似一條直線，記錄此時三維精密位移平臺1的z方向的坐標位置，定為零腔長位置；
反向移動三維精密微位移平臺1的z方向，使得第一反射面4與第二反射面14之間形成一定的間距，此間距即為光纖f-p腔的腔長2；
設定不同的移動長度來移動三維精密微位移平臺1的z方向，可以實現對腔長2的精密控制；同時將解調儀表20的解調結果與腔長2進行比較，可以用於驗證解調儀表20的解調結果的正確性，提高解調設備的精度。
實施例2
如圖4所示，採用雙頻雷射幹涉儀作為位移測量裝置，其中在實施例1中的三維精密微位移平臺1的z方向上放置雙頻雷射幹涉儀的反射鏡24，使反射鏡24的法線與石英毛細管23的軸線方向重合，雙頻雷射幹涉儀25發射的光束通過反射鏡24反射回幹涉儀接收器上，在光纖f-p腔的腔長變化時，通過雙頻雷射幹涉儀25實現對光纖f-p腔的腔長變化量的準確測量。
實施例3
如圖5所示，其中將實施例1中三維精密微位移平臺1和平面反射片夾持裝置5安裝在隔振平臺26上，降低外部環境振動對腔長的影響。
實施例4
如圖6所示，將實施例1中的單模石英光纖21、石英毛細管23、平面玻璃22、平面反射片夾持裝置5和三維精密微位移平臺1置於溫度控制裝置27中，降低外部環境溫度變化對腔長的影響。
實施例5
如圖7所示，選用單模石英光纖作為傳輸光纖，單模石英光纖的一端帶有光纖接頭，一端為裸纖。選用單面毛玻璃處理的平面玻璃作為平面反射片，選用石英毛細管作為中空準直管。採用雙頻雷射幹涉儀作為位移測量裝置。
首先將單模石英光纖21的裸纖的端面研磨平整，該端面構成光纖f-p腔的第一反射面4，將單模石英光纖21上研磨好端面的一端固定於光纖夾持裝置5上，將單模石英光纖21伸出光纖夾持裝置適當的長度，再將光纖夾持裝置5固定於三維精密微位移平臺1上，光纖軸向與z方向一致；
將單模石英光纖21帶有光纖接頭的一端與環形器7的第一輸出端9相連，環形器7的輸入端8與光源6相連，環形器7的第二輸出端10與1×2耦合器16的第一接口17相連，1×2耦合器的第二接口18與光譜儀11相連，1×2耦合器的第三接口19與解調儀表20相連。
將石英毛細管23的一端固定於平面玻璃22的反射面上，平面玻璃22的反射面構成光纖f-p腔的第二反射面14。將固定有石英毛細管23的平面玻璃22固定於平面反射片夾持裝置15上，使得石英毛細管23的軸線與z方向一致。
在三維精密微位移平臺1的z方向上放置雙頻雷射幹涉儀的反射鏡24，使反射鏡24的法線與石英毛細管23的軸線方向重合，雙頻雷射幹涉儀25發射的光束通過反射鏡24反射回幹涉儀接收器上。
通過三維精密微位移平臺1的控制器調整三維精密微位移平臺1的x方向、y方向和z方向，將單模石英光纖21穿入石英毛細管23中，移動三維精密微位移平臺1的z方向，將單模石英光纖21移動至第一反射面4與第二反射面14之間形成一定的間距，此間距即為光纖f-p腔的腔長2。
將單模石英光纖21、石英毛細管23、平面玻璃22、平面反射片夾持裝置5、三維精密微位移平臺1和反射鏡24置於隔振平臺26上，再將單模石英光纖21、石英毛細管23、平面玻璃22、平面反射片夾持裝置5、三維精密微位移平臺1和反射鏡24都置於溫度控制裝置27中，在實現腔長精密測量的同時，達到降低降低外部環境振動和外部環境溫度變化對腔長的影響的目的。