一种用于光纤传感的新型法布里－珀罗腔结构

1.一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，包括光纤(1)、金属膜层 (2)、介质层(3)和金属高反镜(4)，光纤(1)的一端与金属高反镜(4)相 对，两者中间隔有介质层(3)，金属膜层(2)镀于光纤(1)上述端的端面上， 其特征是上述金属层(2)由第一金属膜(21)和第二金属膜(22)构成。
2.根据权利要求1所述的一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，其 特征是所述第一金属膜(21)为折射率和吸光系数接近的金属，第二金属膜(22) 为折射率远小于吸光系数的金属。
3.根据权利要求2所述的一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，其 特征是所述第一金属膜(21)折射率和吸光系数的差的绝对值小于1。
4.根据权利要求2所述的一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，其 特征是第二金属膜(22)的吸光系数为折射率的10倍以上。
5.根据权利要求1或2或3任一项所述的一种用于光纤传感的新型法布里- 珀罗腔结构，其特征是所述第一金属膜(21)的材料为铬，镍，镧，钯或至少 上述两种金属的合金。
6.根据权利要求1或2或4任一项所述的一种用于光纤传感的新型法布里- 珀罗腔结构，其特征是所述第二金属膜(22)的材料为金，银，铜，铝或至少 上述两种金属的合金。
7.根据权利要求1或2或3或4任一项所述的一种用于光纤传感的新型法布 里-珀罗腔结构，其特征是所述的介质层(3)为空气介质层。
8.根据权利要求1或2或3或4任一项所述的一种用于光纤传感的新型法布 里-珀罗腔结构，其特征是第一金属膜(21)的厚度为5～50nm。
9.根据权利要求1或2或3或4任一项所述的一种用于光纤传感的新型法布 里-珀罗腔结构，其特征是第二金属膜(22)的厚度为3～15nm。

技术领域\n本发明涉及光纤传感器技术领域，更具体的说是一种用于光纤传感的光纤 法布里—珀罗干涉仪的结构。\n技术背景\n光纤传感器以其固有的优点在各个领域获得了广泛的应用。最常用的调制 方法是光强度调制和相位调制两种方法。利用光相位调制来实现一些物理量的 测量可以获得极高的灵敏度。相位调制的传感器需要将光相位信号转换成相应 的光强信号，这工作由于涉仪完成。常用的光纤干涉仪有迈克尔逊干涉仪，马 赫-泽德干涉仪，萨格奈克干涉仪，法布里-珀罗(F-P)干涉仪。其中，法 布里-珀罗干涉仪基于多光束干涉，可有效消除光纤由于应变，温度等造成的 相位噪声的影响，具有很高的灵敏度，被广泛用于多种物理量的测量，例如温 度，应力，压力，振动等。\n现有的法布里-珀罗干涉仪的基本结构是有两个反射镜夹着一个介质层形 成，图2为现有技术中法布里-珀罗干涉仪测量结果的光强对相位的响应曲线 图。外界传感量通过改变介质层的参数，使得光波在法布里-珀罗干涉仪的相 位发生改变，通过测量干涉仪的透射或反射光强，就可得到待测传感量，光强 对相位的响应曲线是周期为π的函数，其图形如图2所示。目前常用的法布里 -珀罗干涉仪，在一个周期内，上升段和下降段曲线是对称的，而且线性区很 窄。这些都限制了FP光纤传感器的测量范围和灵敏度。\n发明内容\n本发明的目的在于解决现有技术中的难题，为光纤传感器技术提供一种新 的法布里-珀罗干涉仪结构，从而得到提高干涉对比度，扩展动态范围，提高 测量灵敏度的效果。\n本发明运用光学干涉原理设计了一种用于传感测量的新的法布里-珀罗干 涉仪，基本结构为：在光纤端面镀上两层薄金属膜，与另一金属高反镜中间夹 有一空气层或其他介质层，形成一个非本征的法布里-珀罗干光纤干涉仪，其 结构如图1所示。当外界传感量改变介质层的光程时，将会改变光纤的反射光 强。可采用光学干涉薄膜理论对其进行分析，得到反射率与法布里-珀罗干涉 仪介质层的相位厚度的近似表达式。并根据该表达式，方便的设计出法布里- 珀罗干涉仪的结构参数，从而获得提高干涉对比度，扩展动态范围，提高测量 灵敏度的效果。\n当法布里-珀罗腔的中间的介质层较薄时，我们可以把该系统看作一个多 层膜系统，采用光学干涉薄膜理论对其进行研究。这时，光纤可看作是入射介 质，高反金属镜可看作出射介质，光纤端面上镀制的多层金属膜和中间的介质 层共同组成一个多层膜系，其中介质层的光程由外界传感量调制，通过研究反 射率与介质层的参数的关系，就可得到传感器的响应关系。由于实际使用时， 通常调制量为介质层的厚度，主要研究反射率与介质层的相位厚度的关系。该 膜系可表示为：\nG|M1M2L|Mg\n其中，G为入射介质，这里是光纤，主要为SiO2，折射率为n0，Mg为出射介 质，复折射率为Ng，M1、M2为光纤端面上的第一、第二金属膜，复折射率为 N1、N2，厚度为d1、d2，L为介质介质层，折射率为nm，厚度为dm。\n考虑光纤出射的光为垂直入射膜系时，系统的干涉矩阵可表示为：\n$A_1=\left[\begin{array}{cc}{\cos \delta }_1& {j\sin \delta }_1/N_1\\ {\mathrm{jN}}_1{\sin \delta }_1& {\cos \delta }_1\end{array}\right]---\left(1\right)$\n$A_2=\left[\begin{array}{cc}{\cos \delta }_2& {j\sin \delta }_2/N_2\\ {\mathrm{jN}}_2{\sin \delta }_2& {\cos \delta }_2\end{array}\right]---\left(2\right)$\n$A_m=\left[\begin{array}{cc}{\cos \delta }_m& {j\sin \delta }_m/n_m\\ {\mathrm{jn}}_m{\sin \delta }_m& {\cos \delta }_m\end{array}\right]---\left(3\right)$\n其中Ni＝ni-jki，δi＝2πdi/λ，Ni为各层的复折射率，ni为各层的折射率，ki 为各层的消光系数，di为各层的厚度。\n\n等效导纳 $Y=\frac{C}{B}=y_1+{\mathrm{jy}}_2$\n膜系的振幅反射系数 $r=\frac{n_0-Y}{n_0+Y}=r_1+r_{2,}$ 能量反射率R＝r·r*＝r1 2+r2 2.\n经过合理的简化和推导，可得到反射率的表达式为：\n$R=1-\frac{{8n}_0{k}_1{F}_1}{{(n_0+{2k}_1{F}_1)}^2+{(k_2{F}_2-c_2/c_1)}^2},$\n$c_1={\cos \delta }_m+\frac{k_g{\sin \delta }_m}{n_m}$\nc2＝nmsinδm-kgcosδm\n对其进行分析可知，R-δm曲线是周期为π的函数，R在1和0之间变化， 在一个周期内有一个极大值和极小值。反射率的极小值由第一金属膜的参数： 折射率、消光系数和厚度决定。极大值的大小主要由高反镜的反射率决定。极 大值的位置由干涉仪的高反镜和介质层的材料参数：折射率和消光系数决定。 极小值的位置由第二金属膜、介质层和高反镜的参数：折射率、消光系数和厚 度决定。\n对于传感应用，总是希望有高的干涉对比度和高的测量范围。在设计过程 中，可以通过调整各层材料和几何参数来实现该目的。通过调节第一层的金属 膜的厚度可使得最小值R＝0，通过提高高反镜的反射率提高最大值，获得最高 的对比度。要提高传感器的测量范围，可以增加单调区间。在一个周期内，如 果压缩上升区间，那么相应地下降区间就会增大，反之亦然。这可以通过改变 极值点的位置来实现。极大值的位置由干涉仪的高反镜和介质层的材料参数决 定，可调整的范围很小，极小值的位置由光纤上第二金属膜，介质介质层，高 反镜的参数决定，可以通过调节第二金属膜的厚度，改变极小值的位置，使之 接近极大值，从而改变单调区间的大小，同时在各单调区间内，曲线的线性度 也相应提高。通过选取合适的参数，可使单调下降区间接近π。\n本发明主要通过一下技术方案来实现其发明目的：\n本发明为一种用于光纤传感的新型法布里-珀罗腔结构，包括光纤、金属 膜层、介质层和金属高反镜，光纤的一端与金属高反镜相对，两者中间隔有介 质层，金属膜层镀于光纤上述端的端面上，金属层由第一金属膜和第二金属膜 构成。所述第一金属膜为折射率和吸光系数接近的金属，折射率和吸光系数的 差的绝对值小于1，可以采用的材料为铬，镍，镧，钯或至少上述两种金属的合 金。第二金属膜为折射率远小于吸光系数的金属，吸光系数为折射率的10倍以 上，可以采用材料为金，银，铜，铝或至少上述两种金属的合金。所述的介质 层为空气介质层。\n本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：\n1.本发明提高了光纤传感感应器的干涉对比度，扩展动态范围，提高测量灵 敏度的效果；\n2.计算简单，可以根据最终关系式来调节金属层的各个参数，以达到最佳的 测量效果；\n3.适用范围广，可以选用多种金属及其合金来制作第一、第二金属膜，并且 可以根据各个层的性质参数不同来调节最佳效果；\n4.结构简单，制作成本底。\n附图说明\n图1为本发明的结构示意图；\n图2为现有技术中法布里-珀罗干涉仪测量结果的光强对相位响应曲线图；\n图3为本发明实施例1测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图4为本发明实施例2测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图5为本发明实施例3测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图6为本发明实施例4测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图7为本发明实施例5测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图8为本发明实施例6测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图9为本发明实施例7测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图10为本发明实施例8测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图11为本发明实施例9测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图12为本发明实施例10测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图13为本发明实施例11测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图14为本发明实施例12测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图15为本发明实施例13测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图16为本发明实施例14测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图17为本发明实施例15测量结果的光强对相位的响应曲线图；\n图18为本发明实施例16测量结果的光强对相位的响应曲线图。\n具体实施方式\n本发明为一种用于传感测量的新的法布里-珀罗干涉仪，基本结构如图1 所示，包括光纤1、金属膜层2、介质层3和金属高反镜4，光纤1的一端与金 属高反镜4相对，两者中间隔有介质层3，金属膜层2镀于光纤1上述端的端面 上，上述金属层2由第一金属膜21和第二金属膜22构成，第一金属膜21为折 射率和吸光系数接近的金属，一般采用铬，镍，镧，钯或至少上述两种金属的 合金，第二金属膜22为折射率远小于吸光系数的金属，一般采用金，银，铜或 铝等金属，介质层3为空气介质层。\n实施例1\n第一金属膜为Cr，复折射率N1＝3.5-3.5j，厚度d1＝10nm；第二金属膜 为Cu，复折射率N2＝0.2-6.27j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位的 响应曲线图如图3所示，对比图1和图3可知，图3可以同时具备干涉对比度 高和动态范围广两个特点，由此达到提高测量灵敏度的效果。\n实施例2\n第一金属膜为Cr，复折射率N1＝3.5-3.5j，厚度d1＝10nm；第二金属膜 为Au，复折射率N2＝0.58-6.65j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位 的响应曲线图如图4所示，其结果与实施例1相似。\n实施例3\n第一金属膜为Cr，复折射率N1＝3.5-3.5j，厚度d1＝5nm；第二金属膜为 Al，复折射率N2＝1.78-8.53j，厚度d2＝6nm；其测量结果的光强对相位的响 应曲线图如图5所示，其结果与实施例1相似。\n实施例4\n第一金属膜为Cr，复折射率N1＝3.5-3.5j，厚度d1＝10nm；第二金属膜 为Ag，复折射率N2＝0.11-6.56j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位 的响应曲线图如图6所示，其结果与实施例1相似。\n实施例5\n第一金属膜为La，复折射率N1＝1.79-1.91j，厚度d1＝35nm；第二金属 膜为Cu，复折射率N2＝0.2-6.27j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位 的响应曲线图如图7所示，其结果与实施例1相似。\n实施例6\n第一金属膜为La，复折射率N1＝1.79-1.91j，厚度d1＝35nm；第二金属 膜为Au，复折射率N2＝0.58-6.65j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相 位的响应曲线图如图8所示，其结果与实施例1相似。\n实施例7\n第一金属膜为La，复折射率N1＝1.79-1.91j，厚度d1＝20nm；第二金属 膜为Al，复折射率N2＝1.78-8.53j，厚度d2＝5nm；其测量结果的光强对相位 的响应曲线图如图9所示，其结果与实施例1相似。\n实施例8\n第一金属膜为La，复折射率N1＝1.79-1.91j，厚度d1＝30nm；第二金属 膜为Ag，复折射率N2＝0.11-6.56j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相 位的响应曲线图如图10所示，其结果与实施例1相似。\n实施例9\n第一金属膜为Ni，复折射率N1＝1.79-1.86j，厚度d1＝35nm；第二金属 膜为Cu，复折射率N2＝0.2-6.27j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位 的响应曲线图如图11所示，其结果与实施例1相似。\n实施例10\n第一金属膜为Ni，复折射率N1＝1.79-1.86j，厚度d1＝20nm；第二金属 膜为Al，复折射率N2＝1.78-8.53j，厚度d2＝5nm；其测量结果的光强对相位 的响应曲线图如图12所示，其结果与实施例1相似。\n实施例11\n第一金属膜为Ni，复折射率N1＝1.79-1.86j，厚度d1＝35nm；第二金属 膜为Au，复折射率N2＝0.58-6.65j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相 位的响应曲线图如图13所示，其结果与实施例1相似。\n实施例12\n第一金属膜为Ni，复折射率N1＝1.79-1.86j，厚度d1＝35nm；第二金属 膜为Ag，复折射率N2＝0.11-6.56j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相 位的响应曲线图如图14所示，其结果与实施例1相似。\n实施例13\n第一金属膜为Pd，复折射率N1＝1.92-1.31j，厚度d1＝45nm；第二金属 膜为Cu，复折射率N2＝0.2-6.27j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相位 的响应曲线图如图15所示，其结果与实施例1相似。\n实施例14\n第一金属膜为Pd，复折射率N1＝1.92-1.31j，厚度d1＝45nm；第二金属 膜为Au，复折射率N2＝0.58-6.65j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相 位的响应曲线图如图16所示，其结果与实施例1相似。\n实施例15\n第一金属膜为Pd，复折射率N1＝1.92-1.31j，厚度d1＝25nm；第二金属 膜为Al，复折射率N2＝1.78-8.53j，厚度d2＝5nm；其测量结果的光强对相位 的响应曲线图如图17所示，其结果与实施例1相似。\n实施例16\n第一金属膜为Pd，复折射率N1＝1.92-1.31j，厚度d1＝45nm；第二金属 膜为Ag，复折射率N2＝0.11-6.56j，厚度d2＝10nm；其测量结果的光强对相 位的响应曲线图如图18所示，其结果与实施例1相似。