基于F-P干涉波长的折射率测量

　　1　引　言

　　折射率是许多工程材料,尤其是光学材料非常重要的一个参数,而多数材料手册上给出的材料折射率不但相互不一致,而且其测量条件如对应的波长、温度等相关条件分散性很大,给实际应用带来不便。此外折射率还常常是工程上测量透明溶液浓度的重要途径。通常测定液体折射率的仪器是阿贝折射仪和瑞利干涉仪等,其测量精度虽然高,但不是普通的常用仪器,使用时有一定的技术要求。

　　本文设计了一种利用波长干涉法测量液体/气体折射率的传感系统———光纤法布里-珀罗(F-P)传感系统,该系统具有如下特点:1)采用F-P干涉系统透射光谱的波长信号进行液体/气体折射率测量,消除了光源波动对测量结果的影响[1],可实现连续高精度测量;2)直接利用PIN进行传感信号的检测,使系统简单、可靠、经济,且计算简便;3) F-P传感系统为光学系统,具有抗电磁干扰、耐腐蚀等优点[2~4],应用方便、广泛。

　　2　测量系统设计

　　2.1　F-P波长与其腔内介质折射率的关系

　　根据F-P干涉仪的干涉特性,如果以非单色平行光入射,则此时入射角i固定(它通常是0或接近于0)。由于多光束干涉,使得在很宽的光谱范围内只有某些特定的波长λk附近出现极大,i =0时这些λk满足下式

　　其中n,d,k,λk分别为F-P腔内介质的折射率,F-P腔长,干涉级次和干涉峰中心波长。

　　设F-P干涉仪腔内介质的折射率为n0时,与其对应的第k级干涉峰中心波长为λk0,则由(1)式得折射率n与干涉峰中心波长λ之间的关系(略去下标k)为

　　由(2)式可知,对特定波长下某干涉级次,F-P干涉仪干涉透射峰中心波长的变化与腔内介质折射率的变化成线性关系。

　　2.2　系统结构与设计

　　传感器结构如图1所示,由透镜L1,L2,两片反射镜及输入/输出光纤组成,经透镜变换后的平行光在两反射镜之间形成干涉。在传感器结构确定的情况下,透射光谱只与干涉腔内介质折射率有关。传感头的设计中,一方面要保证透镜的平行度和同轴度,提高光耦合效率;另一方面要保证传感头两端不受剪切应力的影响,最好采用温度稳定性好的外壳,以保证传感头的长期稳定性。

　　除了传感器外,传感系统的信号探测部分还包括光源、光探测器等部分,如图2所示。宽带光源BBS发出的光照到传感器后,经传感干涉仪干

涉,变成一系列特定波长的干涉峰。可调光学滤波器工作在扫描状态,锯齿波扫描电压调节其通带,使其通带在一定范围内扫描,在通带内只有一个干涉峰通过,当它扫过某个干涉峰时,相应的干涉光谱信号通过并到达光探测器。由于可调光学滤波器通带与传感干涉仪之间的卷积作用,使测试到的干涉峰谱线展宽,影响了可探测的最小可分辨的干涉峰波长偏移。为此,给可调光学滤波器同时再加上一个细分控制信号,让探测器输出到电混合器和低通滤波装置,它们以细分频率探测输出分量,可得到与光谱分量对应的响应,所得响应在每一个干涉峰的中心波长处都有过零点出现,这样就可大大提高系统的分辨率。系统中光滤波器的分辨率和信号处理电路是主要的测量误差来源。光探测器信号只要在强度足够后续电路读出,其强度上的波动对测量结果无影响。