[发明专利]一种基于开放腔法珀干涉仪的折射率测量方法

说明书

本发明公开了一种基于开放腔法珀干涉仪的折射率测量方法。本发明是根据干涉仪输出光谱中参考波长位置处的目标自由光谱范围的大小、阶次与被测折射率的关系，跟踪指定阶次目标干涉谷的波长漂移位置，利用目标干涉谷波长与折射率的关系式计算出开放腔内介质的折射率。本发明克服了现有方法测量范围小的不足，可以实现大折射率范围的测量。此外，由于本发明所观察的波长范围可以出现多个干涉谷，因此在实现大折射率测量范围的情况下，干涉仪的FSR可以较小，从而导致：干涉波谷变得尖锐，提高波谷位置判定的准确性；允许较大尺寸的开放腔，降低传感器的制作难度。

技术领域

本发明涉及光纤折射率传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种基于开放腔法珀干涉仪的折射率测量方法。

背景技术

光纤折射率传感器具有成本低、耐酸碱腐蚀、传输损耗低、响应速度快、可重复性强以及抗电磁干扰等优点，因此被广泛应用于物理，化学和生物医学等领域，近年来对它的研究也日益活跃。其中，开放式法珀干涉仪传感器具有超高的折射率灵敏度、很好的线性度和较低的温度交叉灵敏度，在微小折射率变化测量领域中具有很高的应用价值。

根据调制方式不同，光纤法珀干涉仪传感器信号处理主要分为强度解调和波长解调。强度解调方法简单，但灵敏度和精度不高、受光源波动影响。在要求高灵敏度的场合，往往采用波长解调。目前常用的波长解调方法有：傅里叶变换法(Pevec S,et al.Highresolution,all-fiber,micro-machined sensor for simultaneous measurement ofrefractive index and temperature.Optics Express,2014)、绝对光程差测量法(Li X,et al.A highly sensitive fiber-optic Fabry-Perot interferometer based oninternal reflection mirrors for refractive index measurement.Sensors,2016)和波长跟踪法(Zhang A P,et al.In-line open-cavity Fabry–Perot interferometerformed by C-shaped fiber fortemperature-insensitive refractive indexsensing.Optics Express,2014)。傅里叶变换法将周期性的干涉谱变换到频域，通过相位的变化来检测被测物的折射率，该方法可以有效解决温度交叉灵敏度的问题，但是折射率灵敏度较小。绝对光程差测量法通过检测某一指定波长附近的自由光谱范围(FreeSpectrum Range，FSR)来直接估算待测物折射率，这种方法虽然测量范围较大，但是测量灵敏度也较低。波长跟踪法通过观察某个干涉谷波长的漂移情况实现折射率的测量，这种方法具有较高的分辨率，但只有一个自由光谱范围的波长测量范围。

对于开放腔法珀干涉仪传感器，当法珀腔内介质折射率发生变化时，梳状干涉谱将发生漂移，干涉谷的波长变化与法珀腔内折射率的变化呈现线性关系，通过检测一定波长范围内的干涉谷漂移，可获得腔内折射率信息。传统的开放腔法珀干涉仪折射率测量通常采用波长跟踪法，要求在腔内折射率发生变化时，波长观察范围内仅出现一个干涉谷，且该干涉谷对应的阶次不能发生变化。该波长观察范围约等于所观察干涉谷在初始折射率条件下所对应的自由光谱范围。由于开放腔法珀干涉仪的折射率灵敏度非常高，而FSR相对较小，因此，传统的波长跟踪方法导致折射率测量范围很小，限制了其应用范围。

发明内容

本发明针对以上问题，根据腔内折射率变化时，某任意波长所处干涉峰的FSR大小、阶次的变化规律，提出一种新型的针对双光束干涉的开放腔法珀干涉仪折射率测量方法，能够在很大的波长范围内，跟踪目标干涉谷的变化，从而极大扩展了折射率的测量范围。