声传感器和光声池是激光光声光谱技术的核心组件。结合光纤迈克耳孙干涉仪、相位载波解调技术和纵向共振光声池,提出一种共光声池腔的芯轴型空气衬底光纤麦克风。光纤麦克风中的铜毛细管被用作光声池的共振腔,传感臂由10 m长的超细光纤缠绕在铜毛细管上构成,参考臂为5 cm长的短臂且已进行隔声隔振处理。基于结构共振频率稳定的特点,优化光纤麦克风的共振频率,使其略低于光声池的一阶纵向共振频率,以实现准双共振。实验结果表明,麦克风在共振频率为1443 Hz处的最小可检测声压为0.69 μPa/Hz 1/2。在1 kHz处,声压电压响应线性度为99.98%(5 mPa~3 Pa),动态范围为112.52 dB。该光纤麦克风适用于高温、易爆和高电磁干扰等特殊环境下痕量气体的高精度检测。

提出了一种可作为高光谱分辨率激光雷达(HSRL)光谱鉴频器的双波长视场展宽迈克耳孙干涉仪(FWMI)的设计方法。详细阐述了双波长FWMI的设计原理,权衡考虑色散对于鉴频性能的影响。通过双波长视场展宽设计实现折射率补偿,从而使FWMI在355 nm和532 nm均有较大的接收视场。给出适用于355 nm和532 nm的双波长FWMI设计的具体参数,并对其进行性能评估和容差分析。评估结果表明,双波长FWMI拥有超过6°的接收视场角,在两个波长均有较为优异、稳定的性能表现,对于加工和装配精度要求也并非苛刻。利用蒙特卡罗仿真对基于双波长FWMI的HSRL系统的光学参数的反演误差进行分析。分析结果表明,在532 nm,气溶胶后向散射系数和消光系数的反演误差分别为1.82%和11.39%,而在355 nm,二者分别为1.62%和2.95%。

针对迈克耳孙干涉仪中的动镜倾斜问题,通过干涉理论分析了矩形和圆形通光孔径下干涉调制度的影响因素。仿真结果表明,干涉调制度与通光孔径 r、波数 υ?和倾斜角度 θ有关。为了确保干涉仪的性能,干涉调制度应不低于90%。当波长为λ时,矩形和圆形孔径的动镜倾斜角度 θmax应分别小于等于λ/（16r）、λ/（14r）。在动镜倾斜角度控制范围内,用Matlab仿真了单色光对正弦倾斜误差和随机倾斜误差的影响,结果表明,动镜倾斜角度应控制在1″左右,这对光谱仪的结构设计和研制具有一定的参考价值。

提出一种基于光子晶体光纤(PCF)的光纤迈克耳孙干涉仪,传感器结构由单模光纤(SMF)与一段PCF熔接构成。SMF与PCF之间的粗锥作为耦合器,既能激发出PCF中的高阶包层模,又能耦合PCF端面反射回的纤芯基模与高阶包层模,形成模间干涉。由于PCF中的空气孔全部暴露在环境中,湿气与光纤充分作用,有效提高了传感器的湿度灵敏度。传感实验结果表明,在30%~90%的相对湿度范围内,传感器的湿度灵敏度为-0.095 dB/%,线性拟合度为0.998;在20~100 ℃的温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm/℃,线性拟合度为0.997,温度引起的湿度测量误差为0.01%/℃;稳定性实验结果显示,该传感器的湿度测量标准误差为0.25%;呼吸测试表明,传感器的响应时间为190 ms。所设计的传感器结构简单、制作简便、灵敏度高、稳定性好、响应快,在湿度监测领域有较好的应用前景。

分析了傅里叶变换红外光谱仪中动镜倾斜、机械振动等不良因素对光谱仪性能的影响。针对这些影响因素,在傅里叶变换红外光谱仪上采用定镜动态校准技术,并对光谱仪的关键性能指标参数进行了测试。实验结果表明,该仪器各项性能指标良好,该研究对光谱仪的设计和研制具有较好的借鉴意义。

提出并制作了一种基于多模干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪,干涉仪由多模光纤熔接单模光纤构成。光从单模光纤进入多模光纤时,由于纤芯失配会激发出多个高阶模,这些高阶模与纤芯基模在多模光纤中耦合并发生模间干涉。制作的传感器样品的干涉谱条纹清晰,对比度高。液体折射率传感和温度响应特性实验结果表明在1.3333~1.3796 RIU的折射率范围内,干涉仪的液体折射率灵敏度为-92.43 dB/RIU;在25~75 ℃的水温范围内,干涉仪的液体温度灵敏度为0.01 dB/℃。传感器结构简单,易于制作,成本低廉,其探针式结构在生物医学、石油化工等领域有一定的应用前景。

基于迈克耳孙干涉仪的原理,采用共线自相关的测量方法,同时对强度自相关和二维电场自相关进行测量。对强度自相关的测量数据进行高斯拟合,得到所测脉冲时域内光强的半峰全宽约为96.2 fs;由CMOS图像传感芯片所测得的二维电场自相关中干涉条纹的分布情况,可以得到脉冲光斑波前相位的倾斜信息;通过对干涉条纹随时间延迟变化的漂移以及持续时间,采用傅里叶级数拟合分析手段,在延迟位移平台精度限制内,得到脉冲光功率谱存在微弱的1090 nm成分。

为了实现大范围的光纤复合架空地线(OPGW)舞动探测,提出了一种基于后向瑞利散射空间差分干涉的光纤分布式振动测量技术。舞动引起单模传感光纤中的后向瑞利散射光的变化,将含有振动信息的后向瑞利散射光注入到非平衡迈克耳孙干涉仪,利用干涉仪的臂长差实现相邻空间段的后向瑞利散射光干涉,采用3×3耦合器解调技术解调出相位信息,实现对振动信号的准确测量。在输电线路舞动实验室进行了OPGW的舞动测试,实现了0.9 Hz舞动、2.3 Hz非舞动的检测。

为了简化光纤液位传感器的设计与制作工艺, 提出了一种基于纤芯失配模间干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪, 由单模光纤熔接一段细径光纤构成。单模-细径光纤熔点处充当耦合器, 激发出光纤高阶包层模, 纤芯基模与高阶包层模被细径光纤端面反射后传输至单模光纤产生模间干涉并输出。传感器干涉条纹清晰、对比度高, 对环境液位改变敏感。对细径光纤长度为12 mm的传感器进行了不同溶液液位和温度响应特性的实验研究, 实验结果表明在0~9 mm 的液位变化范围内, 干涉谷波长与液位呈线性关系, 水液位灵敏度为－0.116 nm/mm, 质量分数为4.7%的 NaCl溶液液位灵敏度为－0.129 nm/mm；在20~80 ℃的水温变化范围内, 干涉谷的温度灵敏度为0.038 nm/℃。传感器结构简单、制作简便, 而且成本低廉, 在石油化工等领域具有较好的应用前景。

利用高相干、低噪音激光器作为光源,设计了2干涉臂长度差为60 m的长光程差光纤迈克耳孙干涉仪作为传感器。采用二元矩形脉冲对光源进行相位调制,结合正交信号解调法恢复相位信息,由基于现场可编程门阵列(FPGA)的高性能询问器实时实现相位信号的计算。结合时域穿越统计(LC)报警算法,提高了对入侵事件报警的实时性及精确性。最终搭建了包含4个防区的安防系统,该系统询问设备简单、成本低、实时性高。实验结果表明,通过设定合适的阈值,系统可以对各种入侵和干扰行为实时进行报警,同时对雨雪等恶劣环境的误报进行有效抑制,该系统持续工作1个月,未出现漏报,误报率低于1%。