基于反饋環(huán)全光纖干涉的一種新型光聲檢測(cè)方法

何宇婧,柳媛瑾,賈　波,石藝尉

(1. 復(fù)旦大學(xué) 通信科學(xué)與工程系，上海 200433; 2. 復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系，上海 200433)

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基于反饋環(huán)全光纖干涉的一種新型光聲檢測(cè)方法

何宇婧1,柳媛瑾2,賈波2,石藝尉1

(1. 復(fù)旦大學(xué) 通信科學(xué)與工程系，上海 200433; 2. 復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系，上海 200433)

提出了一種光聲檢測(cè)的新方法，這種檢測(cè)方法的拾音器部分主要采用了單模光纖，通過帶有反饋環(huán)的全光纖干涉系統(tǒng)來(lái)放大光聲信號(hào).氣體吸收腔則采用了在氣體吸收紅外指紋區(qū)具有較寬低損窗口的空芯光纖作為諧振光聲池.基于光纖應(yīng)變傳感器的基本原理和彈光效應(yīng)推導(dǎo)出光聲換能公式，并搭建了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，得到干涉信號(hào)的強(qiáng)度與聲信號(hào)衰減趨勢(shì)相同.根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了干涉信號(hào)強(qiáng)度與聲信號(hào)強(qiáng)度的指數(shù)衰減曲線的擬合，得到了平均為0.98的較高的擬合度.比較了不同內(nèi)徑的空芯光纖光聲池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)內(nèi)徑較大的光聲池靈敏度更高.

光纖； 空芯光波導(dǎo)； 光彈效應(yīng)； 光聲效應(yīng)； 全光纖干涉

光聲光譜(Photoacoustic Spectroscopy, PAS)作為光譜檢測(cè)的一個(gè)重要分支，因其高靈敏度、較大的動(dòng)態(tài)范圍和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易性被廣泛用于微痕量的檢測(cè)中，其工作的基本原理是通過調(diào)制光源而產(chǎn)生與光源調(diào)制頻率相同的聲波信號(hào)，通過對(duì)特定波長(zhǎng)光的吸收而產(chǎn)生一定強(qiáng)度的聲信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微痕量待測(cè)物的定性測(cè)量.而在特定的檢測(cè)環(huán)境下，比如單色光源或已知吸收波長(zhǎng)時(shí)，通過對(duì)聲波信號(hào)幅度的測(cè)定可以定量得到待測(cè)物的濃度.傳統(tǒng)的光聲檢測(cè)方法較多采用駐極體麥克風(fēng)[1-2]，這會(huì)受到一些工程應(yīng)用的限制，比如在某些特殊檢測(cè)環(huán)境下，供電過程具有危險(xiǎn)性，電信號(hào)也可能受到現(xiàn)場(chǎng)電磁場(chǎng)干擾.再有，駐極體麥克風(fēng)一般安裝在光聲池腔內(nèi)，瞬態(tài)聲波信號(hào)可能損壞其振動(dòng)薄膜.后來(lái)提出的石英音叉的檢測(cè)方法[3-4]，靈敏度很高，但電路復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的成本并容易受到來(lái)自電路部分噪聲的干擾.

基于此，本文提供了一種新型檢測(cè)方法——以空芯光纖作為光聲池的基于反饋環(huán)全光纖干涉系統(tǒng)的光聲檢測(cè)方法.這種新型光聲檢測(cè)方法的拾音器主要采用了單模光纖，并通過帶有反饋環(huán)的全光纖干涉系統(tǒng)來(lái)放大光聲信號(hào).這種傳感光纖的優(yōu)點(diǎn)是不受電磁干擾，也可以通過調(diào)整傳感光纖長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光聲檢測(cè)，并且檢測(cè)部分沒有任何電子連接，可以降低某些工程應(yīng)用中的危險(xiǎn)性.直接利用空氣中聲壓對(duì)光纖作用而產(chǎn)生的光彈效應(yīng)對(duì)光纖中傳輸光的相位進(jìn)行調(diào)制，而基于3×3耦合器構(gòu)建的一種反饋環(huán)結(jié)構(gòu)可以使得其中兩路光束形成顯著干涉，靜態(tài)下干涉光路徑相同，因此對(duì)光源相干性要求降低，并能很好地避免溫度和相位噪聲等干擾因素的影響.

該檢測(cè)系統(tǒng)的另一重要部分——光聲池，則采用了在1～20μm的較大紅外區(qū)域能以較為平坦和較低的損耗傳輸紅外激光，并且能夠有較大的功率閾值的空芯光纖.該波段包括了對(duì)分子結(jié)構(gòu)的變化高度敏感指紋區(qū)(8～25μm)和絕大多數(shù)有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的基頻吸收帶所在的紅外區(qū)(2.5～25μm)，因此可以降低入射光源的損耗，進(jìn)而提高整個(gè)光聲系統(tǒng)的靈敏度.除此之外，空芯光纖還具有較低的插入損耗，沒有末端反射等優(yōu)點(diǎn).空芯光纖作為氣體吸收腔的同時(shí)，由于自身尺寸優(yōu)勢(shì)，通過合理設(shè)計(jì)和對(duì)光源激光器的調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)光聲池的一維縱向諧振[5]，只要共振腔的截面積尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng)，則激發(fā)的聲波信號(hào)只沿共振腔長(zhǎng)度方向變化，這種腔體被認(rèn)為是一維諧振腔.所以可以把空芯光纖看作為一維諧振腔，使產(chǎn)生的聲壓信號(hào)形成駐波而無(wú)需振動(dòng)薄膜.對(duì)聲信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行判斷，進(jìn)而可以用來(lái)確定待測(cè)物濃度.為了實(shí)現(xiàn)更高的檢測(cè)靈敏度，本文通過采用不同孔徑的空芯光纖光聲池進(jìn)行了進(jìn)一步的討論.

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1是反饋環(huán)全光纖光聲傳感器的原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖.它由光源、3×3耦合器、單模延時(shí)光纖線圈、傳感光纖、光電探測(cè)器及信號(hào)處理部分組成.延時(shí)光纖線圈為避免與聲信號(hào)發(fā)生作用，屏蔽在隔聲盒中，傳感光纖則直接放入光聲池中.

其中光源是SOF35-BLD型穩(wěn)定光源.峰值波長(zhǎng)為1310nm，光譜半寬≤5nm，光輸出功率≥10μW.光電探測(cè)器： InGaAs長(zhǎng)波長(zhǎng)PIN光電二極管(AP0917TP)，其響應(yīng)光譜為850～1650nm,中心波長(zhǎng)λ=1310nm.3×3光纖耦合器： 工作波長(zhǎng)在1310nm，帶寬±20nm，分光比為1∶1∶1，典型附加損耗為0.08dB，典型插入損耗為5.2dB.光纖連接器： 型號(hào)為FC/APC-FC/APC-φ0.9～3m，工作波長(zhǎng)在1310nm，插入損耗小于0.2dB.信號(hào)處理設(shè)備： 寬頻精密放大器、NI-DAQ、基于PC-LabView數(shù)據(jù)處理軟件.

光聲池采用的是金屬結(jié)構(gòu)空芯光纖[6].空芯光纖在紅外區(qū)域全波段均能以較為平坦的和較低的損耗傳輸紅外激光，并且能夠有較大的功率閾值，因此能夠傳輸大功率的激光能量.同時(shí)可以通過合理的尺寸設(shè)計(jì)和對(duì)光源的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)一維縱向諧振.除此之外，空芯光纖還具有較低的插入損耗，沒有末端反射等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步降低入射光源的損耗，進(jìn)而提高整個(gè)光聲系統(tǒng)的靈敏度.而通過改進(jìn)制作工藝以及優(yōu)化制作條件，比如在其內(nèi)壁鍍制介質(zhì)膜，并通過控制介質(zhì)膜的一些結(jié)構(gòu)和材料的參數(shù)還可以將其低損窗口優(yōu)化在某一固定波長(zhǎng)[7-8]，并且空芯光纖內(nèi)壁的光滑度更低，進(jìn)一步降低了傳統(tǒng)光聲池由于內(nèi)壁粗糙度帶來(lái)的聲信號(hào)損耗，對(duì)光源有較大傳輸閾值的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)聲波諧振.

從光源發(fā)出的光進(jìn)入3×3耦合器，經(jīng)3×3耦合器后在光纖切割端面被反射，一束被光電探測(cè)器接收，由于這束光(光路為1-3-3-4)是該系統(tǒng)中光程最短的唯一的一束光，光強(qiáng)最大，構(gòu)成直流分量，為背景光強(qiáng)；另一束經(jīng)過3×3耦合器右端射入的光進(jìn)入延時(shí)線圈，再次進(jìn)入3×3耦合器，繼而被光電探測(cè)器接收(光路為1-3-3-2-4).光源入射3×3耦合器的另一束先經(jīng)過延時(shí)線圈后再進(jìn)入傳感光纖，在反射端面被反射，繼而被光電探測(cè)器接收(光路為1-2-3-3-4).由于光聲池產(chǎn)生的聲波信號(hào)在傳感光纖段中形成動(dòng)態(tài)的微擾動(dòng)，引起這兩束光相位的改變.干涉信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和放大后，可以得到聲波信號(hào)強(qiáng)度.而經(jīng)過其他路徑的光由于受到光源相干長(zhǎng)度的限制不能形成穩(wěn)定干涉，或者由于經(jīng)過反饋環(huán)次數(shù)過多而損耗過大，雖然可以形成干涉但功率小，相比之下可忽略不計(jì).

2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本理論

檢測(cè)器端，兩束光形成的干涉光強(qiáng)為：

P=δP0R{1+cos[Δφ(t)+φ0]}，

(1)

其中，P0為光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖的光功率，R為傳感光纖反射端的反射率，Δφ(t)為光纖光彈效應(yīng)引起的相位差，φ0為系統(tǒng)固有相位差.δ是常量，代表系統(tǒng)其他因素的影響.

當(dāng)空芯光纖光聲池中的聲壓作用在傳感光纖段上，調(diào)制出的相位差為：

(2)

n為光纖的有效折射率；λ為光源波長(zhǎng)；β為光波傳播常數(shù)；L為傳感光纖長(zhǎng)度.βΔL表示由于外界力學(xué)量改變光纖長(zhǎng)度引起的相位移；LΔβ表示由于β的變化而引起的Δφ來(lái)源于兩個(gè)作用： (1) 光彈效應(yīng)引起了光纖折射率的變化；(2) 縱向應(yīng)變引起了光纖直徑D的變化，可表示為：

(3)

(4)

由于光纖應(yīng)變主要是由物體的軸向應(yīng)變(沿光纖纖心方向)引起的，物體的橫向應(yīng)變和剪切應(yīng)變對(duì)光纖應(yīng)變的影響可以忽略不計(jì)，即(4)式右邊第三項(xiàng)可忽略不計(jì)，簡(jiǎn)化為：

(5)

βΔL為光纖軸向長(zhǎng)度變化引起的相位移，第二項(xiàng)為光纖纖芯折射率變化引起的相位移變化.導(dǎo)致光纖軸向長(zhǎng)度和纖芯折射率變化的因素由光聲信號(hào)的直接作用構(gòu)成.依據(jù)光彈理論[9]，最終可以得到：

(6)

其中p11,p12為縱向、橫向光彈系數(shù);E為光纖材料的彈性模量;P為均勻受壓光纖的軸向應(yīng)力;μ為光纖材料的泊松比.

(7)

PAC=δP0Rsinφ0Δφ.

(8)

在線性范圍內(nèi)，經(jīng)光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換后得到的輸出電壓信號(hào)為

VAC=δP0RRLTsinφ0Δφ，

(9)

其中T為光電探測(cè)器的響應(yīng)度；RL為負(fù)載電阻.由推導(dǎo)過程可以看出輸出電壓信號(hào)與傳感光纖端受到的聲信號(hào)擾動(dòng)成正比，從而實(shí)現(xiàn)了光聲信號(hào)的線性換能.

3　結(jié)果與分析

由于條件限制，沒有采用光源調(diào)制，而是以外界擾動(dòng)作用于空芯光纖光聲池，使空芯光纖內(nèi)部產(chǎn)生幅度與外界擾動(dòng)大小成正比、頻率為本征頻率的聲波信號(hào)，通過空芯光纖光聲池腔體到達(dá)傳感光纖段反射端面，使傳感光纖受到空氣作用而產(chǎn)生受迫振動(dòng).傳感光纖端面受到的微擾與外界擾動(dòng)成正比；頻率為空氣振動(dòng)的本征頻率，與空氣中的氣體濃度有關(guān)，實(shí)驗(yàn)狀況下為一定值.如圖2所示.

結(jié)合公式(7)則有：

(10)

β為傳感光纖軸向振動(dòng)的衰減系數(shù)，β(r)為空芯光纖內(nèi)聲波衰減系數(shù)，與空芯光纖的結(jié)構(gòu)有關(guān).v為聲信號(hào)傳播速度，T=L/v為聲信號(hào)傳輸?shù)降絺鞲泄饫w反射面的時(shí)間.A0(E)為由外界擾動(dòng)引起的空芯光纖的空氣振動(dòng)的振幅，與外界擾動(dòng)的能量E成正比.L1、L2分別為傳感光纖和延時(shí)光纖線圈的長(zhǎng)度.對(duì)于固定的系統(tǒng)，β(r)只與空芯光纖的孔徑有關(guān).

(11)

其中：L代表了聲波信號(hào)發(fā)生處到傳感光纖反射端的距離，根據(jù)聲波衰減傳播特性，可知距離越大則傳播至反射端的聲波信號(hào)越小，反之亦然，符合衰減規(guī)律；σ為與光聲池結(jié)構(gòu)有關(guān)的換能常數(shù)，近似于1.則公式(11)可看做聲信號(hào)與干涉光強(qiáng)的線性換能公式.

實(shí)驗(yàn)中使用了長(zhǎng)度均為450mm，孔徑為200μm，320μm的兩種空芯光纖光聲池.對(duì)每根光纖分別距離傳感光纖反射端50，100，150，200，250，300，350，400mm處擾動(dòng).對(duì)于同一位置進(jìn)行擾動(dòng)時(shí)，用質(zhì)量和擺長(zhǎng)相同的單擺分別以不同擺角作用于空芯光纖.根據(jù)聲波傳輸過程中衰減特性，不同的擾動(dòng)位置產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)傳感光纖反射端面可產(chǎn)生不同強(qiáng)度的擾動(dòng)，代表不同強(qiáng)度的空芯光纖光聲池產(chǎn)生的聲信號(hào).擾動(dòng)強(qiáng)度對(duì)干涉信號(hào)強(qiáng)度的影響可由時(shí)域圖清晰看出，如圖3所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表1所示.

表1　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖4(a)和圖4(b)分別給出了兩種不同內(nèi)徑尺寸空芯光纖光聲池的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果.在相同擺角的擾動(dòng)下，不同的聲信號(hào)傳播距離(即聲波擾動(dòng)發(fā)生處距離傳感光纖反射端的距離)代表不同聲波信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)聲波傳播衰減特性，聲信號(hào)強(qiáng)度符合指數(shù)衰減曲線，兩種孔徑空芯光纖光聲池經(jīng)過干涉系統(tǒng)得到的光強(qiáng)，最終轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)幅度均符合這一趨勢(shì)，如圖4(見第72頁(yè))所示.

而對(duì)于同一內(nèi)徑空芯光纖光聲池，在距離傳感光纖反射端相同的距離，用單擺進(jìn)行不同強(qiáng)度的擾動(dòng)時(shí)，強(qiáng)度變化亦可從圖中清晰看出，隨著擺角增大，擾動(dòng)增強(qiáng)，則聲波初始振幅增大，對(duì)干涉光路相位差影響增大，進(jìn)而影響最終得到的電壓強(qiáng)度信號(hào).

在相同的擾動(dòng)距離和強(qiáng)度下，不同孔徑空芯光纖光聲池?cái)M合結(jié)果的能量幅值略有不同，結(jié)果如圖4所示.可能是由于擾動(dòng)對(duì)不同孔徑空芯光纖激發(fā)的聲信號(hào)的初始幅值不同，故理論推導(dǎo)引入了換能系數(shù)σ.內(nèi)徑尺寸為200μm的空心光纖光聲信號(hào)強(qiáng)度擬合曲線比320μm的擬合曲線更彎曲，意味著衰減系數(shù)更大.而根據(jù)聲波在細(xì)管中傳輸特性，可知，空芯光纖光聲池內(nèi)徑越小，聲波傳播受結(jié)構(gòu)、材料以及內(nèi)壁粗糙度的影響越大，故衰減系數(shù)越大.為了清晰看出不同內(nèi)徑空芯光纖光聲池的衰減系數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對(duì)數(shù)計(jì)算，曲線斜率則代表了空芯光纖光聲池的聲波衰減系數(shù)，如圖5所示.相同擾動(dòng)強(qiáng)度下，不同距離的擾動(dòng)，與輸出的電信號(hào)強(qiáng)度成線性關(guān)系，根據(jù)該特性，或可以實(shí)現(xiàn)光聲信號(hào)發(fā)生位置的精確定位.同時(shí)，又針對(duì)兩種不同孔徑特性的空芯光纖光聲池進(jìn)行了不同強(qiáng)度光聲信號(hào)和輸出電信號(hào)的擬合，結(jié)果如圖6所示.

兩種不同孔徑空芯光纖光聲池的擬合度分別為0.985、0.982，與推導(dǎo)的換能公式相符，證明了之前的理論分析結(jié)果.斜率分別為4.78和5.51.可以看出320μm孔徑的光聲池的光聲檢測(cè)靈敏度優(yōu)于200μm孔徑光聲池.即空芯光纖內(nèi)徑越大，聲波衰減系數(shù)越小，對(duì)于聲信號(hào)檢測(cè)的靈敏度越高.所以在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該使用較大孔徑的空芯光纖來(lái)提高靈敏度.

4　結(jié)　論

本文提出了一種采用空芯光纖光聲池，并基于反饋環(huán)全光纖干涉系統(tǒng)的光聲檢測(cè)方法.通過單擺擾動(dòng)，根據(jù)擾動(dòng)距離的不同產(chǎn)生強(qiáng)度不同的聲波信號(hào)來(lái)驗(yàn)證對(duì)不同強(qiáng)度聲信號(hào)的檢測(cè).通過耦合器和延時(shí)線圈實(shí)現(xiàn)兩路光干涉，根據(jù)光纖應(yīng)變傳感的彈光效應(yīng)推導(dǎo)出微擾應(yīng)變量和相位差的線性關(guān)系，以及檢測(cè)電路對(duì)干涉光強(qiáng)的輸出交流項(xiàng)與相位差的關(guān)系進(jìn)而推導(dǎo)出微擾應(yīng)變量和輸出干涉光強(qiáng)，即經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)的線性關(guān)系.并基于此搭建了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際檢測(cè).根據(jù)聲信號(hào)在空芯光纖中衰減傳播的特性曲線，得到的電壓信號(hào)強(qiáng)度亦符合此趨勢(shì)，并分別對(duì)200μm和320μm兩種不同內(nèi)徑空心光纖光聲池得到的不同聲信號(hào)強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了擬合，得到了平均為0.98的較高擬合度.發(fā)現(xiàn)內(nèi)徑較大的光聲池內(nèi)聲波衰減系數(shù)更高，同時(shí)也具有更高的靈敏度.這種檢測(cè)方法的傳感部分為普通單模光纖，具有不受電磁干擾，可對(duì)光聲腔進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙測(cè)，傳感光纖對(duì)聲壓信號(hào)反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn).同時(shí)采用了空芯光纖作為光聲池，降低入射光源的損耗，并在未來(lái)可以通過激發(fā)一維諧振增強(qiáng)可檢測(cè)的光聲信號(hào)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)更為廣泛的紅外波段的光聲檢測(cè)；并通過對(duì)干涉系統(tǒng)干涉方法的改進(jìn)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的靈敏度.

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A New Photoacoustic Detection Method Based on All-Fiber Interferometer System with Feedback Loop

HE Yujing1, LIU Yuanjin2, JIA Bo2, SHI Yiwei1

(1. Department of Communication Science and Engineering, Fudan University,Shanghai200433,China; 2.DepartmentofMaterialScience,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

An alternative method for photoacoustic detection, based on all-fiber interferometer system with feedback loop, is proposed. An experimental system was established by using hollow-core optical fiber as simulative photoacoustic(PA) cell. The detection was made of a single mode fiber coupling to one end of PA cell and a Sagnac interferometer detection scheme was used. Theoretical analysis based on optical fiber strain sensors and photoelastic effect was conducted. Measured results for various PA cells at different acoustic signal intensity showed agreement with that of the interference signal. Comparison experiments for PA cells with different inner diameters showed that PA cell with larger diameter is of high sensitivity.

optical fiber; hollow fiber; photoelastic effect; photoacoustic effect; all-fiber interferometer

0427-7104(2016)01-0068-06

2015-03-20

何宇婧(1990—)，女，碩士研究生；石藝尉，男，教授，通訊聯(lián)系人，E-mail： ywshi@fudan.edu.cn.

TN 252

A