CN105136702A - 一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法，测量所采用的光纤干涉传感器为全保偏光纤迈克尔逊干涉结构，全保偏光纤迈克尔逊干涉传感器的检测臂由保偏光纤单层均匀缠绕在采用弹性材料制备的样品腔外侧形成；调制激励激光穿过样品腔的待测气体时，气溶胶吸收激励激光能量所产生的与周围气体的温差转化为声压信号，该声压信号在样品腔通过共振获得增强，迈克尔逊干涉传感器在共振声压信号的作用下生成周期性相位差，通过对该相位差的解调实时获得气溶胶的吸收特性。本发明将全保偏光纤均匀单层的缠绕在弹性材料外侧形成检测臂组成迈克尔逊干涉结构的光纤传感器，作为一个整体捕捉光声信号，具有极高的灵敏度。

Description

一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法

技术领域：

本发明属于光学领域，具体涉及一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法。

背景技术：

当光穿过大气时，其中的气溶胶粒子将吸收光能量，从而引起光传输路径上空气热状态变化，如温度、气压和密度等变化。如果入射光受到周期性调制，空气就会产生周期性的压力变化，也就是声波，上述过程也可称为光声效应。光声效应由美国科学家A.G.Bell于1880年首次发现，其本质是样品吸收调制光能量后发生的周期性无辐射弛豫(热效应)过程。通过测量激励激光产生的光声信号，即可实时获得待测气溶胶的吸收系数。不同于一般吸收光谱的是，光声光谱属于光热技术，其测量的是样品吸收光能量后产生的声信号，对气体成分的散射和反射不敏感，因此该方法在测量散射和反射共存介质中的吸收系数较消光扣除散射的差分法更为准确。

光声效应在发现后的近半个世纪时间内没有取得任何进展，直到高灵敏声压探测器--麦克风的出现。1938年苏联科学家Viengerov利用光声效应对混合气体中不同气体含量进行了研究。他用黑体辐射红外光源作为激发源，成功地检测出混合气体中的CO₂、CH₄等成分和含量。1943年，Luft建立了一台商业化的自动记录气体分析仪，该分析仪用了两个差分池的差分设计，实现了气体浓度的高灵敏探测。以后各国学者陆续报道了有关气体光声效应的理论研究情况，对光声光谱技术的发展做出了开拓性的工作。

20世纪七十年代之后，光声光谱技术的研究工作进入快速发展阶段，主要得益于以下几个方面：首先，理论研究工作得到了充分的发展和完善，尤其是Rosencwaig等人建立的一维固体光声理论，简称为RG理论(RosencwaigandGersho)成为分析光声光谱实验结果的重要理论依据之一；其次，激励光源获得突破，六十年代世界上第一台激光器问世，激光的高功率、方向性好、单色性好等优点极大地促进了光声光谱技术的发展，大大增强了光声光谱信号的强度，提高了探测灵敏度和光谱分辨率；再次，声学传感器方面，高灵敏度的麦克风、压电陶瓷、石英音叉以及基于机械微加工技术的新型麦克风等声学传感器的出现使光声光谱技术变得多样化，也使该技术的性能获得了质的飞跃；最后在电子学方面，基于低噪声放大及锁相技术的弱信号处理技术也有效促进了光声光谱技术的发展。目前，光声光谱技术已经广泛地应用于生物学、医学、材料学、化学、物质表面研究、波谱研究以及大气环境监测等领域。

目前，传统光声光谱技术均采用声传感器来捕捉光声信号，样品腔作为声共振腔来增强声信号，两者之间处于分立工作状态。发明人提出一种传感器与声共振腔的一体化设计，采用灵敏度极高的光纤干涉传感器代替传统的声传感器，基于弹性材料的圆柱形薄壁设计的样品腔替代原有样品腔，将全保偏光纤均匀单层缠绕在样品腔外侧形成检测臂，检测臂和参考臂二者形成迈克尔逊结构的干涉传感器，作为一个整体捕捉光声信号，同时中空的圆柱形样品腔内腔基于声学原理设计可实现声信号的共振增强；在声压的作用下，弹性材料的任何形变都会引起外层光纤检测臂的形变，从而将光声信号转化为相位信息。

发明内容：

本发明的目的是提出一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法，利用高灵敏度的光纤干涉传感器结合特殊设计可增强光声信号的弹性材料样品腔实现光声信号的测量。

本发明采用的技术方案是：

一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法，其特征在于：测量所采用的光纤干涉器为全保偏光纤迈克尔逊干涉结构，所述全保偏光纤迈克尔逊干涉传感器的检测臂由保偏光纤单层均匀缠绕在采用弹性材料制备的样品腔外侧形成；所述弹性材料制备的样品腔内的气溶胶粒子通过吸收周期性激励激光能量并共振形成增强的声压信号，窄带检测激光器输出的载波检测激光经隔离、起偏、保偏光纤耦合器分束后通过保偏光纤分别进入全保偏光纤迈克尔逊干涉传感器的参考臂和检测臂，检测臂检测样品腔内的声压信号转化为待测激光信号，所述的待测激光信号为检测臂保偏光纤长度变化引起的周期性相位变化的载波激光信号，该信号并被检测臂末端发射至保偏光纤耦合器，和参考臂末端反射回来的参考信号发生耦合形成具有周期性相位信息的干涉信号，干涉信号通过单模光纤传输到探测器，通过相位载波解调算法计算干涉信号的周期性相位信息实现气溶胶粒子对调制激励激光的吸收特性测量。

所述的全保偏光纤迈克尔逊干涉传感器为熊猫型全保偏全光纤迈克尔逊干涉结构，其参考臂和检测臂末端平面均镀有载波激光波段的高反膜；全保偏光纤的结构避免了外界影响带来的偏振衰落现象。

所述的样品腔由弹性材料制成，为中空圆柱形薄壁结构，激励激光沿其中轴线传输，在保证激励效果最佳的基础上最大限度的避免杂散光作用到样品腔内壁上。

所述的调制激励激光为周期性调制的调制激励激光，该调制激励激光被样品腔内的气溶胶粒子吸收后引起空气热膨胀而产生声压信号，该声压信号的大小与气溶胶粒子对调制激励激光能量的吸收系数大小成线性关系，令声压信号在样品腔内发生共振以实现待测信号的增强声压信号；增强声压信号作用于样品腔的弹性材料产生形变，该形变与增强声压信号成正比，即与所测气溶胶粒子对对调制激励激光能量的吸收系数正比。

本发明的理论依据是：

光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术。当大气气溶胶粒子吸收入射的周期性调制光束能量导致气溶胶粒子的温度升高，粒子通过热传递将热能传递给周围的空气，从而使空气受热膨胀产生周期性的压力变化，完成由光到声的转换。声波作用在物体上将产生声压，传感器通过获取声压信号完成光声信号的探测。光声光谱分为两个部分：激励生成光声信号与传感器探测光声信号。

生成光声信号的第一步就是受调制的光能量被样品吸收，被吸收的能量在样品中产生一个周期性变化的热源，即声源。假设光强度用I(r,t)来描述，而被吸收的光能量产生的热源用H(r,t)来表示：

H(r,t)＝I(r,t)·α(1)

其中r描述位置，t是时间，α为吸收系数。

产生光声信号的第二步是在样品中激发声波,光声信号S可以表示为：

S＝C_cell·α·P·C(2)

光声信号S与声学共振腔常数C_cell、样品浓度C、吸收系数α和激励激光功率P成正比，声学共振腔常数C_cell反映了光声系统将气体吸收的光能量转化为声波能量(或信号)的能力。

产生光声信号的第三步就是信号的放大，一般由于物质对光的吸收是很微弱的，相应的调制光激发的声波信号也是相当微弱，利用声学共振腔对声信号进行放大。声学上对许多形状的声学共振腔都已经有了比较成熟的理论分析及应用范例，圆柱形共振腔的共振频率可以表示为：

$f_{imn}=\frac{c_s}{2}\sqrt{{\left(\frac{j}{L_{eff}}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{nn}}{R_c}\right)}^2}---\left(3\right)$

本征值(i,m,n)分别代表纵向、角向和径向模式数,L_eff和R_c分别为共振腔的长度和半径，c_s为介质中的声速，α_mn为m阶贝塞尔函数的第n个根除以π。

上面分析的是光声信号的生成情况，传感器捕捉光声信号实际上是感受声压变化的过程，将干涉传感器的检测臂缠绕在一个声压弹性体上，当声压变化时，弹性体随声压受迫振动，传感光纤长度被调制，因此声压对光纤传感器的调制主要表现为光纤长度的调制，光纤长度的变化与声压的变化如下所示：

其中，k与K是比例系数，n是光纤纤芯折射率，c是真空中光速，v是光频，l是臂长差，a是声压振幅，f是声波频率，x是到声源的距离，λ是声波波长，p＝acos(2πft+2πx/λ)表示平面声波的声压。公式(4)说明干涉传感器相位差变化与声压变化成正比，公式(5)说明干涉传感器相位差变化直接感应声场。

采用相位载波解调算法来处理干涉信号，光电探测器输出的干涉信号的电压值表示为：

其中，A为与光纤干涉仪输入光强、光纤耦合器插入损耗有关的直流项，B与光纤干涉仪输入光强、光纤耦合器的分光比、干涉仪的消光比等有关，C为相位调制幅度，ω₀为调制信号频率，包括受调制激励激光引起的周期性变化相位差与相位噪声将公式(6)式用Bessel函数展开：

其中的J_k(C)为第一类k阶Bessel函数，该式表明干涉信号包括调制信号的基频和无穷项高次倍频，实验中调制频率远大于被测信号频率，将公式(7)式分别乘以cosω₀t和cos2ω₀t后进行低通滤波，通过微分、交叉相乘、相减并积分后可得上式去除系统参数的影响后，即为被测信号

本发明采用圆柱形薄壁设计的弹性材料作为样品腔，将全保偏光纤均匀单层的缠绕在弹性材料外侧形成检测臂，检测臂与参考臂组成迈克尔逊干涉结构的光纤传感器，作为一个整体捕捉光声信号，在声压的作用下，弹性材料的任何形变都会引起外层光纤传感器的形变，从而将光声信号转化为相位信息，具有极高的灵敏度；同时样品腔内腔基于声学原理设计成中空结构，可保证激励激光产生最大限度的单程激励效果，进而实现声信号的共振增强，进一步增加了测量的灵敏度。

本发明的优点是：

(1)、采用全保偏光纤迈克尔逊干涉结构作为声压传感器，这种检测技术以波长λ为度量单位，所以具有极高的灵敏度；(2)、以光纤作为光载体，全光纤设计使得干涉仪结构紧凑，稳定可靠，大大降低了外界干扰引入的噪声；(3)、全保偏光纤的应用使得干涉结构消除了偏振衰落现象；(4)、相位载波解调算法有效解决了干涉仪初始相位漂移引起的相位衰落现象；(5)、样品腔选用弹性材料制作，其外部作为检测臂载体，内部结构基于声学原理实现光声信号增强，中空柱状设计保证了激励激光产生最大限度的单程激励效果；

附图说明：

图1本发明测量装置的结构示意图。

图2本发明的干涉仪参考臂的剖面图。

具体实施方式：

如图1所示，一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法，其特征在于：测量所采用的光纤干涉器为全保偏光纤迈克尔逊干涉结构，所述全保偏光纤迈克尔逊干涉传感器的检测臂由保偏光纤单层均匀缠绕在采用弹性材料制备的样品腔外侧形成，如图2所示；所述弹性材料制备的样品腔内的气溶胶粒子通过吸收周期性激励激光能量并共振形成增强的声压信号，窄带检测激光器输出的载波检测激光经隔离、起偏、保偏光纤耦合器分束后通过保偏光纤分别进入全保偏光纤迈克尔逊干涉传感器的参考臂和检测臂，检测臂检测样品腔内的声压信号转化为待测激光信号，所述的待测激光信号为检测臂保偏光纤长度变化引起的周期性相位变化的载波激光信号，该信号并被检测臂末端发射至保偏光纤耦合器，和参考臂末端反射回来的参考信号发生耦合形成具有周期性相位信息的干涉信号，干涉信号通过单模光纤传输到探测器，通过相位载波解调算法计算干涉信号的周期性相位信息实现气溶胶粒子对调制激励激光的吸收特性测量。所述的全保偏光纤迈克尔逊干涉传感器为熊猫型全保偏全光纤迈克尔逊干涉结构，其参考臂和检测臂末端平面均镀有载波激光波段的高反膜；全保偏光纤的结构避免了外界影响带来的偏振衰落现象，相位零差解调算法避免了初始相位漂移产生的相位衰落现象。

所述的样品腔由弹性材料制成，为中空圆柱形薄壁结构，激励激光沿其中轴线传输，在保证激励效果最佳的基础上最大限度的避免杂散光作用到样品腔内壁上。

所述的调制激励激光为周期性调制的调制激励激光，该调制激励激光被样品腔内的气溶胶粒子吸收后引起空气热膨胀而产生声压信号，该声压信号的大小与气溶胶粒子对调制激励激光能量的吸收系数大小成线性关系，令声压信号在样品腔内发生共振以实现待测信号的增强声压信号；增强声压信号作用于样品腔的弹性材料产生形变，该形变与增强声压信号成正比，即与所测气溶胶粒子对对调制激励激光能量的吸收系数正比。

本发明在工作的时候，弹性材料制备的样品腔既可以作为探测臂的载体，也可以冲充入样品，同时中空的样品腔可允许经过调制的激励激光穿过，从而引发光热效应。光热效应通过空气热膨胀的形式引发声信号，经样品腔实现声信号的共振，完成信号的增强，最后声压信号将导致弹性材料样品腔受迫形变，从而引起检测臂光纤长度变化，并在干涉仪中转变成为光相位信息，利用该相位信息实现气溶胶吸收特性的测量。

本发明的理论依据是：

光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术。当大气气溶胶粒子吸收入射的周期性调制光束能量导致气溶胶粒子的温度升高，粒子通过热传递将热能传递给周围的空气，从而使空气受热膨胀产生周期性的压力变化，完成由光到声的转换。声波作用在物体上将产生声压，传感器通过获取声压信号完成光声信号的探测。光声光谱分为两个部分：激励生成光声信号与传感器探测光声信号。

生成光声信号的第一步就是受调制的光能量被样品吸收，被吸收的能量在样品中产生一个周期性变化的热源，即声源。假设光强度用I(r,t)来描述，而被吸收的光能量产生的热源用H(r,t)来表示：

H(r,t)＝I(r,t)·α(1)

其中r描述位置，t是时间，α为吸收系数。

产生光声信号的第二步是在样品中激发声波,光声信号S可以表示为：

S＝C_cell·α·P·C(2)

光声信号S与声学共振腔常数C_cell、样品浓度C、吸收系数α和激励激光功率P成正比，声学共振腔常数C_cell反映了光声系统将气体吸收的光能量转化为声波能量(或信号)的能力。

产生光声信号的第三步就是信号的放大，一般由于物质对光的吸收是很微弱的，相应的调制光激发的声波信号也是相当微弱，利用声学共振腔对声信号进行放大。声学上对许多形状的声学共振腔都已经有了比较成熟的理论分析及应用范例，圆柱形共振腔的共振频率可以表示为：

$f_{imn}=\frac{c_s}{2}\sqrt{{\left(\frac{j}{L_{eff}}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{nn}}{R_c}\right)}^2}---\left(3\right)$

本征值(i,m,n)分别代表纵向、角向和径向模式数,L_eff和R_c分别为共振腔的长度和半径，c_s为介质中的声速，α_mn为m阶贝塞尔函数的第n个根除以π。

上面分析的是光声信号的生成情况，传感器捕捉光声信号实际上是感受声压变化的过程，将干涉传感器的检测臂缠绕在一个声压弹性体上，当声压变化时，弹性体随声压受迫振动，传感光纤长度被调制，因此声压对光纤传感器的调制主要表现为光纤长度的调制，光纤长度的变化与声压的变化如下所示：

其中，k与K是比例系数，n是光纤纤芯折射率，c是真空中光速，v是光频，l是臂长差，a是声压振幅，f是声波频率，x是到声源的距离，λ是声波波长，p＝acos(2πft+2πx/λ)表示平面声波的声压。公式(4)说明干涉传感器相位差变化与声压变化成正比，公式(5)说明干涉传感器相位差变化直接感应声场。

采用相位载波解调算法来处理干涉信号，光电探测器输出的干涉信号的电压值表示为：

其中，A为与光纤干涉仪输入光强、光纤耦合器插入损耗有关的直流项，B与光纤干涉仪输入光强、光纤耦合器的分光比、干涉仪的消光比等有关，C为相位调制幅度，ω₀为调制信号频率，包括受调制激励激光引起的周期性变化相位差与相位噪声将公式(6)式用Bessel函数展开：

其中的J_k(C)为第一类k阶Bessel函数，该式表明干涉信号包括调制信号的基频和无穷项高次倍频，实验中调制频率远大于被测信号频率，将公式(7)式分别乘以cosω₀t和cos2ω₀t后进行低通滤波，通过微分、交叉相乘、相减并积分后可得上式去除系统参数的影响后，即为被测信号

本发明采用圆柱形薄壁设计的弹性材料作为样品腔，将全保偏光纤均匀单层的缠绕在弹性材料外侧形成检测臂，检测臂与参考臂组成迈克尔逊干涉结构的光纤传感器，作为一个整体捕捉光声信号，在声压的作用下，弹性材料的任何形变都会引起外层光纤传感器的形变，从而将光声信号转化为相位信息，具有极高的灵敏度；同时样品腔内腔基于声学原理设计成中空结构，可保证激励激光产生最大限度的单程激励效果，进而实现声信号的共振增强，进一步增加了测量的灵敏度。

Claims (4)

1.一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法，其特征在于：测量采用的光纤干涉传感器为全保偏光纤迈克尔逊干涉结构，所述全保偏光纤迈克尔逊干涉传感器的检测臂由保偏光纤单层均匀缠绕在采用弹性材料制备的样品腔外侧形成,所述弹性材料制备的样品腔内的气溶胶粒子通过吸收周期性激励激光能量并共振形成增强的声压信号；窄带检测激光器输出的载波检测激光经隔离、起偏、保偏光纤耦合器分束后通过保偏光纤分别进入全保偏光纤迈克尔逊干涉传感器的参考臂和检测臂，检测臂检测样品腔内的声压信号转化为待测激光信号，所述的待测激光信号为检测臂保偏光纤长度变化引起的周期性相位变化的载波激光信号，该信号被检测臂末端反射至保偏光纤耦合器，和参考臂末端反射回来的参考信号发生耦合形成具有周期性相位信息的干涉信号，干涉信号通过单模光纤传输到探测器，通过相位载波解调算法计算探测器探测到的干涉信号的周期性相位信息实现气溶胶粒子对调制激励激光的吸收特性测量。

2.根据权利要求1所述的一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法，其特征在于：所述的全保偏光纤迈克尔逊干涉传感器为熊猫型全保偏全光纤迈克尔逊干涉结构，其参考臂和检测臂末端平面均镀有载波激光波段的高反膜。

3.根据权利要求1所述的一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法，其特征在于：所述的样品腔由弹性材料制成，为中空圆柱形薄壁结构，调制激励激光沿样品腔轴线传输，在保证激励效果最佳的基础上最大限度的避免杂散光作用到样品腔内壁上。

4.根据权利要求1所述的一种声共振式全保偏光纤光热干涉的气溶胶吸收系数测量方法，其特征在于：所述的调制激励激光为周期性调制的调制激励激光，该调制激励激光被样品腔内的气溶胶粒子吸收后引起空气热膨胀而产生声压信号，该声压信号的大小与气溶胶粒子对调制激励激光能量的吸收系数大小成线性关系，令声压信号在样品腔内发生共振以实现待测信号的增强声压信号；增强声压信号作用于样品腔的弹性材料产生形变，该形变与增强声压信号成正比，即与所测气溶胶粒子对对调制激励激光能量的吸收系数正比。