CN213779260U - 一种基于y型腔正交偏振激光器的声波测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于Y型腔正交偏振激光器的声波测量装置，由Y型腔正交偏振激光器、气体膜盒、气体导管、传感气体和信号采集与处理单元组成。当外界待测声波信号传播至气体膜盒时，气体膜盒的膜片将产生振动，使得气体膜盒、气体导管和P子段的空腔内的传感气体折射率发生变化，从而导致Y型腔正交偏振激光器的P光频率发生改变，此时S光频率保持不变。因此，通过测量Y型腔正交偏振激光器的S光和P光的频差变化量，即可得到声波信号的频谱和强度信息。本实用新型具有结构简单，频谱测量范围宽、灵敏度高、实用性强等优点。此外，本实用新型不局限于传感气体的种类和压强，传感灵敏度可以随环境需要而改变，应用场合和适用范围广。
Description
技术领域
本实用新型属于光学工程领域和声波检测技术领域，涉及一种基于Y型腔正交偏振激光器的声波测量装置。
背景技术
常见的声波探测一般用压强式传声器、压差式传声器和多声道干涉传声器等传感器去接收声场中的声压。前两者都是利用声波入射到振膜引起电压的变化而实现声压的测量，区别在于振膜在声场的暴露程度。多声道干涉传声器是将传声器做成多个入声口的长管，管口覆有振膜，声波在不同入声口中产生干涉，可以在强噪声环境下提取远距离的声波信号。这三者可以有效提取中高频率、中等强度的声波信号，但在低频、低强度的声波信号面前显得捉襟见肘。而在石油和天然气勘探，水下通信，地震监测，陆地、空中和水上监视等领域迫切需要能同时实现微弱和中高强度声波探测的传感器(Wonuk Jo,Onur Kilic,andMichel J.F.Digonnet.Highly Sensitive Phase-Front-Modulation Fiber AcousticSensor[J].Journal ofLightwave Technology 0733-8724(c))。
目前能实现微弱声波探测的传感器主要有：基于微型法布里珀罗(F-P)干涉仪进行相位敏感测量的光纤声学传感器(Balthasar Fischer.Optical microphone hearsultrasound[J].NATURE PHOTONICS,2016,10,356-358)。该干涉仪由反射光阑和离它几十微米远的单模光纤的反射尖端组成。振膜振动调节F-P腔的长度，从而调节腔共振的频率。为了测量这种频率调制，激光通过光纤发送到F-P腔，由F-P腔反射并被检测。频率调制然后被转换成振动频率下反射激光信号的光功率调制，光功率信号由光强探测器检测，从而实现微弱声波探测。此种方法灵敏度高、噪声低、体积小，可以有效探测到600-10kHz频率内
检测压力的声波。同时，其测量灵敏度对波长的依赖性较高，频谱范围较小，需要复杂的电路设计，不利于广泛应用和检修。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是：提出一种基于Y型腔正交偏振激光器的声波测量装置，具有结构简单、频谱测量范围宽、灵敏度高、实用性强和应用范围广等优点。
本实用新型的原理是：利用气体导管将气体膜盒和Y型腔正交偏振激光器的P子段的空腔(毛细管)连通构成一个封闭腔，将传感气体置入该封闭腔内。当外界待测声波信号传播至气体膜盒时，气体膜盒的膜片将产生振动，使得气体膜盒、气体导管和P子段的空腔内的传感气体折射率发生变化，从而导致Y型腔正交偏振激光器的P光频率发生改变，此时S光频率保持不变。因此，通过测量Y型腔正交偏振激光器的S光和P光的频差变化量，即可得到声波信号的频谱和强度信息。
本实用新型采用的技术方案是：一种基于Y型腔正交偏振激光器的声波测量装置，包括Y型腔正交偏振激光器100、气体膜盒200、气体导管300、传感气体400和信号采集与处理单元500；所述Y型腔正交偏振激光器100，包括激光器腔体、偏振分光片104、第一反射镜105、第二反射镜106和第三反射镜107；所述激光器腔体包括共用段101、S子段102和P子段103，所述共用段101和S子段102采用微晶玻璃和钻孔工艺一体化加工，共用一个端面；所述偏振分光片104固定设置在该共用端面上；所述P子段103的第一端面与设置偏振分光片后的共用段101和S子段102的共用端面密封固定连接；所述P子段103中心沿光路方向设置有封闭的空腔108，该空腔108设有第一通气孔109；第一反射镜105固定设置在共用段101的第一端面上，所述第二反射镜106固定设置在S子段102的第一端面上，第三反射镜107固定设置在P子段103的第二端面上；所述气体膜盒200包括膜片201和膜盒腔体202，所述膜盒腔体202为一个端面开口的半封闭腔体，设有第二通气孔203，所述膜片201密封固定在膜盒腔体202的开口端面；所述气体导管300物理性能稳定，其两端分别与第一通气孔109、第二通气孔203密封连接，与所述P子段103的空腔108和气体膜盒200连通构成一个封闭腔，所述传感气体400化学性能稳定，且置入该封闭腔内；所述信号采集与处理单元500用于采集和处理第一反射镜105输出的频差信号，获得待测声波的频谱和强度信号。
进一步地，所述气体导管300采用空芯光纤。
进一步地，所述膜片201采用超薄石英膜片，其厚度小于0.1mm。
更进一步地，所述膜盒腔体202为圆柱形腔体，顶面开口，底面中心处设置第二通气孔203。
更进一步地，所述信号采集与处理单元500包括1/4波片501、光电雪崩二极管502、频谱仪503和计算机504，所述Y型腔正交偏振激光器100通过第一反射镜105输出的两种频率的激光垂直入射1/4波片501，通过1/4波片501的激光由光电雪崩二极管502接收，光电雪崩二极管502输出的信号由频谱仪503接收，计算机504读取和处理频谱仪503的输出信号。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型的第一反射镜输出信号为S光和P光的频差信号，可由频率计数器和频谱仪直接读出，方便后期数据处理，可用于声波的实时监测。
2、本实用新型在气体折射率改变1*10-6时，将使激光频率变化574MHz。因此，实时测量S光和P光的频差变化量Δv能灵敏探测到声波的频谱和强度信号，比例因子大。
3、本实用新型利用超薄石英膜片灵敏的声波感应能力和激光频率对气体折射率的放大作用，可以有效探测声波信号，具有结构简单、环境适应性强、检测范围宽、灵敏度高等优点。
此外，本实用新型不局限于传感气体的种类和气压，可根据实际情况更换不同种类和气压的传感气体，以改变测量灵敏度；不局限于气体导管的种类，只要连接气体导管和气体膜盒的空芯转接件物理性能稳定，不影响气体折射率改变即可；也不局限于膜片的直径和种类，应用场合和适用范围非常广。
附图说明
图1为本实用新型总体结构示意图；
图2为本实用新型所述的Y型腔正交偏振激光器结构示意图；
图3为本实用新型所述的气体膜盒的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的一个实施案例作详细的说明，但不应因此限制本实用新型的保护范围。
如图1所示，一种基于Y型腔正交偏振激光器的声波测量装置，包括Y型腔正交偏振激光器100、气体膜盒200、气体导管300、传感气体400和信号采集与处理单元500；如图2所示，所述Y型腔正交偏振激光器100，包括激光器腔体、偏振分光片104、第一反射镜105、第二反射镜106和第三反射镜107；所述激光器腔体包括共用段101、S子段102和P子段103，所述共用段101和S子段102采用微晶玻璃和钻孔工艺一体化加工，共用一个端面；所述偏振分光片104固定设置在该共用端面上；所述P子段103的第一端面与设置偏振分光片后的共用段101和S子段102的共用端面密封固定连接；所述P子段103中心沿光路方向设置有封闭的空腔108，该空腔108设有第一通气孔109；第一反射镜105固定设置在共用段101的第一端面上，所述第二反射镜106固定设置在S子段102的第一端面上，第三反射镜107固定设置在P子段103的第二端面上；如图3所示，所述气体膜盒200包括膜片201和膜盒腔体202，所述膜盒腔体202为一个端面开口的半封闭腔体，设有第二通气孔203，所述膜片201密封固定在膜盒腔体202的开口端面；所述气体导管300物理性能稳定，其两端分别与第一通气孔109、第二通气孔203密封连接，与所述P子段103的空腔108和气体膜盒200连通构成一个封闭腔，所述传感气体400化学性能稳定，且置入该封闭腔内；所述信号采集与处理单元500用于采集和处理第一反射镜105输出的频差信号，获得待测声波的频谱和强度信号。
优选地，如图1所示，所述气体导管300采用空芯光纤，所述膜片201采用超薄石英膜片，其厚度为0.07mm；所述膜盒腔体202为圆柱形腔体，采用微晶玻璃一体切割而成，顶面开口，底面中心处设置第二通气孔203，超薄石英膜片、膜盒腔体和空芯光纤采用光胶和粘连方式连接；所述信号采集与处理单元500包括1/4波片501、光电雪崩二极管502、频谱仪503和计算机504，所述Y型腔正交偏振激光器100通过第一反射镜105输出的两种频率的激光垂直入射1/4波片501，通过1/4波片501的激光由光电雪崩二极管502接收，光电雪崩二极管502输出的信号由频谱仪503接收，计算机504读取和处理频谱仪503的输出信号。
Y型腔正交偏振激光器100产生两种不同频率的S光和P光，其频率分别为
其中，vS、vP分别是S光和P光的激光频率，q是正整数，由激光器自身决定，c是光速，nS、nP分别是S光和P光谐振腔内的气体折射率，LS、LP分别是S光和P光谐振腔的腔长。
所以，S光和P光的频率差
Δv＝vS-vP (3)
由上述公式可知，当P子段空腔内气体折射率改变1*10-6时，将使激光频率变化574MHz，在现有测量电路中，可以测量到0.01Hz以上的频率，因此，实时测量S光和P光的频差变化量Δv能灵敏探测到声波信号。
更进一步来说，如果改变P子段空腔、气体膜盒和空芯光纤内气体的折射率，就相当于改变了声波探测的灵敏度。气体折射率越高，声波探测的灵敏度也就越高，适用于石油和天然气勘探、水下通信和地震监测等微弱声波测量场景；气体折射率越低，超薄石英膜片振动也就越低，其在高强度声波探测中既能有效探测到声波信号，又避免损伤传感器件。
Claims (5)
1.一种基于Y型腔正交偏振激光器的声波测量装置，其特征在于：包括Y型腔正交偏振激光器(100)、气体膜盒(200)、气体导管(300)、传感气体(400)和信号采集与处理单元(500)；
所述Y型腔正交偏振激光器(100)，包括激光器腔体、偏振分光片(104)、第一反射镜(105)、第二反射镜(106)和第三反射镜(107)；所述激光器腔体包括共用段(101)、S子段(102)和P子段(103)，所述共用段(101)和S子段(102)采用微晶玻璃和钻孔工艺一体化加工，共用一个端面；所述偏振分光片(104)固定设置在该共用端面上；所述P子段(103)的第一端面与设置偏振分光片后的共用段(101)和S子段(102)的共用端面密封固定连接；所述P子段(103)中心沿光路方向设置有封闭的空腔(108)，该空腔(108)设有第一通气孔(109)；第一反射镜(105)固定设置在共用段(101)的第一端面上，所述第二反射镜(106)固定设置在S子段(102)的第一端面上，第三反射镜(107)固定设置在P子段(103)的第二端面上；
所述气体膜盒(200)包括膜片(201)和膜盒腔体(202)，所述膜盒腔体(202)为一个端面开口的半封闭腔体，设有第二通气孔(203)，所述膜片(201)密封固定在膜盒腔体(202)的开口端面；
所述气体导管(300)物理性能稳定，其两端分别与第一通气孔(109)、第二通气孔(203)密封连接，与所述P子段(103)的空腔(108)和气体膜盒(200)连通构成一个封闭腔，所述传感气体(400)化学性能稳定，且置入该封闭腔内；
所述信号采集与处理单元(500)用于采集和处理第一反射镜(105)输出的频差信号，获得待测声波的频谱和强度信号。
2.根据权利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的声波测量装置，其特征在于：所述气体导管(300)采用空芯光纤。
3.根据权利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的声波测量装置，其特征在于：所述膜片(201)采用超薄石英膜片，其厚度小于0.1mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于Y型腔正交偏振激光器的声波测量装置，其特征在于：所述膜盒腔体(202)为圆柱形腔体，顶面开口，底面中心处设有第二通气孔(203)。
5.根据权利要求4所述的基于Y型腔正交偏振激光器的声波测量装置，其特征在于：所述信号采集与处理单元(500)包括1/4波片(501)、光电雪崩二极管(502)、频谱仪(503)和计算机(504)，所述Y型腔正交偏振激光器(100)通过第一反射镜(105)输出的两种频率的激光垂直入射1/4波片(501)，通过1/4波片(501)的激光由光电雪崩二极管(502)接收，光电雪崩二极管(502)输出的信号由频谱仪(503)接收，计算机(504)读取和处理频谱仪(503)的输出信号。
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