干涉型光纤传感器 科技动态：基于混合干涉仪的高灵敏光纤传感器

科技动态：基于混合干涉仪的高灵敏光纤传感器

拉巴马大学亨茨维尔分校(UAH)的研究人员设计了一种超高分辨率干涉仪，它基于混合设计，结合了双路径配置和光学谐振器两者的优点，灵敏度非常高，可以检测到其他传感器无法检测的微弱声学信号。

该项目的主要研究者Hoque将基于光学谐振器的法布里-珀罗干涉仪嵌入道双路径马赫-曾德尔干涉仪之中，并把该设备称之为马赫曾德尔-法布里珀罗(MZ-FP)干涉仪。

类似于法布里-珀罗之类的基于光学谐振器的干涉仪，它们可以使特定的谐振频率通过干涉仪或从干涉仪反射。尽管其尺寸非常紧凑，但由于反射镜的高反射率，它们的光路长度非常长，从而在光流之间建立了可测量的干涉模式。

第二种干涉仪基于公共路径或双路径结构，它的灵敏度取决于其干涉臂的长度，最长可达数十甚至数百米，导致干涉仪体积较为笨重。马赫-曾德尔干涉仪和迈克耳逊干涉仪就是典型的传统双路径干涉仪。

MZ-FP干涉仪的混合方案使得研究人员能够将传统的双路径配置与光纤谐振器相结合。Hoque和他的同事研发了一种紧凑型干涉式光纤传感器，可在热噪声水平下工作，同时使用现成的商用二极管激光器进行检测。

图1：结合了马赫-曾德尔干涉仪和迈克耳逊干涉仪优点的新型干涉仪。

新型干涉仪的主要优点是其前所未有的高信号分辨率，该设备结构紧凑，灵敏度高，可在各种生物医学和物理领域中使用。

团队使用相同的光纤法布里-珀罗干涉仪作为光路倍增器，使MZ-FP干涉仪能够在一系列频率范围内达到破纪录的应变分辨率。在测试中，MZ-FP干涉仪实现了1飞秒应变的分辨率，探测精度达到微米级。

该团队称，如果适当放大干涉仪，MZ-FP的应变分辨率可以扩展到超声波范围。

阿拉巴马大学的教授LingzeDuan表示，他们的传感器分辨率在次声波到超声波的频率范围内创造了最高记录。设备检测超弱信号的能力在将来有望应用于预测环境事件、武器检测、控制气候变化研究等领域。

此外，基于MZ-FP干涉仪的光学传感器可用于辅助声学医学诊断。“基于混合干涉仪的声学传感器，能够检测非常微弱的生理声学信号，从而反映人体健康状况，然而目前的传感器是无法检测到这些信号的。

这项研究最重要的影响是它为无源光纤传感器达到前所未有的应变分辨率水平找到了一条可行的道路，如此高的传感分辨率使得光纤传感器可以接收比现在更弱的信号，大大拓宽了应用范围。

光纤传感器光源选择

　 光纤传感器所用的光源种类繁多，从白炽光源到激光器的各种光源都采用。今天，我们不讨论各种光源的结构及其工作原理，只讨论光纤传感器常用光源的性能，并指出选用光源的基本原则。　　1.白炽光源　　这类光源通常为钨丝灯泡，其辐射近似地为黑体辑射。由斯忒藩-玻尔兹曼定律可知，在2000 W时，其等效辐射度约为6 W/(sr?cm2)，但因其覆盖波长范围很宽，实际在可见光到红外波段上，其辐射度约0.1 W/(sr?cm2)。白炽灯源的优点是价廉、容易获得、使用方便。白炽光源可用作某些传感器的光源，但因其辐射度小，故只能与光纤束和粗芯阶跃光纤配合使用。其缺点是稳定性较差，寿命短(通常只有几百小时)。　　2.气体激光器　　常见的气体激光器有：氦氖激光器、二氧化碳激光器和氩离子激光器等。这里只讨论氮氖激光器，其他的很少应用。　　氦氖激光器的工作物质是氖，辅助物质是氮，有三个主要输出波长：0.63 μm，1.15 μm和3.39 μm，是一种价廉、低功率（0.1?100 mW）的高相干光源。除了相干性高外，氮氖激光器还具有下述优点：　　①容易实现单模工作，而且线宽非常窄，可低到1 kHz，这对于干涉型传感器来说更为可贵。　　②辐射度很高，与单模光纤耦合效率高。例如，直径为1 mm的圆面积氦氖激光器产生输出功率的典型值为1 mW，其发散角约为1 mrad，因此其相应的单横模辐射度约为108 W/（sr?cm2），能髙效率地耦合进单模光纤。　　③噪声小，除了激光腔内的等离子谐振频率外，氦氖激光器在其余频带内是相当平静的，噪声电平非常接近闪烁噪声。　　3.固体激光器　　为了区别于半导体激光器，所以有人把它称为晶体激光器，主要包括红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器和钦玻璃激光器等。红宝石激光器已很少用，现在所说的固体激光器主要指固态钕离子激光器等。这类激光器的优点是体积小巧、坚固耐用、高功率、高辐射密度（例如，Nd:YAG激光器的最小额定连续波输出功率为100 mW，也可高达几十瓦，相应的辐射度达109 W/（sr?cm2），辐射波长为1.06-1.35 μm）,发射光谱均匀且窄，并且容许单模工作等。其缺点是相干性和频率稳定性都不如气体激光器。　　4.半导体激光器　　半导体激光器是光纤传感器最重要的光源，因为它具有体积小巧、坚固耐用、寿命长（106~107h）、可靠性高、辖射度适中、电源简单等优点。这类光源有非相干辐射的发光二极管（LED）和相干辐射的半导体激光二极管（LD）等。　　1）发光二极管　　发光二极管又分为表面出光、端面出光和超辐射三种。它们的共同特点是辐射光的相干长度只有几微米，输出随正向偏置电流的变化接近于线性；可直接进行辐射调制（调制速率表面出光LED可达几MHz，端面出光LED超过100 MHz）。　　表面出光LED是多模光纤系统的良好光源，但由于它的辐射在很大的立体角（2π）内，与光纤的耦合率很低（例如，它与通信用多模光纤的耦合率低于10%）。因此，它不适用于干涉型光纤传感器或其他单模光纤系统中。　　端面出光LED有很高的空间相干性，而无时间相干性。其产生的总功率稍低于表面出光LED，但其辐射度却远大于表面出光（约两个数量级）。因此，它有更多的有用功率耦合进多模或单模光纤中。　　超辐射LED是一种细长条形结构的端面出光LED。它提高了端面出光LED的输出功率;有较好的定向输出光;减小了光谱宽度，但需要较大的激励电流。　　2）半导体激光二极管　　实际上，LD是具有谐振腔、异质结构的LED，能在大电流密度激励下产生激光。辐射功率大都为10 mW左右，但由于其方向性相当强，故辐射度高达108 W/（sr?cm2），工作波长在850?900 nm，平均寿命可超过106 h。这是一种通用的高功率密度光源。　　3）传感器用光源的选择准则　　光纤传感器对光源的基本要求是相同的，即必须使具有适当特性的、功率足够大的光到达检测器，以确保检测系统有足够大的信噪比。因此，我们选择光源时，应当遵循下述原则：　　①根据系统要求，选择辐射强度足够大的光源，而且要求在敏感元件的工作波长上有最大的辐射功率；　　②光源必须与光纤相匹配，以便获得最好的耦合效率。　　③光源的稳定性要好，能长期在室温下工作。

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