基于反馈环全光纤干涉的一种新型光声检测方法

何宇婧,柳媛瑾,贾　波,石艺尉

(1. 复旦大学 通信科学与工程系，上海 200433; 2. 复旦大学 材料科学系，上海 200433)



基于反馈环全光纤干涉的一种新型光声检测方法

何宇婧1,柳媛瑾2,贾波2,石艺尉1

(1. 复旦大学 通信科学与工程系，上海 200433; 2. 复旦大学 材料科学系，上海 200433)

提出了一种光声检测的新方法，这种检测方法的拾音器部分主要采用了单模光纤，通过带有反馈环的全光纤干涉系统来放大光声信号.气体吸收腔则采用了在气体吸收红外指纹区具有较宽低损窗口的空芯光纤作为谐振光声池.基于光纤应变传感器的基本原理和弹光效应推导出光声换能公式，并搭建了整个实验系统进行测量，得到干涉信号的强度与声信号衰减趋势相同.根据实测结果进行了干涉信号强度与声信号强度的指数衰减曲线的拟合，得到了平均为0.98的较高的拟合度.比较了不同内径的空芯光纤光声池的实验结果，发现内径较大的光声池灵敏度更高.

光纤； 空芯光波导； 光弹效应； 光声效应； 全光纤干涉

光声光谱(Photoacoustic Spectroscopy, PAS)作为光谱检测的一个重要分支，因其高灵敏度、较大的动态范围和系统结构的简易性被广泛用于微痕量的检测中，其工作的基本原理是通过调制光源而产生与光源调制频率相同的声波信号，通过对特定波长光的吸收而产生一定强度的声信号，从而实现对微痕量待测物的定性测量.而在特定的检测环境下，比如单色光源或已知吸收波长时，通过对声波信号幅度的测定可以定量得到待测物的浓度.传统的光声检测方法较多采用驻极体麦克风[1-2]，这会受到一些工程应用的限制，比如在某些特殊检测环境下，供电过程具有危险性，电信号也可能受到现场电磁场干扰.再有，驻极体麦克风一般安装在光声池腔内，瞬态声波信号可能损坏其振动薄膜.后来提出的石英音叉的检测方法[3-4]，灵敏度很高，但电路复杂，增加了系统的成本并容易受到来自电路部分噪声的干扰.

基于此，本文提供了一种新型检测方法——以空芯光纤作为光声池的基于反馈环全光纤干涉系统的光声检测方法.这种新型光声检测方法的拾音器主要采用了单模光纤，并通过带有反馈环的全光纤干涉系统来放大光声信号.这种传感光纤的优点是不受电磁干扰，也可以通过调整传感光纤长度来实现远距离光声检测，并且检测部分没有任何电子连接，可以降低某些工程应用中的危险性.直接利用空气中声压对光纤作用而产生的光弹效应对光纤中传输光的相位进行调制，而基于3×3耦合器构建的一种反馈环结构可以使得其中两路光束形成显著干涉，静态下干涉光路径相同，因此对光源相干性要求降低，并能很好地避免温度和相位噪声等干扰因素的影响.

该检测系统的另一重要部分——光声池，则采用了在1～20μm的较大红外区域能以较为平坦和较低的损耗传输红外激光，并且能够有较大的功率阈值的空芯光纤.该波段包括了对分子结构的变化高度敏感指纹区(8～25μm)和绝大多数有机物和无机物的基频吸收带所在的红外区(2.5～25μm)，因此可以降低入射光源的损耗，进而提高整个光声系统的灵敏度.除此之外，空芯光纤还具有较低的插入损耗，没有末端反射等优点.空芯光纤作为气体吸收腔的同时，由于自身尺寸优势，通过合理设计和对光源激光器的调制，可以实现光声池的一维纵向谐振[5]，只要共振腔的截面积尺寸远小于声波波长，则激发的声波信号只沿共振腔长度方向变化，这种腔体被认为是一维谐振腔.所以可以把空芯光纤看作为一维谐振腔，使产生的声压信号形成驻波而无需振动薄膜.对声信号强度进行判断，进而可以用来确定待测物浓度.为了实现更高的检测灵敏度，本文通过采用不同孔径的空芯光纤光声池进行了进一步的讨论.

1　系统结构图

图1是反馈环全光纤光声传感器的原理结构简图.它由光源、3×3耦合器、单模延时光纤线圈、传感光纤、光电探测器及信号处理部分组成.延时光纤线圈为避免与声信号发生作用，屏蔽在隔声盒中，传感光纤则直接放入光声池中.

其中光源是SOF35-BLD型稳定光源.峰值波长为1310nm，光谱半宽≤5nm，光输出功率≥10μW.光电探测器： InGaAs长波长PIN光电二极管(AP0917TP)，其响应光谱为850～1650nm,中心波长λ=1310nm.3×3光纤耦合器： 工作波长在1310nm，带宽±20nm，分光比为1∶1∶1，典型附加损耗为0.08dB，典型插入损耗为5.2dB.光纤连接器： 型号为FC/APC-FC/APC-φ0.9～3m，工作波长在1310nm，插入损耗小于0.2dB.信号处理设备： 宽频精密放大器、NI-DAQ、基于PC-LabView数据处理软件.

光声池采用的是金属结构空芯光纤[6].空芯光纤在红外区域全波段均能以较为平坦的和较低的损耗传输红外激光，并且能够有较大的功率阈值，因此能够传输大功率的激光能量.同时可以通过合理的尺寸设计和对光源的调制，实现一维纵向谐振.除此之外，空芯光纤还具有较低的插入损耗，没有末端反射等优点，进一步降低入射光源的损耗，进而提高整个光声系统的灵敏度.而通过改进制作工艺以及优化制作条件，比如在其内壁镀制介质膜，并通过控制介质膜的一些结构和材料的参数还可以将其低损窗口优化在某一固定波长[7-8]，并且空芯光纤内壁的光滑度更低，进一步降低了传统光声池由于内壁粗糙度带来的声信号损耗，对光源有较大传输阈值的同时可以实现声波谐振.

从光源发出的光进入3×3耦合器，经3×3耦合器后在光纤切割端面被反射，一束被光电探测器接收，由于这束光(光路为1-3-3-4)是该系统中光程最短的唯一的一束光，光强最大，构成直流分量，为背景光强；另一束经过3×3耦合器右端射入的光进入延时线圈，再次进入3×3耦合器，继而被光电探测器接收(光路为1-3-3-2-4).光源入射3×3耦合器的另一束先经过延时线圈后再进入传感光纤，在反射端面被反射，继而被光电探测器接收(光路为1-2-3-3-4).由于光声池产生的声波信号在传感光纤段中形成动态的微扰动，引起这两束光相位的改变.干涉信号经过光电转换和放大后，可以得到声波信号强度.而经过其他路径的光由于受到光源相干长度的限制不能形成稳定干涉，或者由于经过反馈环次数过多而损耗过大，虽然可以形成干涉但功率小，相比之下可忽略不计.

2　实验系统基本理论

检测器端，两束光形成的干涉光强为：

P=δP0R{1+cos[Δφ(t)+φ0]}，

(1)

其中，P0为光源发出的光耦合进光纤的光功率，R为传感光纤反射端的反射率，Δφ(t)为光纤光弹效应引起的相位差，φ0为系统固有相位差.δ是常量，代表系统其他因素的影响.

当空芯光纤光声池中的声压作用在传感光纤段上，调制出的相位差为：

(2)

n为光纤的有效折射率；λ为光源波长；β为光波传播常数；L为传感光纤长度.βΔL表示由于外界力学量改变光纤长度引起的相位移；LΔβ表示由于β的变化而引起的Δφ来源于两个作用： (1) 光弹效应引起了光纤折射率的变化；(2) 纵向应变引起了光纤直径D的变化，可表示为：

(3)

(4)

由于光纤应变主要是由物体的轴向应变(沿光纤纤心方向)引起的，物体的横向应变和剪切应变对光纤应变的影响可以忽略不计，即(4)式右边第三项可忽略不计，简化为：

(5)

βΔL为光纤轴向长度变化引起的相位移，第二项为光纤纤芯折射率变化引起的相位移变化.导致光纤轴向长度和纤芯折射率变化的因素由光声信号的直接作用构成.依据光弹理论[9]，最终可以得到：

(6)

其中p11,p12为纵向、横向光弹系数;E为光纤材料的弹性模量;P为均匀受压光纤的轴向应力;μ为光纤材料的泊松比.

(7)

PAC=δP0Rsinφ0Δφ.

(8)

在线性范围内，经光电探测器光电转换后得到的输出电压信号为

VAC=δP0RRLTsinφ0Δφ，

(9)

其中T为光电探测器的响应度；RL为负载电阻.由推导过程可以看出输出电压信号与传感光纤端受到的声信号扰动成正比，从而实现了光声信号的线性换能.

3　结果与分析

由于条件限制，没有采用光源调制，而是以外界扰动作用于空芯光纤光声池，使空芯光纤内部产生幅度与外界扰动大小成正比、频率为本征频率的声波信号，通过空芯光纤光声池腔体到达传感光纤段反射端面，使传感光纤受到空气作用而产生受迫振动.传感光纤端面受到的微扰与外界扰动成正比；频率为空气振动的本征频率，与空气中的气体浓度有关，实验状况下为一定值.如图2所示.

结合公式(7)则有：

(10)

β为传感光纤轴向振动的衰减系数，β(r)为空芯光纤内声波衰减系数，与空芯光纤的结构有关.v为声信号传播速度，T=L/v为声信号传输到到传感光纤反射面的时间.A0(E)为由外界扰动引起的空芯光纤的空气振动的振幅，与外界扰动的能量E成正比.L1、L2分别为传感光纤和延时光纤线圈的长度.对于固定的系统，β(r)只与空芯光纤的孔径有关.

(11)

其中：L代表了声波信号发生处到传感光纤反射端的距离，根据声波衰减传播特性，可知距离越大则传播至反射端的声波信号越小，反之亦然，符合衰减规律；σ为与光声池结构有关的换能常数，近似于1.则公式(11)可看做声信号与干涉光强的线性换能公式.

实验中使用了长度均为450mm，孔径为200μm，320μm的两种空芯光纤光声池.对每根光纤分别距离传感光纤反射端50，100，150，200，250，300，350，400mm处扰动.对于同一位置进行扰动时，用质量和摆长相同的单摆分别以不同摆角作用于空芯光纤.根据声波传输过程中衰减特性，不同的扰动位置产生的振动对传感光纤反射端面可产生不同强度的扰动，代表不同强度的空芯光纤光声池产生的声信号.扰动强度对干涉信号强度的影响可由时域图清晰看出，如图3所示，对实验数据进行拟合，结果如表1所示.

表1　实测数据拟合结果

图4(a)和图4(b)分别给出了两种不同内径尺寸空芯光纤光声池的实测数据和拟合结果.在相同摆角的扰动下，不同的声信号传播距离(即声波扰动发生处距离传感光纤反射端的距离)代表不同声波信号强度，根据声波传播衰减特性，声信号强度符合指数衰减曲线，两种孔径空芯光纤光声池经过干涉系统得到的光强，最终转换为电压信号幅度均符合这一趋势，如图4(见第72页)所示.

而对于同一内径空芯光纤光声池，在距离传感光纤反射端相同的距离，用单摆进行不同强度的扰动时，强度变化亦可从图中清晰看出，随着摆角增大，扰动增强，则声波初始振幅增大，对干涉光路相位差影响增大，进而影响最终得到的电压强度信号.

在相同的扰动距离和强度下，不同孔径空芯光纤光声池拟合结果的能量幅值略有不同，结果如图4所示.可能是由于扰动对不同孔径空芯光纤激发的声信号的初始幅值不同，故理论推导引入了换能系数σ.内径尺寸为200μm的空心光纤光声信号强度拟合曲线比320μm的拟合曲线更弯曲，意味着衰减系数更大.而根据声波在细管中传输特性，可知，空芯光纤光声池内径越小，声波传播受结构、材料以及内壁粗糙度的影响越大，故衰减系数越大.为了清晰看出不同内径空芯光纤光声池的衰减系数，对实验结果做对数计算，曲线斜率则代表了空芯光纤光声池的声波衰减系数，如图5所示.相同扰动强度下，不同距离的扰动，与输出的电信号强度成线性关系，根据该特性，或可以实现光声信号发生位置的精确定位.同时，又针对两种不同孔径特性的空芯光纤光声池进行了不同强度光声信号和输出电信号的拟合，结果如图6所示.

两种不同孔径空芯光纤光声池的拟合度分别为0.985、0.982，与推导的换能公式相符，证明了之前的理论分析结果.斜率分别为4.78和5.51.可以看出320μm孔径的光声池的光声检测灵敏度优于200μm孔径光声池.即空芯光纤内径越大，声波衰减系数越小，对于声信号检测的灵敏度越高.所以在实际应用中，应该使用较大孔径的空芯光纤来提高灵敏度.

4　结　论

本文提出了一种采用空芯光纤光声池，并基于反馈环全光纤干涉系统的光声检测方法.通过单摆扰动，根据扰动距离的不同产生强度不同的声波信号来验证对不同强度声信号的检测.通过耦合器和延时线圈实现两路光干涉，根据光纤应变传感的弹光效应推导出微扰应变量和相位差的线性关系，以及检测电路对干涉光强的输出交流项与相位差的关系进而推导出微扰应变量和输出干涉光强，即经过光电转换的电压信号的线性关系.并基于此搭建了整个实验系统进行实际检测.根据声信号在空芯光纤中衰减传播的特性曲线，得到的电压信号强度亦符合此趋势，并分别对200μm和320μm两种不同内径空心光纤光声池得到的不同声信号强度实测结果进行了拟合，得到了平均为0.98的较高拟合度.发现内径较大的光声池内声波衰减系数更高，同时也具有更高的灵敏度.这种检测方法的传感部分为普通单模光纤，具有不受电磁干扰，可对光声腔进行远距离遥测，传感光纤对声压信号反应灵敏等优点.同时采用了空芯光纤作为光声池，降低入射光源的损耗，并在未来可以通过激发一维谐振增强可检测的光声信号，同时还可以实现更为广泛的红外波段的光声检测；并通过对干涉系统干涉方法的改进，进一步提高系统的灵敏度.

[1]ROSENCWAIG A, GERSHO A. Theory of the photoacoustic effect with solids[J].JournalofAppliedPhysics, 1976,47(1)： 64-69.

[2]BERNEGGER S, SIGRIST M W. Longitudinal resonant spectrophone for CO-laser photoacoustic spectroscopy[J].AppliedPhysicsB, 1987,44(2)： 125-132.

[3]PATIMISCO P, SCAMARCIO G, TITTEL F K,etal. Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy： A review[J].Sensors, 2014,14(4)： 6165-6206.

[4]KOSTEREV A A, TITTEL F K, SEREBRYAKOV D V,etal. Applications of quartz tuning forks in spectroscopic gas sensing[J].ReviewofScientificInstruments, 2005,76(4)： 431051-431059.

[5]MIKLOS A, HESS P, BOZOKI Z. Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology [J].ReviewofScientificInstruments, 2004, 72(4)： 1937-1955.

[6]ABEL T, HIRSCH J, HARRINGTON J A. Hollow glass waveguides for broadband infrared transmission[J].OptLett， 1994,19(14)： 1034-1036.

[7]隋可融, 汤晓黎, 朱晓松, 等. 高性能 Ag/AgI 红外空芯光纤的研究[J]. 光子学报, 2008, 37(11)： 2186-2190.

[8]SUI K R, SHI Y W, TANG X L,etal. Optical properties of AgI/Ag infrared hollow fiber in the visible wavelength region[J].OptLett，2008, 33(4)： 318-320.

[9]HUGHES R, JARZYNSKI J. Static pressure sensitivity amplification in interferometric fiber-optic hydrophones[J].AppliedOptics, 1980, 19(1)： 98-107.

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，硕士研究生；石艺尉，男，教授，通讯联系人，E-mail： ywshi@fudan.edu.cn.

TN 252

A