一種聲共振式全保偏光纖光熱干涉的氣溶膠吸收系數(shù)測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種聲共振式全保偏光纖光熱干涉的氣溶膠吸收 系數(shù)測量方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 當(dāng)光穿過大氣時，其中的氣溶膠粒子將吸收光能量，從而引起光傳輸路徑上空氣 熱狀態(tài)變化，如溫度、氣壓和密度等變化。如果入射光受到周期性調(diào)制，空氣就會產(chǎn)生周期 性的壓力變化，也就是聲波，上述過程也可稱為光聲效應(yīng)。光聲效應(yīng)由美國科學(xué)家A. G. Bell 于1880年首次發(fā)現(xiàn)，其本質(zhì)是樣品吸收調(diào)制光能量后發(fā)生的周期性無輻射弛豫（熱效應(yīng)） 過程。通過測量激勵激光產(chǎn)生的光聲信號，即可實(shí)時獲得待測氣溶膠的吸收系數(shù)。不同于 一般吸收光譜的是，光聲光譜屬于光熱技術(shù)，其測量的是樣品吸收光能量后產(chǎn)生的聲信號， 對氣體成分的散射和反射不敏感，因此該方法在測量散射和反射共存介質(zhì)中的吸收系數(shù)較 消光扣除散射的差分法更為準(zhǔn)確。
[0003] 光聲效應(yīng)在發(fā)現(xiàn)后的近半個世紀(jì)時間內(nèi)沒有取得任何進(jìn)展，直到高靈敏聲壓探測 器一麥克風(fēng)的出現(xiàn)。1938年蘇聯(lián)科學(xué)家Viengerov利用光聲效應(yīng)對混合氣體中不同氣體 含量進(jìn)行了研究。他用黑體輻射紅外光源作為激發(fā)源，成功地檢測出混合氣體中的CO 2XH4 等成分和含量。1943年，Luft建立了一臺商業(yè)化的自動記錄氣體分析儀，該分析儀用了兩 個差分池的差分設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了氣體濃度的高靈敏探測。以后各國學(xué)者陸續(xù)報(bào)道了有關(guān)氣體 光聲效應(yīng)的理論研究情況，對光聲光譜技術(shù)的發(fā)展做出了開拓性的工作。
[0004] 20世紀(jì)七十年代之后，光聲光譜技術(shù)的研究工作進(jìn)入快速發(fā)展階段，主要得益于 以下幾個方面：首先，理論研究工作得到了充分的發(fā)展和完善，尤其是Rosencwaig等人建 立的一維固體光聲理論，簡稱為RG理論（Rosencwaig and Gersho)成為分析光聲光譜實(shí)驗(yàn) 結(jié)果的重要理論依據(jù)之一；其次，激勵光源獲得突破，六十年代世界上第一臺激光器問世， 激光的高功率、方向性好、單色性好等優(yōu)點(diǎn)極大地促進(jìn)了光聲光譜技術(shù)的發(fā)展，大大增強(qiáng)了 光聲光譜信號的強(qiáng)度，提高了探測靈敏度和光譜分辨率；再次，聲學(xué)傳感器方面，高靈敏度 的麥克風(fēng)、壓電陶瓷、石英音叉以及基于機(jī)械微加工技術(shù)的新型麥克風(fēng)等聲學(xué)傳感器的出 現(xiàn)使光聲光譜技術(shù)變得多樣化，也使該技術(shù)的性能獲得了質(zhì)的飛躍；最后在電子學(xué)方面，基 于低噪聲放大及鎖相技術(shù)的弱信號處理技術(shù)也有效促進(jìn)了光聲光譜技術(shù)的發(fā)展。目前，光 聲光譜技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、物質(zhì)表面研究、波譜研究以及大 氣環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。
[0005] 目前，傳統(tǒng)光聲光譜技術(shù)均采用聲傳感器來捕捉光聲信號，樣品腔作為聲共振腔 來增強(qiáng)聲信號，兩者之間處于分立工作狀態(tài)。發(fā)明人提出一種傳感器與聲共振腔的一體化 設(shè)計(jì)，采用靈敏度極高的光纖干涉?zhèn)鞲衅鞔鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的聲傳感器，基于彈性材料的圓柱形薄 壁設(shè)計(jì)的樣品腔替代原有樣品腔，將全保偏光纖均勻單層纏繞在樣品腔外側(cè)形成檢測臂， 檢測臂和參考臂二者形成邁克爾遜結(jié)構(gòu)的干涉?zhèn)鞲衅?，作為一個整體捕捉光聲信號，同時 中空的圓柱形樣品腔內(nèi)腔基于聲學(xué)原理設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)聲信號的共振增強(qiáng)；在聲壓的作用下， 彈性材料的任何形變都會引起外層光纖檢測臂的形變，從而將光聲信號轉(zhuǎn)化為相位信息。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0006] 本發(fā)明的目的是提出一種聲共振式全保偏光纖光熱干涉的氣溶膠吸收系數(shù)測量 方法，利用高靈敏度的光纖干涉?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)合特殊設(shè)計(jì)可增強(qiáng)光聲信號的彈性材料樣品腔實(shí) 現(xiàn)光聲信號的測量。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0008] -種聲共振式全保偏光纖光熱干涉的氣溶膠吸收系數(shù)測量方法，其特征在于：測 量所采用的光纖干涉器為全保偏光纖邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)，所述全保偏光纖邁克爾遜干涉?zhèn)?感器的檢測臂由保偏光纖單層均勻纏繞在采用彈性材料制備的樣品腔外側(cè)形成；所述彈性 材料制備的樣品腔內(nèi)的氣溶膠粒子通過吸收周期性激勵激光能量并共振形成增強(qiáng)的聲壓 信號，窄帶檢測激光器輸出的載波檢測激光經(jīng)隔離、起偏、保偏光纖耦合器分束后通過保偏 光纖分別進(jìn)入全保偏光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鞯膮⒖急酆蜋z測臂，檢測臂檢測樣品腔內(nèi)的 聲壓信號轉(zhuǎn)化為待測激光信號，所述的待測激光信號為檢測臂保偏光纖長度變化引起的周 期性相位變化的載波激光信號，該信號并被檢測臂末端發(fā)射至保偏光纖耦合器，和參考臂 末端反射回來的參考信號發(fā)生耦合形成具有周期性相位信息的干涉信號，干涉信號通過單 模光纖傳輸?shù)教綔y器，通過相位載波解調(diào)算法計(jì)算干涉信號的周期性相位信息實(shí)現(xiàn)氣溶膠 粒子對調(diào)制激勵激光的吸收特性測量。
[0009] 所述的全保偏光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅鳛樾茇埿腿Ｆ饫w邁克爾遜干涉結(jié) 構(gòu)，其參考臂和檢測臂末端平面均鍍有載波激光波段的高反膜；全保偏光纖的結(jié)構(gòu)避免了 外界影響帶來的偏振衰落現(xiàn)象。
[0010] 所述的樣品腔由彈性材料制成，為中空圓柱形薄壁結(jié)構(gòu)，激勵激光沿其中軸線傳 輸，在保證激勵效果最佳的基礎(chǔ)上最大限度的避免雜散光作用到樣品腔內(nèi)壁上。
[0011] 所述的調(diào)制激勵激光為周期性調(diào)制的調(diào)制激勵激光，該調(diào)制激勵激光被樣品腔內(nèi) 的氣溶膠粒子吸收后引起空氣熱膨脹而產(chǎn)生聲壓信號，該聲壓信號的大小與氣溶膠粒子對 調(diào)制激勵激光能量的吸收系數(shù)大小成線性關(guān)系，令聲壓信號在樣品腔內(nèi)發(fā)生共振以實(shí)現(xiàn)待 測信號的增強(qiáng)聲壓信號；增強(qiáng)聲壓信號作用于樣品腔的彈性材料產(chǎn)生形變，該形變與增強(qiáng) 聲壓信號成正比，即與所測氣溶膠粒子對對調(diào)制激勵激光能量的吸收系數(shù)正比。
[0012] 本發(fā)明的理論依據(jù)是：
[0013] 光聲光譜是基于光聲效應(yīng)的一種光譜技術(shù)。當(dāng)大氣氣溶膠粒子吸收入射的周期性 調(diào)制光束能量導(dǎo)致氣溶膠粒子的溫度升高，粒子通過熱傳遞將熱能傳遞給周圍的空氣，從 而使空氣受熱膨脹產(chǎn)生周期性的壓力變化，完成由光到聲的轉(zhuǎn)換。聲波作用在物體上將產(chǎn) 生聲壓，傳感器通過獲取聲壓信號完成光聲信號的探測。光聲光譜分為兩個部分：激勵生成 光聲信號與傳感器探測光聲信號。
[0014] 生成光聲信號的第一步就是受調(diào)制的光能量被樣品吸收，被吸收的能量在樣品中 產(chǎn)生一個周期性變化的熱源，即聲源。假設(shè)光強(qiáng)度用I (r，t)來描述，而被吸收的光能量產(chǎn) 生的熱源用H(r，t)來表示：
[0015] H(r, t) = I (r, t) · a (I)
[0016] 其中r描述位置，t是時間，α為吸收系數(shù)。
[0017] 產(chǎn)生光聲信號的第二步是在樣品中激發(fā)聲波，光聲信號S可以表示為：
[0018] S = Ccell · α · P · C (2)
[0019] 光聲信號S與聲學(xué)共振腔常數(shù)CMll、樣品濃度C、吸收系數(shù)α和激勵激光功率P 成正比，聲學(xué)共振腔常數(shù)Cm 1反映了光聲系統(tǒng)將氣體吸收的光能量轉(zhuǎn)化為聲波能量（或信 號）的能力。
[0020] 產(chǎn)生光聲信號的第三步就是信號的放大，一般由于物質(zhì)對光的吸收是很微弱的， 相應(yīng)的調(diào)制光激發(fā)的聲波信號也是相當(dāng)微弱，利用聲學(xué)共振腔對聲信號進(jìn)行放大。聲學(xué)上 對許多形狀的聲學(xué)共振腔都已經(jīng)有了比較成熟的理論分析及應(yīng)用范例，圓柱形共振腔的共 振頻率可以表示為：
[0021]
(3)
[0022] 本征值（i，m，n)分別代表縱向、角向和徑向模式數(shù)，Lrff和R。分別為共振腔的長度 和半徑，C s為介質(zhì)中的聲速，a m為m階貝塞爾函數(shù)的第η個根除以π。
[0023] 上面分析的是光聲信號的生成情況，傳感器捕捉光聲信號實(shí)際上是感受聲壓變化 的過程，將干涉?zhèn)鞲衅鞯臋z測臂纏繞在一個聲壓彈性體上，當(dāng)聲壓變化時，彈性體隨聲壓受 迫振動，傳感光纖長度被調(diào)制，因此聲壓對光纖傳感器的調(diào)制主要表現(xiàn)為光纖長度的調(diào)制， 光纖長度的變化與聲壓的變化如下所示：
[0024] (4)
[0025] (5)
[0026] 其中，k與K是比例系數(shù)，η是光纖纖芯折射率，c是真空中光速，V是光頻，1是臂長 差，a是聲壓振幅，f是聲波頻率，X是到聲源的距離，λ是聲波波長，ρ = a cos (2 JT ft+2 JT χ/ λ)表示平面聲波的聲壓。公式（4)說明干涉?zhèn)鞲衅飨辔徊钭兓c聲壓變化成正比，公式 (5)說明干涉?zhèn)鞲衅飨辔徊钭兓苯痈袘?yīng)聲場。
[0027] 采用相位載波解調(diào)算法來處理干涉信號，光電探測器輸出的干涉信號的電壓值表 示為：
[0028] 徹
[0029] 其中，A為與光纖干涉儀輸入光強(qiáng)、光纖親合器插入損耗有關(guān)的直流項(xiàng)，B與光纖 干涉儀輸入光強(qiáng)、光纖耦合器的分光比、干涉儀的消光比等有關(guān)，C為相位調(diào)制幅度，ω。為 調(diào)制信號頻率，爐(?)包括受調(diào)制激勵激光引起的周期性變化相位差此一,（〇與相位噪聲 將公式（6)式用Bessel函數(shù)展開：
[0030] CN 105136702 A ^ 4/丫貝
(7)
[0031] 其中的Jk(C)為第一類k階Bessel函數(shù)，該式表明干涉信號包括調(diào)制信號的基頻 和無窮項(xiàng)高次倍頻，實(shí)驗(yàn)中調(diào)制頻率遠(yuǎn)大于被測信號頻率，將公式（7)式分別乘以cosc^t 和codc^t后進(jìn)行低通濾波，通過微分、交叉相乘、相減并積分后可得AJl (C)./」（C)外）， 上式去除系統(tǒng)參數(shù)的影響后，即為被測信號
[0032] 本發(fā)明采用圓柱形薄壁設(shè)計(jì)的彈性材料作為樣品腔，將全保偏光纖均勻單層的纏 繞在彈性材料外側(cè)形成檢測臂，檢測臂與參考臂組成邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，作 為一個整體捕捉光聲信號，在聲壓的作用下，彈性材料的任何形變都會引起外層光纖傳感 器的形變，從而將光聲信號轉(zhuǎn)化為相位信息，具有極高的靈敏度；同時樣品腔內(nèi)腔基于聲學(xué) 原理設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，可保證激勵激光產(chǎn)生最大限度的單程激勵效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聲信號的 共振增強(qiáng)，進(jìn)一步增加了測量的靈敏度。
[0033] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0034] (1)、采用全保偏光纖邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)作為聲壓傳感器，這種檢測技術(shù)以波長λ 為度量單位，所以具有極高的靈敏度；（2)、以光纖作為光載體，全光纖設(shè)計(jì)使得干涉儀結(jié)構(gòu) 緊湊，穩(wěn)定可靠，大大降低了外界干擾引入的噪聲；（3)、全保偏光纖的應(yīng)用使得干涉結(jié)構(gòu)消 除了偏振衰落現(xiàn)象；(4)、相位載波解調(diào)算法有效解決了干涉儀初始相位漂移引起的相位衰 落現(xiàn)象；