[发明专利]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

说明书

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。