利用腔環降光譜法的錐形光纖應變儀的製作方法
2023-07-03 08:34:56 2
專利名稱：利用腔環降光譜法的錐形光纖應變儀的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及腔環降檢測系統，尤其涉及利用腔環降光譜法(cavity ring-down spectroscopy)的光纖應變儀(fiber optic straingauge)。
背景技術：
儘管本申請涉及利用腔環降檢測對材料進行應變測量，但是下面的吸收光譜學的背景對於理解本發明是很有用的。
現在參考附圖，在所有附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件，
圖1以對數比例示出了電磁波譜。光譜學研究光譜。不同於關注光譜其他部分的科學，光學特別涉及可見光和近可見光——在從大約1mm到大約1nm的波長內延伸的非常窄的那部分可用光譜。近可見光包括比紅光更紅的顏色(紅外線)以及比紫光更紫的顏色(紫外線)。該範圍正好足夠遠地延伸到可見光的每一端，從而該可見光仍然可由通常材料製成的大多數透鏡和反射鏡加以處理。通常必須考慮材料的光學性質對波長的依賴性。
吸收型光譜學提供了高靈敏度、微秒數量級的響應時間、免於中毒，以及與除了在研究中的物質之外的分子物質(species)的有限幹擾。通過吸收光譜法可以檢測或識別各種分子物質。這樣，吸收光譜學提供了檢測重要且痕量的物質(trace species)的一般方法。在氣相中，由於這些物質的吸收強度集中在一組清楚的譜線上，因此該方法的靈敏度和選擇性最佳。光譜中的窄線可用於區別出最有可能相互幹擾的物質。
在許多工業生產過程中，必須以高速和高精確度來測量和分析在流動的氣流和液體中的痕量物質的濃度。由於汙染物的濃度對最終產品的質量經常是很關鍵的，因此需要這種測量和分析。例如，使用諸如N2、O2、H2、Ar和He的氣體來製造集成電路，在那些氣體中存在雜質(即使是百億分之幾(ppb)的級別)是具有破壞性的，並且降低了運算電路的產量。因此，利用光譜方法以相對較高的靈敏度監控水的這種相對較高的靈敏度對於製造在半導體工業中所用的高純度氣體是很重要的。在其他工業應用中也必須檢測各種雜質。此外，液體中雜質的存在，無論是固有的雜質還是故意放置的雜質，均已成為近期特別關注的問題。
光譜法已經達到對於高純度氣體中的氣態汙染物的百萬分之幾(ppm)級別的檢測。在一些情況下可達到ppb級別的檢測靈敏度。因此，已經將幾種光譜方法應用於諸如對氣體的定量汙染監控的應用中，這些光譜法包括在傳統的長光程長度(pathlength)單元中的吸收測量、光聲光譜法、頻率調製光譜法，和腔內雷射吸收光譜法。這些方法具有幾個特點，這在授予Lehmann的美國專利US5528040中進行了討論，這些特徵使其很難用於一些工業應用，並且對這些工業應用來說不切實際。因此，它們主要限制於實驗室研究。
相反，腔環降光譜法(CRDS)已經成為應用於科學、工業生產過程控制和大氣痕量氣體檢測的一項重要的光譜技術。作為用於測量光學吸收的技術，已經證明CRDS在常規方法靈敏度不足的低吸收率狀態中顯示出卓越性能。CRDS利用高精密(high-finesse)光學諧振腔中的光子的平均壽命作為可觀測的吸收-靈敏度。
通常，諧振腔由一對標稱上等價的、窄帶的超高反射率介質鏡來形成，對其進行適當地配置以形成穩定的光學諧振腔。雷射脈衝通過反射鏡輸入到該諧振腔中，從而經歷平均壽命，該平均壽命取決於光子來回行程的傳播時間(round-trip transit time)、諧振腔的長度、物質的吸收橫截面和數密度，以及說明諧振腔固有損耗(當衍射損耗可以忽略時主要由依賴頻率的鏡面反射率而引起)的因子。因此，光學吸收的確定從常規的功率比測量變為衰減時間的測量。CRDS的極限靈敏度由諧振腔固有損耗的量來確定，利用能夠製作超低損耗光學系統的諸如超磨光的技術可以使得該諧振腔固有損耗變為最小。
目前，CRDS限制為能夠利用高反射率介質鏡的光譜區域。這大大限制了該方法在大量紫外線和紅外線區域中的使用，這是因為目前不能獲得具有足夠高反射率的反射鏡。甚至在可獲得適當介質鏡的區域中，每組反射鏡也僅僅允許在很小的波長範圍內工作，通常是百分之幾的小範圍。此外，許多介質鏡的構造所需要使用的材料可能隨時間退化，特別是當暴露於化學腐蝕環境時。由於存在的限制限定了或阻礙了在許多潛在應用中使用CRDS，因此，已經清楚地認識到需要對諧振腔構造方面的當前技術狀態進行改進。
A.Pipino等人在Rev.Sci.Instrum.68(8)(1997年8月)所發表的論文「具有全內反射小型腔的漸逝波腔環降光譜法(Evanescent wavecavity ring-down spectroscopy with a total-internal reflectionminicavity)」提出了一種改進的諧振腔構造的方法。該方法利用正多邊形幾何形狀(例如正方形和八邊形)的單塊全內反射(TIR)環諧振腔，其具有至少一個凸面從而產生穩定性。通過位於諧振腔外面及其附近的第一稜鏡將光脈衝全反射，產生通過光子隧穿(tunneling)而進入該諧振腔並激發諧振腔的穩定模式的漸逝波。當光以大於臨界角入射在較低折射率的傳播介質的表面上時，這些光被完全反射。J.D.Jackson「經典電動力學(Classical Electrodynamics)」第七章，JohnWileySons有限公司紐約，NY(1962)。但是，存在除了非傳播的反射點之外的場，且其隨著與界面的距離而按指數規律衰減。該漸逝場不在純電介質中傳輸功率，但是反射波的衰減允許觀察在該漸逝場中存在的吸收物質。F.M.Mirabella(ed.)，「內反射光譜學(InternalReflection Spectroscopy)」第2章，Marcel Dekker有限公司紐約，NY(1993)。
根據單塊諧振腔中的光子的平均壽命來獲得位於諧振腔的全反射表面的物質的吸收光譜，這可通過利用第二稜鏡(也是位於該諧振腔的外面，但在其附近的全反射稜鏡)向外耦合而從檢測器處接收到的信號的時間依賴性中而提取出。這樣，通過光子隧穿，光輻射進入和射出該諧振腔，這允許精確地控制輸入和輸出耦合。CRDS的小型諧振腔得以實現，並且TIR環諧振腔將CRDS概念延伸到凝聚態物質光譜法。TIR的寬帶特性避開了在常規氣相CRDS中由介質鏡強加的窄帶寬限制。A.Pipino等人的成果僅僅適用於TIR光譜學，將其固有地限制於短的完全吸收光程長度，並因此限制於很強的吸收強度。相反，本發明提供長的吸收通路長度，因此允許檢測弱的吸收強度。
在授予Lehmann等人的美國專利US5973864、US6097555、US6172823B1和US6172824B1中提供了基於反射鏡的CRDS系統的各種新方法，這些專利在此引入作為參考。這些方法給出了使用由兩個反射元件或稜鏡元件形成近共焦諧振腔的啟示。
圖2說明現有技術的CRDS裝置10。如圖2中所示，由窄帶、可調的連續波二極體雷射器20產生光。溫度控制器30對雷射器20進行溫度調節，以使其波長處於分析物的所需譜線上。隔離器40位於從雷射器20發出的輻射之前且與該輻射同軸。隔離器40提供單向傳輸路徑，使輻射沿遠離雷射器20的方向傳播，但防止輻射沿反向傳播。單模光纖耦合器(F.C.)50將雷射器20發出的光耦合到光纖48中。光纖耦合器50位於隔離器40之前並於該隔離器同軸。光纖耦合器50容納且保持光纖48，並將雷射器20發出的輻射導向第一透鏡46並使其通過第一透鏡46。第一透鏡46收集該輻射並使其聚焦。由於雷射器20發出的光束模式(beam pattern)與在光纖48中傳播的光模式(pattern of light)不完全匹配，因此，存在不可避免的失配損耗。
雷射輻射近似模式匹配到環降腔(RDC)單元60中。反射鏡52將該輻射導向分束器54。分束器54將大約90％的輻射引導通過第二透鏡56。第二透鏡56將該輻射收集到單元60中並使其聚焦。剩餘的輻射穿過分束器54，並由反射鏡58引導到分析物參考單元90中。
透射通過分析物參考單元90的輻射導向第四透鏡92並通過第四透鏡92。第四透鏡92在分析物參考單元90和第二光電檢測器94(PD 2)之間對準。光電檢測器94向計算機和控制電子設備100提供輸入。
單元60由兩個高度反射鏡62、64製成，這兩個反射鏡作為近共焦標準具沿著軸a對準。反射鏡62、64構成單元60的輸入和輸出窗。所研究的樣品氣體流過狹窄的管66，該管與單元60的光軸a共軸。反射鏡62、64放置在用真空密閉的波紋管密封的可調凸緣或架上，從而對單元60的光學對準進行調節。
反射鏡62、64具有高反射率介質塗層，並利用面向由單元60形成的空腔內部的塗層來定向。一小部分雷射通過前反射鏡62進入單元60，並在單元60的空腔內部往復「環繞」。將透過單元60的後反射鏡64(反射器)的光導向第三透鏡68，並通過該第三透鏡，又成像到第一光電檢測器70(PD1)上。光電檢測器70、94中的每一個都將輸入的光束變為電流，從而向計算機和控制電子設備100提供輸入信號。該輸入信號代表空腔環降的衰減率。
圖3說明在現有技術的CRDS諧振腔100中的光路。如圖3中所示，用於CRDS的諧振腔100基於利用兩個布儒斯特角後向反射器稜鏡50、52。偏振或布儒斯特角ΘB以相對於稜鏡50而示出。入射光12和出射光14分別以入射到稜鏡52和從稜鏡52出射來進行說明。諧振光束在每個稜鏡50、52中經歷兩次大約45°的無損全內反射，該角度大於熔融石英和大多數其他普通光學稜鏡材料的臨界角。光沿著光軸54在稜鏡50、52之間傳播。
發明人已經發現，CRDS提供的優點可適用於測量在材料中產生的應變。常規的應變測量設備依靠電阻變化或信號損失來確定材料中產生的應變程度。但是這些方法的缺點在於，這些系統所固有的低靈敏度致使它們不足以用於測量在檢查中的材料的微小變化。
為了克服測量應變的已知方法的這些缺點，提供一種利用腔環降光譜法的基於光纖的應變儀。
發明內容
鑑於現有技術的缺點，並鑑於本發明的目的，本發明提供一種與相干輻射源一同使用的裝置，用以測量基底中產生的應變。該裝置包括無源光纖環；至少一個傳感器，其具有預定形狀並與該光纖環同軸，該至少一個傳感器與基底耦合；耦合裝置，用於i)將該相干源發出的一部分輻射引入到該無源光纖環中，ii)接收在該無源光纖環中諧振的一部分輻射；檢測器，用於檢測由該耦合裝置接收的輻射大小並產生響應於此的信號；以及與該檢測器耦合的處理器，用於根據在該無源光纖環中的輻射的衰減率來確定基底中產生的應變程度。
根據本發明的另一方面，該預定形狀是在與基底連接的傳感器的兩端之間形成的鬆弛區域。
根據本發明的又一方面，該檢測器產生的信號是基於當基底中產生應變時傳感器的預定形狀的變化。
根據本發明的再一方面，該裝置進一步包括放置在該耦合裝置與該檢測器之間的光路中的濾光器，從而有選擇地使輻射的接收部分從該無源光纖環傳遞到該檢測器。
根據本發明的又一方面，該濾光器根據輻射的波長將該輻射傳遞到該檢測器。
根據本發明的再一方面，該耦合裝置包括i)第一耦合器，用於將該相干源發出的部分輻射引入到該光纖的第一部分，ii)第二耦合器，用於在光纖的第二部分處接收該光纖中的那部分輻射。
根據本發明的又一方面，該傳感器具有在傳感器的兩端之間形成且暴露於周圍環境中的錐形部分。
根據本發明的再一方面，該裝置包括隔離器，該隔離器耦合在該雷射器和該耦合裝置之間並與該雷射器發出的輻射同軸，該隔離器使該雷射器中的噪聲最小。
根據本發明的另一方面，當基底中產生應變時，該光纖發出的輻射的耗散改變由該耦合裝置接收到的輻射的衰減率。
根據本發明的另一方面，該裝置進一步包括控制裝置，用於在該輸入檢測器確定雷射器將能量供給該光纖之後，根據從該光纖接收輻射的接收裝置，使該雷射器不起作用。
根據本發明的再一方面，一種測量材料中的應變的方法，包括由通過使一部分光纖成錐形的光纖形成傳感器；將該傳感器與該材料連接，從而使該傳感器的兩端之間的部分具有預定的鬆弛量；使材料受到應變；從相干源發出輻射；將該相干源發出的輻射的至少一部分耦合到該光纖環中；接收在該光纖環中傳播的一部分輻射；以及根據在該光纖環中的輻射的第一衰減率來確定應變程度。
根據本發明的再一方面，在該光纖中傳播的輻射的漸逝場暴露於圍繞該材料的周圍環境中。
根據本發明的再一方面，該方法進一步包括確定表示材料的鬆弛狀態的該光纖中的基線衰減率；以及將該基線衰減率與第一衰減率進行比較。
應該理解，前面的概述和下面的詳述都是示範性的，而不是對本發明的限制。
附圖簡述當結合附圖閱讀以下詳細描述時，可從這些描述中最好地理解本發明。要強調的是，根據一般慣例，附圖的各個特徵不是按照比例繪製的。相反，出於清楚的原因任意擴大或縮小了各個特徵的尺寸。附圖中包括下面各幅圖圖1說明按照對數比例的電磁波譜；圖2說明利用反射鏡的現有技術的CRDS系統；圖3說明利用稜鏡的現有技術的CRDS單元(cell)；圖4是本發明的第一示範性實施例的圖解；圖5A是常規光纖的端視圖；圖5B是根據本發明示範性實施例的傳感器的透視圖；圖6A是說明輻射在光纖纜中傳播的該光纖纜的橫截面視圖；圖6B是說明根據本發明示範性實施例的漸逝場的光纖傳感器的橫截面；圖6C是說明根據本發明另一示範性實施例的漸逝場的光纖傳感器的橫截面；圖7是本發明第二示範性實施例的圖解；圖8A-8D是根據本發明第三示範性實施例的光纖傳感器的圖解；圖9A-9C是根據本發明第四示範性實施例的光纖傳感器的圖解；圖10A-10C是根據本發明第五示範性實施例的光纖傳感器的圖解；圖11是在應變測量應用中的本發明示範性實施例的方框圖；圖12是供圖11的示範性實施例中所用的示範性應變傳感器的詳細視圖；圖13A-13B是在各個應變程度下的圖12的應變傳感器的透視圖；以及圖14是說明圖11的示範性實施例的示範性動態範圍和可檢測的位移的圖。
發明詳述圖4說明根據本發明第一示範性實施例的基於光纖的環降(ring-down)裝置400，通過該裝置可以檢測氣體或液體中的痕量物質或分析物。在圖4中，裝置400包括諧振光纖環408，該諧振光纖環具有光纖纜402和沿著光纖纜402的長度分布的多個傳感器500(在下面詳細描述)。諧振光纖環408的長度很容易適合於各種採集情況，如檢測周長或穿過物理設備(physical plant)的各個部分。儘管如圖所示，傳感器500沿著光纖迴路408的長度分布，但是如果需要，可以只利用一個傳感器500來實施本發明。分布多於一個傳感器500允許對遍布安裝地點的各個點處的痕量物質進行採樣。還可以利用將多個傳感器500與暴露於樣品液體或樣品氣體的光纖402的直線部分的這種組合來實施本發明，或者將多個傳感器500與暴露於該樣品液體或樣品氣體的光纖402的僅僅多個直線部分的這種組合來實施本發明。可以設想，諧振光纖環的長度可以是短到大約1米，或者長到幾千米。
相干輻射源404發出輻射，該相干輻射源如光學參量發生器(OPG)、光學參量放大器(OPA)或雷射器，所述輻射的波長與所關心的分析物或痕量物質的吸收頻率相一致。相干源404可以是可調諧的二極體雷射器，其基於所關心的痕量物質而具有窄帶寬。商業上可用的光學參量放大器的例子是可從加利福尼亞州芒廷維尤的光譜物理學(Spectra Physics，of Mountain View，California)獲得的OPA-800C這種型號。
可以設想，本發明可用於檢測對人和/或動物有害的各種化學和生物製劑。還可以設想，可以通過將無源光纖環的表面塗敷能夠特別結合所需抗原的抗體來增強這種檢測。
在第一個示範性實施例中，相干源404發出的輻射通過可選的光隔離器406、耦合器410和漸逝輸入耦合器412而提供給諧振光纖環408。當相干源404是二極體雷射器時，利用光隔離器406可通過防止輻射反射回到雷射器中而使得雷射器中噪聲最小。漸逝輸入耦合器412可以使固定百分比的輻射從相干源404進入諧振光纖環408中，或者可根據整個諧振光纖環408存在的損耗對其進行調節。優選的是，漸逝輸入耦合器412供給諧振光纖環408的輻射量與光纖纜402和連接器(未示出)中存在的損耗相匹配。商業上可用的提供輻射的1％耦合(99％/1％的分流比耦合)的漸逝耦合器是由新澤西州(NewJersey)的ThorLabs of Newton製造的，其零件號為10202A-99。在優選實施例中，漸逝輸入耦合器412將相干源404發出的小於1％的輻射耦合到光纖402中。
在一個示範性實施例中，為了檢測痕量物質或分析物，將覆蓋光纖纜402的一部分護套402a去掉，從而露出圍繞光纖纜402的內芯402c的包層402b。可替換的是，可以去掉護套402a和包層402b以露出內芯402c，或者可以將光纖纜402的護套部分暴露於樣品液體或樣品氣體中。例如在漸逝場(在下面討論)延伸到護套內用以與痕量物質相互作用的情況下(痕量物質已經吸收或溶解在護套中)，後面的方法可能是有用的。但是，由於在一些類型的光纖纜中所用的內芯402c的易碎性，護套和包層都去掉可能不是最優選的。圖5A中示出典型光纖纜的橫截面。
使全內反射(TIR)元件彎曲可改變入射電磁波接觸反射表面的角度。在使光纖繞圓柱體彎曲的情況下，在與該圓柱體相對的纖芯表面上的反射角更接近直角，並且該漸逝場的穿透深度增大。通過在圓柱形芯元件502上繞幾匝光纖402(參見圖5B)，該漸逝場的穿透深度增大，並且能將更長的光纖以更小的物理體積暴露於檢測流體中。D.Littlejohn等人在應用光譜學(Applied Spectroscopy)53845-849(1999)的「用於近紅外光譜學的彎曲矽光纖漸逝吸收傳感器(BentSilica Fiber Evanescent Absorption Sensors for Near InfraredSpectroscopy)」中討論了通過改變彎曲半徑來改進傳感光纖的實驗檢驗。
圖5B說明用於檢測液體樣品或氣體樣品中的痕量物質的示範性傳感器500。如圖5B中所示，傳感器500包括圓柱形芯元件502(其可以是實心、空心或其他可滲透的)，如心軸，一部分光纖纜402卷繞在芯元件502上一段預定長度506，(在該例子中)露出包層402b。也可以通過卷繞芯元件502來製作傳感器500，其中在露出光纖纜402的芯402c。芯元件502的直徑是使形成的纖芯402c小於臨界半徑r，在這一點處，當纖芯402c圍繞芯元件502時，通過纖芯402c可能損失過多的輻射，或者損害了光纖完整性。臨界半徑r取決於通過光纖纜402的輻射的頻率和/或該光纖的組成。在本發明的優選實施例中，芯元件502的半徑在大約1cm和10cm之間，最優選是至少大約1cm。如所示的，在輸入端504輸入來自光纖402的輻射，在輸出端508輸出該輻射。圓柱形芯元件502可以具有在其表面上的螺旋槽，光纖402以及將光纖402固定到圓柱形芯元件502上的裝置放在該螺旋槽中。這種固定裝置可以採取多種可能的形式，如攻入圓柱形芯元件502中的螺釘、粘合劑，如環氧或矽橡膠，等。可以使傳感器500與光纖402集成，或者利用商業上可用的光纖連接器或者與光纖402耦合來實施本發明。
圖6A說明輻射怎樣傳播通過典型的光纖纜。如圖6A中所示，輻射606在內芯402c和包層402b之間的界面處顯示出全內反射(TIR)。存在一些可忽略的損耗(未示出)，即輻射不被反射而是被吸收到包層402b中。儘管圖6A中描述為光纖纜，但是圖6A和本發明的多個示範性實施例同樣可適用於空心光纖，如空腔波導管，其中包層402b環繞空心型芯。
圖6B是傳感器500的一個示範性實施例的橫截面視圖，其說明光纖纜402卷繞芯元件502的效果。如圖6B中所示，僅僅從光纖纜402上去掉護套402a。輻射606在芯402c中傳播，並在內芯402c和鄰近芯元件502的那部分包層402b-1之間的界面處以可忽略的損耗609顯示出全內反射。另一方面，在有痕量物質或分析物610的情況下，漸逝場608穿過內芯402c和包層的露出部分402b-2之間的界面。實質上根據存在的痕量物質610的量使輻射606衰減，並稱作衰減全內反射(ATR)。應該注意，如果不存在具有與輻射波長相一致的吸收帶的痕量物質，那麼輻射606不衰減(除了該光纖內的固有損耗之外)。
圖6C是傳感器500的另一個示範性實施例的橫截面視圖，其說明光纖纜402卷繞芯元件502且一部分護套402a保持完整的效果。如圖6D中所示，僅僅從光纖纜402上去掉護套402a的上部。與傳感器500的第一示範性實施例類似，輻射606在芯402c中傳播，並在內芯402c和鄰近芯元件502的那部分包層402b-1之間的界面處以可忽略的損耗609顯示出全內反射。另一方面，在有痕量物質或分析物610的情況下，漸逝場608穿過內芯402c和包層的露出部分402b-2之間的界面。
可以設想，可以通過機械裝置來去掉護套402a(在傳感器500的任一個例子中)，該機械裝置如常規的光纖剝離工具，或者通過將這部分光纖纜浸入溶劑中來去掉護套402a，這種溶劑可腐蝕或溶解護套402a同時不會影響包層402b和內芯402c。在部分地去掉護套402a的情況下，可以通過有選擇地向所要去掉的那部分護套施加該溶劑來改進該溶劑方法。
為了增強對液體樣品中痕量物質的分析物分子的吸引，可以在無源光纖環中的沒有護套的部分塗敷一種材料來有選擇地增大痕量物質在該光纖環的塗敷部分處的濃度。這種塗敷材料例如是聚乙烯。另外，可以使用抗原特有結合劑來塗敷該光纖從而以高專一性吸引所需的生物學分析物。
再次參考圖4，在穿過傳感器500之後剩餘的輻射繼續穿過光纖迴路402。一部分剩餘輻射由漸逝輸出耦合器416耦合到光纖迴路402外面。漸逝輸出耦合器416通過檢測器418和信號線422與處理器420耦合。處理器420可以是PC，例如具有用於將檢測器418的模擬輸出變為用於處理的數位訊號的裝置。處理器420還通過控制線424控制相干源404。只要處理器420從檢測器418接收到信號，該處理器就可以根據接收到的輻射的衰減率來確定存在的痕量物質的數量和類型。
可選的是，可以在漸逝輸出耦合器416和檢測器418之間放置波長選擇器430。波長選擇器430起濾波器的作用，用以阻止不在預定範圍內的輻射輸入到檢測器418中。
檢測器414與輸入耦合器412的輸出耦合。檢測器414的輸出經信號線422提供給處理器420，用以確定諧振光纖環402接收到進行痕量物質分析的足夠輻射的時間。
在檢測液體中的痕量物質或分析物的情況下，該液體的折射率必須低於光纖纜的折射率。例如，假定光纖纜的折射率n＝1.46，那麼本發明可以用於檢測溶解在水(n＝1.33)和許多有機溶劑中的痕量物質，這些有機溶劑例如包括甲醇(n＝1.326)、n-正己烷(n＝1.372)、二氯甲烷(n＝1.4242)、丙酮(n＝1.3588)、二乙醚(n＝1.3526)和四氫呋喃(n＝1.404)。化學製品及其各自折射率的擴展列表可以在ClevelandOhio的Chemical Rubber公司的Weast，Rober C.，ed所著《CRCHandbook of Chemistry and Physics》於1971年第52版第E-201頁中獲得，其在此引入作為參考。還存在具有不同折射率的其他類型的可用光纖，並且在假定光纖的折射率高於給定液體折射率且通過目標分析物可有效地透射吸收帶範圍內的光時，本發明可適合於該給定液體基質。
還存在許多普遍可用的不同類型的光纖。一個例子是在電信應用中具有標準用途的康寧公司的(Corning)SMF-28e熔融矽光纖。存在透射許多不同波長的光的特殊光纖，如Austin，Texas的3M製造的488nm/514nm單模光纖(零件號為FS-VS-2614)，Austin，Texas的3M製造的630nm可見光波長單模光纖(零件號為FS-SN-3224)，Austin，Texas的3M製造的820nm標準單模光纖(零件號為RS-SN-4224)，以及日本的KDD Fiberlabs製造的4微米透射的0.28-NA氟化物玻璃光纖(零件號為GF-F-160)。此外，並且如上所述，光纖纜402可以是空心光纖。
可以設想，光纖402可以是中紅外透射光纖，以便允許進入具有更高分析物吸收強度的光譜區域，從而提高裝置400的靈敏度。透射該區中的輻射的光纖通常是由氟化玻璃製成的。
圖7說明本發明的第二示範性實施例，通過該實施例可以檢測氣體和液體中的痕量物質或分析物。在描述圖7中，與關於第一示範性實施例所描述的那些元件執行類似功能的元件使用相同的附圖標記。在圖7中，裝置700使用類似的諧振光纖環408，該諧振光纖環包括光纖纜402和多個傳感器500。相干源404發出的輻射通過可選的光隔離器406、耦合器410和漸逝輸入/輸出耦合器434而提供給諧振光纖環408。漸逝輸入/輸出耦合器434可以使固定百分比的輻射從相干源404進入諧振光纖環404中，或者可根據整個諧振光纖環408存在的損耗對其進行調節。在該示範性實施例中，漸逝輸入/輸出耦合器434基本上是上面關於第一示範性實施例所述的漸逝輸入耦合器412的重新配置。在優選實施例中，漸逝輸入/輸出耦合器434將雷射器404發出的小於1％的輻射耦合到光纖402中。
對痕量物質進行的檢測與在第一示範性實施例中描述的類似，因此這裡不再重複。
在穿過傳感器500之後剩餘的輻射繼續穿過光纖迴路402。一部分剩餘輻射由漸逝輸入/輸出耦合器434耦合到光纖迴路402外面。漸逝輸入/輸出耦合器434通過檢測器418和信號線422與處理器420耦合。如第一示範性實施例中那樣，處理器420還通過控制線424控制相干源404。只要處理器420從檢測器418接收到信號，該處理器就可以根據接收到的輻射的衰減率來確定存在的痕量物質的數量和類型。
可選的是，可以在漸逝輸入/輸出耦合器434和檢測器418之間放置波長選擇器430。波長選擇器430起濾波器的作用，用以阻止不在預定範圍內的輻射輸入到檢測器418中。波長選擇器430還可以由處理器420進行控制，以防止在相干源404發出的輻射耦合到光纖402中之後的時期中相干源404發出的輻射「遮住(blinding)」檢測器418。
圖8A-8D說明用於檢測液體樣品或氣體樣品中的痕量物質的另一種示範性傳感器800。如圖8A和8D中所示，通過使內芯804和包層805錐化(逐漸變細)從而形成具有錐形內芯808和錐形包層809的錐形區域802而由光纖801形成傳感器800。可以利用下面兩種技術中的任一種來形成錐形區域802。第一種技術是加熱光纖801的局部，同時絕熱地拉伸希望形成傳感器800的區域的每一側。這一過程在光纖801中形成恆定的錐度。然後可將該錐形光纖例如用作根據第一示範性實施例的光譜傳感器。在第二種示範性技術中，可以通過利用化學試劑可控制地去掉預定厚度的光纖包層805以形成錐形包層809來形成錐形區域802。下面參考圖10A-10C詳細描述利用第二種技術形成的傳感器。
圖8B說明傳感器800在錐形區域前和後的橫截面。如圖8B中所示，內芯804和包層805都處於未改變狀態。應該注意，為簡單起見，圖解和描述不涉及光纖纜801的護套，儘管假定對於光纖纜801的至少一部分而言這種護套位於適當位置。
圖8C說明在錐形區域802中傳感器800的橫截面。如圖8C中所示，錐形內芯808和錐形包層809的每一個與內芯804和包層805相比都具有明顯減小的直徑。根據特殊應用，錐形區域802可以具有任何所需的長度。在示範性實施例中，如圖8D中所示，例如該錐形區域的長度大約為4mm，腰部直徑814大約為12微米。
再次參考圖8A，與錐形區域802中的增強漸逝場810相比，內芯804的區域中的漸逝場806很窄並且受限制。如所示的，增強漸逝場810很容易暴露於如上面關於較早示範性實施例所討論的痕量物質(未示出)，因此，該增強漸逝場能夠更好地檢測區域812中的痕量物質。
圖9A-9C說明用於檢測液體樣品或氣體樣品中的痕量物質的另一種示範性傳感器900。如圖9A中所示，通過去掉一部分包層905形成基本上「D」形橫截面區域902而由光纖901形成傳感器900。例如，可以通過利用磨料磨光光纖包層905的一側來形成「D」形橫截面區域902。該磨料用於沿區域902以連續增大的深度去掉包層905從而保持導模品質，最後在最小包層厚度909處達到最大深度。最小包層厚度的區域代表最大漸逝暴露區域910。
圖10A-10C說明用於檢測液體樣品或氣體樣品中的痕量物質的再一種示範性傳感器1000。利用上面關於錐形傳感器示範性實施例所描述的第二種技術來形成傳感器1000。如圖10A中所示，通過利用化學試劑去掉一部分包層1005以形成具有錐形包層1009的錐形區域1002而由光纖1001形成傳感器1000，其中該化學試劑對本領域的技術人員來說是已知的。重要的是，不允許該化學試劑幹擾或去掉內芯的任何部分，因為這可能在傳感器1000中引入相當大的損耗。
圖10B說明傳感器1000在錐形區域前和後的橫截面。如圖10B中所示，內芯1004和包層1005都處於未改變狀態。此外應該注意，為簡單起見，圖解和描述不涉及光纖纜1001的護套，儘管假定對於光纖纜1001的至少一部分而言，這種護套位於適當位置。
圖10C說明傳感器1000在錐形區域1002中的橫截面。如圖10C中所示，內芯1008不受影響而錐形包層1009與包層1005相比具有明顯減小的直徑。根據特殊應用，錐形區域1002可以具有任何所需的長度。在示範性實施例中，例如該錐形區域的長度大約為4mm，腰部直徑1014大約為12微米。
再次參考圖10A，與錐形區域1002中的增強漸逝場1010相比，內芯1004的區域中的漸逝場1006很窄並且受限制。如所示的，增強漸逝場1010很容易暴露於如上面關於較早示範性實施例所討論的痕量物質(未示出)，因此，該增強漸逝場能夠更好地檢測區域1012中的痕量物質。
關於上述傳感器800、900和1000，可以通過在光纖改變之前為所需檢測極限確定適當的錐形直徑或磨光深度而在漸逝場暴露的量和由形成這些傳感器而在光纖中產生的損耗之間進行平衡。此外，為傳感器800、900和/或1000提供防護架可以補償由於各自的錐化和磨光操作而增大的易碎性。
可以設想，傳感器800、900和/或1000可用在如心軸(圖5B中所示)的圓柱形芯元件502(可以是實心、空心或其他可滲透的)上的無限制光纖中，或者用在迴路或彎曲構型(未示出)中。
通過用濃縮物質塗敷傳感區域可進一步增強傳感器800、900和/或1000，該濃縮物質如用於吸引所關心的分析物的生物製劑。這些生物製劑對本領域的技術人員來說是已知的。還可以設想，可以沿著光纖纜的長度形成幾個檢測區域800、900和/或1000以製作分布的環降傳感器。
圖11說明根據本發明第二示範性實施例的基於光纖的環降裝置1100，通過該裝置可以檢測材料中引起的應變。與第一示範性實施例一樣的元件具有相同的附圖標記。
如圖11中所示，裝置1100包括諧振光纖環408，該諧振光纖環具有光纖纜402和沿著光纖纜402的長度分布的一個或多個傳感器1102(在下面詳細描述)。諧振光纖環408的長度很容易適合於各種數據採集情況，如周長檢測或穿過物理設備(physical plant)的各個部分。儘管如圖所示，傳感器1102沿著光纖迴路408的長度分布，但是如果需要，可以只利用一個傳感器1102來實施本發明。分布多於一個傳感器1102允許對遍布所監控的結構的各個點處的材料應變進行採樣。傳感器1102可以是光纖402的組成部分或者與光纖402耦合。可以設想，諧振光纖環的長度可以短到大約1米，或者長到幾千米。
光的波長影響光模式變換，並因此影響靈敏度，但是這種影響可通過錐形設計來平衡。為了獲得最大的靈敏度，該波長優選應該選擇為與光纖的設計波長相匹配。儘管一些波長可能對模式變換更敏感並因此對應變更敏感，但是可以預料的是，遠離光纖設計波長的那些波長通過引起太大的傳輸損耗和不能用的環降信號而喪失(erode)所需的靈敏度。在一個示範性實施例中，該波長是1550nm(在電信光纖中最小的損耗波長)，對於該波長，可充分利用最便宜和耐久的電信元件。但是，儘管設想本發明可以使用在1250nm和1650nm的範圍內的波長，其他波長也是合適的，如1300nm(在電信光纖中的零色散波長)。
相干輻射源404可以是光學參量發生器(OPG)、光學參量放大器(OPA)或雷射器，例如其具有為了與該光纖的設計波長相匹配而選擇的波長。商業上可用的光學參量放大器的例子是從加利福尼亞州芒廷維尤的光譜物理學(Spectra Physics，ofMountain View，California)獲得的OPA-800C這種型號。
在第一個示範性實施例中，相干源404發出的輻射通過任選的光隔離器406、耦合器410和漸逝輸入耦合器412而提供給諧振光纖環408。當相干源404是二極體雷射器時，利用光隔離器406可通過防止反射回到雷射器中而使該雷射器中的噪聲最小。漸逝輸入耦合器412可以使固定百分比的輻射從相干源404進入諧振光纖環408中，或者可根據整個諧振光纖環408存在的損耗對其進行調節。優選的是，漸逝輸入耦合器412供給諧振光纖環408的輻射量與光纖纜402和連接器(未示出)中存在的損耗相匹配。商業上可用的提供輻射的1％耦合(99％/1％的分流比耦合)的漸逝耦合器是由新澤西州的ThorLabs of Newton製造的，其零件號為10202A-99。在優選實施例中，漸逝輸入耦合器412將相干源404發出的小於1％的輻射耦合到光纖402中。
在一個示範性實施例中，傳感器1102是基於如關於圖8A-8D所描述的傳感器800。在另一個示範性實施例中，傳感器1102是基於關於圖10A-10C所描述的傳感器1000。但是，傳感器1102與800/1000之間的一個區別在於傳感器1102沒有繞在芯上，而基本上是直線的，並且利用公知的膠粘劑1108附著到在試驗中的基底1106上，公知的膠粘劑如環氧樹脂或膠帶。當將傳感器1102附著到基底1106時，由於考慮到在基底1106中產生的任何應變，而在連接點之間提供預定量的間隙(relief)或鬆弛部分(如圖中區域1104所示)。在一個示範性實施例中，可以在傳感器施加於基底1106時形成區域1104。在另一個示範性實施例中，如對於高靈敏度應用，可以在將傳感器1102附著到基底1106之前預先形成區域1104。
在再一個示範性實施例中，傳感器1102可以是非錐形的光纖，其包括光纖布拉格光柵，並按照如上所述的方式與基底1106連接。
當基底1106處於鬆弛狀態時，如圖12所示，可以確定光纖環408中產生的輻射達到環降的時間測量值。該時間是基底1106處於其鬆弛狀態的基線度量(measure)。區域1104中的傳感器1102的形狀變化可影響系統中的環降率(ring-down rate)。這種環降時間的變化是在基底1106中產生的應變的度量。
現在參考圖13A-13B，圖中示出基底1106中產生的各種類型的示範性應變(基底的原始長度(或寬度)除其長度(或寬度)變化)。如圖13A-13B中所示，當應變作用於基底1106時，根據基底1106的運動方向使區域1104鬆弛或拉緊(enhanced)。由於區域1104的形狀變化，該系統測量的環降時間發生變化。環降時間的變化表示基底1106中產生的應變程度，並且由錐形區域中從最低階傳播模式到更高階、更大損耗模式的光模式變化所引起。可以選擇傳感器1102的具體參數，如錐形區域的長度和腰部直徑，來獲得覆蓋幾個數量級的非常大的動態範圍，或者極高的靈敏度(大約1微應變或更高的數量級)。
儘管圖12-13B示出附著到在試驗中的基底上的單個傳感器1102，但是本發明不限於此。還可以使形成的傳感器1102具有彼此隔開的多個錐形區域，從而可以測量基底1106的多個軸。在一個示範性實施例中，錐形區域1104的長度例如可以在5-25釐米之間。另一方面，基底1106可以具有在每個方向上達到幾米的任何尺寸。該實施例在所有其他方面都類似於第一示範性實施例。
圖14是說明示範性錐形傳感器的動態範圍和可檢測的位移的圖。如圖所示，在線性區域1402中，根據在10cm錐形上Δt為0.263μs，噪聲等效位移大約為0.3693μm(～370nm)。這對應於37με(微應變)。通過利用不同的錐形參數(錐形損耗和錐形長度的組合)，該動態範圍可延伸到幾千微應變或者為了測量次微應變(sub-micro-strain)變化而優化的靈敏度。
儘管這裡參考一些具體實施例進行說明和描述，但是本發明不意在限於所示出的細節。相反，可以在權利要求的等效方案的範圍和界限內並且不背離本發明的精神的情況下進行各種修改。
權利要求
1.一種與相干輻射源一同使用的裝置，用於測量基底中產生的應變，該裝置包括無源光纖環；至少一個傳感器，其具有預定形狀並與該光纖環同軸，該至少一個該傳感器與該基底耦合；耦合裝置，用於i)將該相干源發出的一部分輻射引入到該無源光纖環中，並且ii)接收在該無源光纖環中諧振的該輻射的一部分；檢測器，用於檢測由該耦合裝置接收的該輻射的大小並產生響應於此的信號；以及與該檢測器耦合的處理器，用於根據在該無源光纖環中的該輻射的衰減率來確定該基底中產生的應變程度。
2.根據權利要求1的裝置，其中該預定形狀是在與該基底耦合的傳感器的兩端之間形成的鬆弛區域。
3.根據權利要求2的裝置，其中該檢測器產生的信號是基於當該基底中產生應變時該傳感器的該預定形狀的變化。
4.根據權利要求2的裝置，其中該預定形狀設置在該傳感器的兩端之間。
5.根據權利要求1的裝置，其中該至少一個傳感器中的第一傳感器沿著該基底的第一軸定向。
6.根據權利要求1的裝置，其中該至少一個傳感器中的第二傳感器沿著該基底的第二軸定向。
7.根據權利要求1的裝置，其中該至少一個傳感器包括光纖布拉格光柵(FBG)。
8.根據權利要求1的裝置，其中該耦合裝置是單個光耦合器。
9.根據權利要求1的裝置，還包括放置在該耦合裝置與該檢測器之間的光路中的濾光器，以將該輻射的接收部分從該無源光纖環有選擇地傳遞到該檢測器。
10.根據權利要求9的裝置，其中該濾光器根據輻射的波長將該輻射傳遞到該檢測器。
11.根據權利要求1的裝置，其中該耦合裝置包括i)第一耦合器，用於將該相干源發出的該部分輻射引入到該光纖的第一部分，ii)第二耦合器，用於在該光纖的第二部分處接收該光纖中的該部分輻射。
12.根據權利要求1的裝置，其中該預定形狀是在該傳感器的兩端之間形成的錐形部分，該預定形狀暴露於周圍環境中。
13.根據權利要求12的裝置，其中在該光纖中傳播的該輻射的漸逝場暴露於該周圍環境中。
14.根據權利要求12的裝置，其中通過對該光纖進行加熱和絕熱拉伸來形成該錐形部分。
15.根據權利要求1的裝置，其中該相干輻射源是光學參量發生器。
16.根據權利要求1的裝置，其中該相干輻射源是光學參量放大器。
17.根據權利要求1的裝置，其中該相干輻射源是雷射器。
18.根據權利要求1的裝置，其中該相干輻射源是脈衝雷射器。
19.根據權利要求1的裝置，其中該相干輻射源是連續波雷射器。
20.根據權利要求17、18或19的裝置，其中該雷射器是光纖雷射器。
21.根據權利要求19的裝置，其中該連續波雷射器是具有窄帶的可調二極體雷射器。
22.根據權利要求21的裝置，還包括隔離器，該隔離器耦合在該雷射器和該耦合裝置之間，並與該雷射器發出的輻射同軸，該隔離器使該雷射器中的噪聲最小。
23.根據權利要求1的裝置，其中當該基底中產生應變時，該光纖發出的該輻射的耗散將改變由該耦合裝置接收到的該輻射的衰減率。
24.根據權利要求1的裝置，其中該無源光纖由熔融石英、藍寶石和基於氟化物的玻璃中之一形成。
25.根據權利要求1的裝置，其中該無源光纖由空心光纖形成。
26.根據權利要求24或25的裝置，其中該無源光纖是單模光纖。
27.根據權利要求24或25的裝置，其中該無源光纖是多模光纖。
28.根據權利要求1的裝置，其中該相干源是在1250nm附近和1650nm附近的波長範圍內可調的單模雷射器。
29.根據權利要求1的裝置，其中該相干源具有在1300nm附近的波長範圍。
30.根據權利要求1的裝置，其中該相干源具有在1550nm附近的波長範圍。
31.根據權利要求1的裝置，其中該無源光纖在電磁波譜的可見光區域到中紅外光區域之間的波長處發生諧振。
32.根據權利要求1的裝置，還包括輸入檢測器，用於確定能量從該雷射器供給該光纖的時間。
33.根據權利要求32的裝置，還包括控制裝置，用於在該輸入檢測器確定該雷射器已將能量供給該光纖之後，根據從該光纖接收輻射的接收裝置使該雷射器不起作用。
34.根據權利要求33的裝置，其中該控制裝置和該輸入檢測器與該處理裝置耦合。
35.根據權利要求1的裝置，其中耦合到該光纖中的該部分輻射小於供給該耦合裝置的該輻射的大約1％。
36.根據權利要求1的裝置，其中耦合到該光纖中的該部分輻射是可變的。
37.根據權利要求1的裝置，其中根據在該無源光纖環中的損耗來改變耦合到該光纖中的該部分輻射。
38.根據權利要求37的裝置，其中在該光纖中的損耗至少基於連接器損耗和光纖損耗。
39.根據權利要求1的裝置，其中該光纖至少大約1米長。
40.根據權利要求1的裝置，其中該光纖至少大約10米長。
41.根據權利要求1的裝置，其中該光纖至少大約1千米長。
42.一種用於測量應變的裝置，包括無源諧振光纖環；至少一個傳感器，其與該光纖環同軸，該至少一個傳感器中的每一個都具有錐形部分；發射輻射的相干源；第一光耦合器，用以將該相干源發出的至少一部分該輻射供給該無源諧振光纖環的第一部分；第二光耦合器，用以從該諧振光纖環的第二部分接收在該無源諧振光纖環中的該輻射的一部分；以及與第二光耦合器耦合的處理器，用以根據該第二光耦合器接收到的該輻射的衰減率來確定應變程度。
43.根據權利要求42的裝置，還包括耦合在該第二光耦合器和該處理器之間的第一光學檢測器，用於產生響應於該第二光耦合器接收到的該輻射的信號。
44.根據權利要求42的裝置，還包括耦合在該第一光耦合器和該處理器之間的第二光學檢測器，用於確定能量從該雷射器供給該無源光纖環的時間。
45.根據權利要求44的裝置，其中該第二光檢測器響應於從該相干源接收輻射而產生供給該處理器的觸發信號。
46.根據權利要求42的裝置，其中該第一和第二光耦合器是單一耦合器。
47.根據權利要求42的裝置，其中該至少一個傳感器中的每一個都包括置於該傳感器的兩端之間的預成形部分。
48.一種用於測量材料中的應變的方法，該方法包括通過使一部分光纖成錐形而由一光纖形成傳感器；將該傳感器與該材料耦合，從而使該傳感器的兩端之間的部分具有預定量的鬆弛；使材料受到應變；從相干源發出輻射；將該相干源發出的輻射的至少一部分耦合到該光纖環中；接收在該光纖環中傳播的一部分輻射；以及根據在該光纖環中的該輻射的第一衰減率來確定應變程度。
49.根據權利要求48的方法，還包括將該光纖中傳播的該輻射的漸逝場暴露於圍繞該材料的周圍環境的步驟。
50.根據權利要求49的方法，還包括以下步驟確定表示該材料的鬆弛狀態的該光纖中的基線衰減率；以及將該基線衰減率與第一衰減率進行比較。
全文摘要
一種用於測量材料中的應變的裝置。該裝置包括無源光纖環；至少一個傳感器，其具有預定形狀並與該光纖環同軸，該至少一個傳感器與基底耦合；耦合裝置，用於i)將該相干源發出的一部分輻射引入到該無源光纖環中，ii)接收在該無源光纖環中諧振的一部分輻射；檢測器，用於檢測由該耦合裝置接收的該輻射的大小並產生響應於此的信號；與該檢測器耦合的處理器，用於根據由該檢測器產生的該信號的衰減率來確定該基底中產生的應變程度。
文檔編號G01N21/55GK1839301SQ200480023840
公開日2006年9月27日 申請日期2004年8月9日 優先權日2003年8月20日
發明者凱文·K·萊曼, 彼得·B·塔爾薩, 保羅·拉比諾維茨 申請人:普林斯頓大學理事會