[发明专利]基于光子晶体光纤的多参量传感器及测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学传感器及其测量系统，尤其涉及一种能进行多参数测量的光学传感器及其测量系统。

背景技术

光腔衰落(CRD，cavity ring down)光谱技术是20世纪80年代末兴起的一种超高灵敏探测吸收光谱技术，是测量光谱吸收的一种有效方法。CRD光谱技术的测量装置结构简图如图1所示，当光源1发出的一束初始光强为I₀的激光入射到由反射率均为R的反射镜M1和M2构成的长度为d的腔内时，由于M1、M2的反射作用，激光将在腔内反复运动，每一次反复都将有部分能量从M2中透射出来。若入射激光为窄脉冲激光且脉冲宽度小于光在腔内运动1周(即2d)所需的时间时，在M2的透射端将会观测到透射光强I随时间呈指数下降的现象，如图2所示，其中τ₀为光腔衰减的初始特征衰减时间，这种现象称为CRD。CRD光谱技术与其它测量方法的本质区别在于：前者测量的是光在光腔中的衰减时间，是强度的比值，不受光强度波动的影响。光在光腔内可以往返几公里甚至几十公里，这是其它吸收探测测量方法所不能比拟的。然而，传统的CRD光谱技术需要反射率较高的反射镜和高精度的调整装置，以保持两端反射镜的准直等光学特性，因而在使用时对技术的要求较高，应用效果不佳。

光纤环形腔衰落(FLRD，fiber loop ring down)技术是传统CRD光谱技术的发展。FLRD的技术思想是Stewart等人在2001年提出来的，用于气体浓度的测量。FLRD的结构原理如图3所示，利用两个光纤耦合器3取代传统CRD中的两个高反射率镜构成光纤环路4，光源1发出的光束在光纤环路4内每行进一圈都有很小一部分光通过输出光纤耦合器进入光电探测器2，其余大部分的光在腔内继续传播，由于光纤内部传输损失的存在，观察到的信号强度呈指数衰减，光纤传输损失越低，达到相同强度所需的特征衰减时间就越长。当外部有扰动作用于光纤使得光纤传输损失发生变化时，观测到的特征衰减时间就会产生相应的改变，通过检测特征衰减时间的变化即可实现外界物理量的测量。

具体的，FLRD中输出光强可用如下微分方程描述

dIdt=-IAcnL---(1)]]>

式(1)中，I表示t时刻的光强，L为光纤长度，c是真空中的光速，n是光纤环路的平均折射率，A是单圈总光纤传输损耗(百分比)。

单圈总光纤传输损耗A一般包括光纤吸收损失、光纤耦合器接入损耗和光纤散射损耗(弯曲损耗)，可写成

A＝αL+E+γ(2)

式(2)中，α为单位长度的光纤吸收系数，E是光纤耦合器接入损耗和光纤熔接损耗，γ为光纤散射损耗。

由式(1)积分可得

I=I0exp(-cnLAt)---(3)]]>

式(3)中I₀为初始强度。定义光强I降至初始强度I₀的1/e时所需的时间为光纤环形腔的初始特征衰减时间τ₀

τ0=nLcA---(4)]]>