【摘 要】
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光纤宽频声波传感器在油气管道泄漏监测,高精度光声光谱检测,地震波监测和反潜监测等诸多民用和军事领域有着重大潜在应用。相比传统的电子式声波传感器,光纤声波传感器具有高灵敏,抗强电磁干扰,重量轻,体积小,耐腐蚀等不可替代的优势。本文基于光纤-薄膜的复合器件结构开展宽频声波传感研究,以实现高灵敏,高精度,快响应,超宽频和小尺寸的声波传感器为目标,设计了四种基于光纤-薄膜复合器件的宽频声波传感器,主要分为
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“基于微光机械薄膜的光纤激光次声波探测技术研究”（项目编号“61275083”）； 面上项目“基于光学微腔的高精度水下声场无源感知关键技术研究”（项目编号“61775070”）； 装备预研领域基金一般项目“超宽频带高灵敏度声信号测试技术”（项目编号“6140003030205”）；
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光纤宽频声波传感器在油气管道泄漏监测,高精度光声光谱检测,地震波监测和反潜监测等诸多民用和军事领域有着重大潜在应用。相比传统的电子式声波传感器,光纤声波传感器具有高灵敏,抗强电磁干扰,重量轻,体积小,耐腐蚀等不可替代的优势。本文基于光纤-薄膜的复合器件结构开展宽频声波传感研究,以实现高灵敏,高精度,快响应,超宽频和小尺寸的声波传感器为目标,设计了四种基于光纤-薄膜复合器件的宽频声波传感器,主要分为两类:一类是基于透射式的特种光纤器件结合薄膜的宽频声波传感器,一类是基于反射式的EFPI结构结合薄膜的超宽频声波传感器。具体的研究成果如下:（1）透射式特种光栅器件结合PET薄膜的宽频声波传感器:通过CO2激光器对包层直径为80μm的细芯光纤（TCF）进行单边逐点刻写,折射率调制周期为1mm,制备的细芯超长周期光纤光栅（TC-ULPFG）实现了97.77dB/m-1的高曲率灵敏度,声波作用在PET薄膜上对TC-ULPFG进行动态的曲率调制。TC-ULPFG无缝的粘贴在PET薄膜上,薄膜的理论谐振频率为5.36Hz,静态形变量为208cm/Pa;实现了70Hz~3kHz的宽频声波响应范围,最小可探测声压为1.94mPa/Hz1/2@200Hz,且分别在70~200Hz和1~3kHz的范围内响应平坦。（2）透射式特种微结构光纤结合PET薄膜的宽频声波传感器:提出一种新型特种微结构光纤为单孔双偏芯光纤（SHTECF）,两端与单模光纤熔接后的透射光谱主要由反谐振效应和线内马赫泽德干涉（MZI）两种效应组合而成,采用强度解调的方式得到了-1.31dB/m-1和-1.54dB/m-1的曲率灵敏度。传感区域的长度为2.6mm,采用高斯拟合和FFT带通滤波方法分别得到了42.18pm/℃和2.057nm/℃的温度灵敏度,可同时实现高精度和大动态范围内的温度测量。宽频声波探测中实现了60Hz~3kHz频段范围内的测量,最小可探测声压为171.6μPa/Hz1/2@60Hz,所制备的声波传感头的尺寸大小为1英寸。（3）反射式的石墨烯薄膜外腔法布里珀罗干涉仪（EFPI）闭腔型宽频声波传感器:提出采用10nm厚石墨烯薄膜作为声光换能材料,10nm厚度计算的反射率大小为0.07,单模光纤的端面反射率为0.0338,实验中所制备的声波传感头腔长为62μm,腔内透射系数为0.46,实现了光纤端面和石墨烯薄膜两个反射面的反射率匹配,获取了低精细高对比度的FP干涉谱,在空气中和水下干涉光谱的对比度分别为16dB和12dB。所选石墨烯薄膜的半径为1mm,理论上计算得到所选石墨烯薄膜的谐振频率为101.4Hz。实现了5Hz~0.8MHz的宽频声波测量范围,次声频段的最小可探测声压为0.77Pa/Hz1/2@5Hz,可听声频段的最小可探测声压为33.97μPa/Hz1/2@10kHz,所制备的声波传感头为闭腔型,长度为14mm,直径为2.5mm。（4）反射式的金膜EFPI开腔型宽频声波传感器:提出选用300nm厚的金膜作为声光换能材料,金膜的半径尺寸在2.5mm,理论计算的谐振频率数值为50.4Hz,可实现对更低频段的次声信号的探测。通过电子束蒸发的方法生长厚度为300nm的金膜,无膜传感头与制备的金膜通过353ND胶粘在一起。所制备的传感头在空气中和水下得到的干涉谱对比度分别为12dB和16dB。实现了1Hz~80MHz的超宽频声波,是现有文献报道中最宽的频带测量范围。次声频段的最小可探测声压为54.1mPa/Hz1/2@5Hz,所设计的金膜传感头为开腔型,在保证高声压灵敏度的条件下,拓宽了宽频声波的测量范围和降低了低频次声段的噪声水平。
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