專利名稱：多模光纖干擾器的制作方法
多模光纖干擾器
本發(fā)明涉及一種經(jīng)由多模光纖并且優(yōu)選長距離傳輸單模光的系統(tǒng)和 方法。具體地，本發(fā)明涉及在遠程和/或不友好的環(huán)境下使用的光纖耦合氣 體傳感器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖已經(jīng)在諸如通信的用途中被用作長距離傳輸光的介質(zhì)。最近，近
紅外線(IR)光纖已經(jīng)被用于氣體傳感用途，以將光以管輸送到難以接近或 不友好的場所。這允許利用多點遠程氣體傳感技術(shù)。這種基于激光的氣體 傳感技術(shù)通常使用單模激光源提供高靈敏度和高分辨率的測量。為了保持 該光源的光譜性能，激光輸出必須通過單模光纖傳輸。
近來，如WO03087787中所述，量子級聯(lián)激光器己經(jīng)在氣體傳感用途 中使用，WO03087787的內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。與中紅外中的光譜轉(zhuǎn)變 相關(guān)的橫截面增加，可以提供顯著提高的檢測靈敏度。然而，由于與單模 中紅外光纖相關(guān)的過度損耗，基于光纖的中紅外傳感器通常不用于氣體傳 感用途。出現(xiàn)許多這樣的損耗的原因是單模光纖很窄，例如具有約5-10^im 的芯直徑，這使得難以有效地將光耦合到光纖中。相反，多模光纖通常具 有400-500pm的芯徑。然而，單模激光經(jīng)由多模光纖傳輸導(dǎo)致支持(support) 多個空間模式。這些空間模式通常在檢測器處干涉，從而產(chǎn)生光干涉噪音。
發(fā)明概述
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種光學(xué)裝置(arrangement)，所述光學(xué) 裝置包括多模光纖，其用于承載單模激光；隨機化器(randomiser)，其用 于將被所述光纖支持的空間模式隨機化；以及平均化裝置，其用于將隨機 化的空間模式平均化，從而恢復(fù)單一空間模式。
優(yōu)選地，隨機化器可操作.用于引起光纖的空間振蕩。所述多模光纖的 快速空間振蕩將光纖所支持的空間模式隨機化。通過信號平均化，可以在
5檢測器處重新組合隨機化的空間模式，并且恢復(fù)所述激光的單一空間模式 性質(zhì)。
本發(fā)明可以用于許多實際應(yīng)用，但是在一個優(yōu)選實施方案中，它用于 氣體傳感器，所述氣體傳感器包括激光器，優(yōu)選地包括單模激光器，用于 從激光器向目標區(qū)和/或從目標區(qū)傳輸光的多模光纖、用于將所述光纖支持 的空間模式隨機化的隨機化器；用于檢測已經(jīng)通過目標區(qū)的光的檢測器， 以及用于將隨機化的空間模式平均化以恢復(fù)所述單一空間模式的平均化 裝置。
通過信號平均化，可以在檢測器將隨機化的空間模重組，并且恢復(fù)激
光的單一空間模式性質(zhì)。因此，防止了引入光干涉噪音，并且保持了傳感
器的高靈敏度。這允許多模光纖在靈敏的氣體傳感器用途中使用，從而避 免通常與單模光纖相關(guān)的高損耗，并且提供用于在難以接近/不友好的場所
中多點遠程檢測的能力。
隨機化器可以是用于引起光纖的空間振蕩的任何適合的裝置。例如， 隨機化器可以是能被操作以沿著光纖引起物理擾動的干擾器。例如，干擾 器可以包括具有偏心重量的DC電動機、平板激勵器和壓電電動機中的任
何一個或多個。由干擾器引起的空間振蕩的頻率可以在1 Hz至10kHz的 范圍內(nèi)。
優(yōu)選地，所述激光源是啁啾激光器。在這種情況下，由波長啁啾本身 提供的波長變化用于提供波長掃描。因此，例如無需使用疊加在脈沖串上 的慢DC電流斜坡來調(diào)諧光譜區(qū)內(nèi)的有效發(fā)射線寬。這意味著采樣速率可 以很高，并且可以非?？焖俚剡M行全譜分析。
所述啁啾激光器可以是半導(dǎo)體激光器，例如，半導(dǎo)體二極管激光器。 啁啾光是通過對半導(dǎo)體二極管激光器施加一個或一串基本上階躍函數(shù)的 電脈沖以使激光器輸出一個或多個脈沖而產(chǎn)生的，所述脈沖的每一個具有 連續(xù)波長啁啾，用于注入到光學(xué)池(opticalcell)中。激光器可以是量子級聯(lián) 激光器。
每個施加的脈沖具有大于150ns，特別是大于200ns的持續(xù)時間。每 個施加的脈沖可以具有在150 ns至300ns，優(yōu)選200 ns至300ns的范圍內(nèi) 的持續(xù)時間。這可以提供約60GHz的調(diào)諧范圍。每個檢測的脈沖可以具有大于150ns，特別是大于200ns的持續(xù)時間。 優(yōu)選地，每個檢測的脈沖具有在150 ns至300ns，優(yōu)選200 ns至300ns的 范圍內(nèi)的持續(xù)時間。
附圖簡述
現(xiàn)在將僅通過舉例并且參考附圖描述本發(fā)明的各個方面，所述附圖
中


圖1是第一種氣體傳感器的示意圖，并且
圖2是第二種氣體傳感器的示意圖。 附圖詳述
圖1顯示了一種多模光纖量子級聯(lián)氣體或粒子傳感器10。該傳感器具 有單一模式的量子級聯(lián)激光器12，在其輸出端具有用于將光聚焦到多模光 纖16中的凸透鏡14。沿著其長度的是用于在空間上干擾光纖16的機構(gòu) 18。在該實例中，機構(gòu)18是具有偏心重的DC電動機，但是可以使用快 速移動光纖的其它機構(gòu)，例如平板激勵器、壓電電動機。在多模光纖16 的輸出端的是將光經(jīng)由樣品區(qū)域24向檢測器22聚焦的凸透鏡20。樣品 區(qū)域24可以是被安置成使得光單程通過的開放的池(open cell)構(gòu)造， 或者是光在出射之前多次通過其中的池。在WO03087787中描述了各種量 子級聯(lián)氣體傳感器和適合的樣品池構(gòu)造的具體實例的說明，WO03087787 的內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
在使用中，將階躍函數(shù)電脈沖施加到量子級聯(lián)激光器12以使其輸出 連續(xù)的波長啁啾。每個施加的脈沖具有大于150ns，特別是大于200ns的 持續(xù)時間，以及在150ns至300ns、理想地200 ns至300ns的范圍內(nèi)的持 續(xù)時間。將連續(xù)的波長啁啾注入光纖中，使得它通過樣品區(qū)域并且進入檢 測器。由每一個啁啾所提供的波長變化被用作脈沖內(nèi)掃描，該脈沖內(nèi)掃描 可以用于識別樣品區(qū)域中的氣體。
與使波長啁啾通過光纖16同步地，干擾器機構(gòu)18被用于引起光纖的 快速空間振蕩，這些振蕩通常具有在l或2Hz至lOkHz的范圍內(nèi)的頻率。 這具有將光纖16所支持的空間模式隨機化的效應(yīng)。通過對適合的時間間隔和適合數(shù)量的樣品進行信號平均化，可以將隨機化的空間模在檢測器 22重組。用于平均化的時間間隔必須被選擇以確保能夠顯著地隨機化，并
且通常是幾個ms至幾秒。通常，在100至1000個之間的樣品足以將隨機 化空間模式的效應(yīng)平均化，因此可以恢復(fù)激光的單一空間模式性質(zhì)。如例 如WO03087787中所述，可以使用恢復(fù)的信號檢測或者識別樣品區(qū)域24 中的氣體。通常地，這包括將所檢測的信號與已知材料的一個或多個指紋 比較。
通過將空間模隨機化，防止了由多模光纖16引起的光干涉噪音的引 入，并且可以保持傳感器的高靈敏度，同時避免對單模光纖的需要。此外， 經(jīng)由多模光纖干擾快速改變了通過自由空間行進的傳播光束的干涉圖樣， 這種能力允許消除由例如窗口或由閃爍/擾動之類的外部來源產(chǎn)生的光干 涉噪音。這在其中干擾噪音嚴重影響系統(tǒng)的根本性能的開路氣體傳感以及 自由空間電信方面具有顯著的影響。
本發(fā)明提供多個實用優(yōu)點。具體地，它允許在需要單模性能的應(yīng)用中 使用多模光纖。多模光纖提供允許多個激光波長被一個載體傳輸?shù)膶拵Ц?蓋率。這顯著地減少了激光基傳感應(yīng)用的光纖以及安裝成本。采用多模光 纖使得耦合和傳輸損耗更低，這允許相對較長距離的光纖傳播，從而提供 多點遠程檢測的可能性。此外，可以利用多模光纖的大的芯徑來顯著降低 激光器和光纖本身之間的光-機械對準公差。這降低了激光器和光纖的封裝 成本，并且提供顯著提高儀器魯棒性(robustness)的可能性。因為氣體傳感 器通常位于不友好或惡劣的環(huán)境中，因此這是一個明顯的優(yōu)點。
技術(shù)人員應(yīng)理解，在不偏離本發(fā)明的情況下，所公開的裝置可以變化。 例如，盡管圖1的干擾器顯示為沿著光纖的長度定位在激光器的輸出端使 得光纖在樣品區(qū)域下游被干擾，但是它同樣可以沿著定位在樣品區(qū)域和檢 測器之間的光纖的長度被安置(如圖2所示)，使得它在上游被干擾。同樣， 可以使用圖1和2的裝置的組合，其中光纖在樣品區(qū)域的下游和上游同時 被干擾。因此，具體實施方案的上述說明僅僅作為實例，而非用于限制性 目的。顯然在所述的操作沒有顯著變化的情況下，可以進行微小的改動。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，所述光學(xué)裝置包括多模光纖，其用于承載單模激光；隨機化器，其用于將由所述光纖支持的空間模式隨機化；以及平均化裝置，其用于將隨機化的空間模式平均化，從而恢復(fù)單一空間模式。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述隨機化器可操作用于引起所述 光纖的空間振蕩。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述隨機化器可操作用于引起沿著 所述光纖的物理干擾。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述隨機化器包括具有偏心重量的 DC電動機、平板激勵器和壓電電動機中的任何一個或多個。
5. 如權(quán)利要求2至4中任一項所述的裝置，其中所述空間振蕩的頻率 在1 Hz至10 kHz的范圍內(nèi)。
6. 如在前權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中所述平均化裝置可操作 用于將在100至1000范圍內(nèi)的樣本量平均化。
7. 如在前權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中所述激光器是輸出波長 啁啾的啁啾激光器。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述波長啁啾用于提供波長掃描。
9. 如權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述啁啾激光器是半 導(dǎo)體激光器。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述激光器是半導(dǎo)體二極管激光 祖 奮。
11. 如權(quán)利要求7至10中任一項所述的裝置，其中所述激光器是量子 級聯(lián)激光器。
12. 如權(quán)利要求7或權(quán)利要求11中任一項所述的裝置，所述裝置包括 用于對半導(dǎo)體二極管激光器施加一個或一串基本上階躍函數(shù)的電脈沖以 使所述激光器輸出一個或多個脈沖的裝置，所述脈沖的每一個具有連續(xù)波 長啁啾，用于注入到光學(xué)池中。
13. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中每個施加的脈沖具有大于150ns， 特別是大于200ns的持續(xù)時間。
14. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中每個施加的脈沖具有在150 ns 至300ns，優(yōu)選200 ns至300ns的范圍內(nèi)的持續(xù)時間。
15. 如權(quán)利要求7至14中任一項所述的裝置，其中檢測的脈沖的持續(xù) 時間大于150ns,特別是大于200ns。
16. 如權(quán)利要求7至15中任一項所述的裝置，其中檢測的脈沖的持續(xù) 時間在150ns至300ns，優(yōu)選200 ns至300ns的范圍內(nèi)。
17. —種氣體傳感器，所述氣體傳感器包括激光器、優(yōu)選單模激光 器；多模光纖，其用于從所述激光器向目標區(qū)和/或從目標區(qū)傳輸光；隨機 化器，其用于將由所述光纖支持的空間模式隨機化；檢測器，其用于檢測 已經(jīng)通過所述目標區(qū)的光；以及平均化裝置，其用于將隨機化的空間模式 平均化以恢復(fù)單一空間模式。
18. 如權(quán)利要求17所述的氣體傳感器，其中所述隨機化器可操作用于 引起所述光纖的空間振蕩。
19. 如權(quán)利要求18所述的氣體傳感器，其中所述隨機化器可操作用于 引起沿著所述光纖的物理干擾。
20. 如權(quán)利要求19所述的氣體傳感器，其中所述隨機化器包括具有偏 心重量的DC電動機、平板激勵器和壓電電動機中的任何一個或多個。
21. 如權(quán)利要求18至20中任一項所述的氣體傳感器，其中所述空間 振蕩的頻率在1至10kHz的范圍內(nèi)。
22. 如權(quán)利要求17至21中任一項所述的氣體傳感器，其中所述平均 化裝置可操作用于將在100至1000范圍內(nèi)的樣本量平均化。
23. 如權(quán)利要求17至21中任一項所述的氣體傳感器，其中所述激光 器是輸出波長啁啾的啁啾激光器。
24. 如權(quán)利要求23所述的氣體傳感器，其中所述波長啁啾用于提供波 長掃描。
25. 如權(quán)利要求23或權(quán)利要求24所述的氣體傳感器，其中所述啁啾 激光器是半導(dǎo)體激光器。
26. 如權(quán)利要求25所述的氣體傳感器，其中所述激光器是半導(dǎo)體二極 管激光器。
27. 如權(quán)利要求23至26中任一項所述的氣體傳感器，其中所述激光器是量子級聯(lián)激光器。
28. 如權(quán)利要求23至27中任一項所述的氣體傳感器，所述氣體傳感器包括用于對所述半導(dǎo)體二極管激光器施加一個或一串基本上階躍函數(shù) 的電脈沖以使所述激光器輸出一個或多個脈沖的裝置，所述脈沖的每一個 具有連續(xù)波長啁啾，用于注入到光學(xué)池中。
29. 如權(quán)利要求28所述的氣體傳感器，其中每個施加的脈沖具有大于 150ns，特別是大于200ns的持續(xù)時間。
30. 如權(quán)利要求28所述的氣體傳感器，其中每個施加的脈沖具有在 150 ns至300ns,優(yōu)選200 ns至300ns的范圍內(nèi)的持續(xù)時間。
31. 如權(quán)利要求23至30中任一項所述的氣體傳感器，其中檢測的脈 沖的持續(xù)時間大于150ns，特別是大于200ns。
32. 如權(quán)利要求23至31中任一項所述的氣體傳感器，其中檢測的脈 沖的持續(xù)時間在150ns至300ns，優(yōu)選200 ns至300ns的范圍內(nèi)。
33. 如權(quán)利要求17至32中任一項所述的氣體傳感器，其中所述隨機 化器被安置在所述目標區(qū)的上游。
34. 如權(quán)利要求17至33中任一項所述的氣體傳感器，其中所述隨機 化器被安置在所述目標區(qū)的下游。
35. —種光學(xué)裝置，所述光學(xué)裝置包括多模光纖，其用于傳送單模 激光；和隨機化器，其用于將由所述光纖所支持的空間模式隨機化。
36. —種方法，所述方法包括從單模激光器傳輸輻射；在傳輸期間 將所述輻射隨機化；接收隨機化輻射；和利用接受的隨機化輻射恢復(fù)單模 輻射。
37. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中利用所述隨機化輻射恢復(fù)單模輻 射包括將接收的輻射平均化。
38. 如權(quán)利要求36或37所述的方法，其中將輻射至少部分地傳輸通 過自由空間。
全文摘要
一種光學(xué)裝置，所述光學(xué)裝置包括多模光纖(16)，其用于傳送單模激光(12)；隨機化器(18)，其用于將所述光纖支持的空間模式隨機化；以及用于將隨機化的空間模式平均化以恢復(fù)單一空間模式的裝置。
文檔編號G02B6/14GK101617254SQ200780050555
公開日2009年12月30日 申請日期2007年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月29日
發(fā)明者伊恩·豪伊森, 邁克爾·麥卡洛克 申請人:卡斯卡德技術(shù)有限公司