基于斜对称法布里-珀罗传感器与声光调制器启用正交解调的低成本抗漂移光纤超声检测

《Photonics》：Cost-Effective and Drift-Resistant Fiber-Optic Ultrasound Detection with Slope-Symmetric Fabry–Perot Sensor and AOM-Enabled Quadrature Demodulation Yufei Chu, Xiaoli Wang, Mohammed Alshammari, Zi Li and Ming Han

　　

本研究提出了一种基于斜对称法布里-珀罗干涉仪（Fabry–Perot Interferometer, FPI）的鲁棒且低成本光纤超声传感器，并采用了声光调制器（Acousto-Optic Modulator, AOM）进行双通道正交偏置外差解调。通过引入200 MHz的频率偏移，在直接（未移频）光路与移频光路之间产生了有效的π/2相位偏移，该系统确保了互补的灵敏度：当一个通道工作在FPI传递函数的零斜率（最小灵敏度）时，另一个通道则处于最大斜率处，从而提供了对激光波长漂移和环境扰动的固有免疫性。实验验证表明，在不同的工作点上，系统均能实现可靠的超声检测。在正交极值点，一个通道的峰值幅度达到±2 V，而另一个通道则保持静默；在中间工作点，则能实现同时检测，AOM通道和直接通道的幅度分别达到±1.5 V和±0.05–0.1 V，同时对应的直流电平在~0.4 V至1.6 V之间变化。AOM通道在9.5–11.5 MHz带通滤波后采用简单的包络检测（Envelope Detection, ED），保持了低成本，尽管建议采用相干混频以增强弱信号性能。该角度对称的FPI设计，结合金盘反射镜的适配和潜在的飞秒激光微加工技术，进一步降低了制造成本，而不会牺牲精细度或灵敏度。这种正交偏置方法相比单通道系统具有优越的稳定性，使其在光声成像、无损检测和结构健康监测等实际应用中具有高度适用性。

本文研究背景是光纤法布里-珀罗（Fabry–Perot, FP）传感器凭借其电磁干扰免疫、体积小、重量轻以及支持远程和分布式测量等固有优势，已在光纤传感和激光雷达探测等领域得到广泛应用。在众多应用中，光纤FP传感器在超声检测领域展现出独特价值，能够将声波或超声引起的压力变化转换为光学信号，提供高达数兆赫兹的高频响应，且对其他被测量的交叉敏感度极低。然而，现有的光纤FP超声传感技术在实际应用中面临重大挑战。一方面，多种解调方案（如相位生成载波（Phase-Generated Carrier, PGC））虽然能高保真提取超声信号，但往往显著增加了传感器的生产成本。另一方面，解调系统通常需要昂贵的、波长稳定的激光光源来维持正交工作点，因为环境扰动（如温度波动）会导致条纹衰减，降低信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。这些问题不仅增加了系统总成本，也损害了其在动态现场条件下的可靠性，限制了其在电网监测或大规模生物医学成像等工业应用中的可扩展性。基于此，本研究提出了一种鲁棒且低成本的解调系统，旨在解决现有技术的成本与稳定性矛盾。

研究人员开展了本项研究，其核心创新在于将一种低成本的、角度可调的FP传感器与基于AOM的双路径解调方案相结合。AOM方案提供了可靠的正交解调（具有有效的90°相位差），以缓解FP传感器响应中的环境漂移，确保至少一个检测通道工作在高灵敏度斜率上。研究通过设计双光路结构，利用AOM引入的频率偏移来构建固有的相位正交关系，从而实现了无需主动波长稳定或昂贵锁频硬件的连续稳定检测。最终得出结论，该系统在成本效益和抗漂移性能之间取得了优异的平衡，能够满足实际应用需求。这项研究具有重要意义，因为它为光声成像、无损检测和结构健康监测等领域提供了一种性能可靠、成本可控的新型光纤超声检测方案，有望推动相关技术的规模化部署。论文发表在《Photonics》期刊。

为开展本研究，研究人员使用了几个主要的关键技术方法：首先，采用准分子激光紫外刻蚀和金盘反射镜角度调节技术制备了斜对称光纤法布里-珀罗传感器（FPI），通过实时监测透射谱线并优化后反射镜的倾斜角度，实现了前、后反射镜的反射率匹配与光谱对称性。其次，构建了基于声光调制器（AOM）的双通道外差解调系统，该系统通过AOM对一束光进行频率调制，与另一束直接光共同构成具有约π/2固有相位差的双光路，从而实现了正交偏置检测。实验验证基于一个包含可调谐激光器、AOM、光纤耦合器、光电探测器及信号处理单元的光纤传感平台，测试样本包括由压电换能器（Piezoelectric Transducer, PZT）激励的超声波信号。研究样本主要来源于实验室制备的光纤传感器件及标准超声激励源，未涉及特定生物或临床样本队列。

**研究结果**

**2.1 制造工艺与反射率匹配**
本研究采用了一种简化的工艺流程来制造传感器，以确保高反射率匹配和光谱对称性。首先，使用准分子激光（Excimer Laser, XCL）在光纤端面刻蚀制作前FP腔，精确控制激光功率和曝光时间以达到目标反射率R₁。随后，将光纤端面置于三维平移台上，在电子显微镜下小心对准一个直径600 μm的金盘反射镜，并轻微接触。通过施加紫外线固化胶并施加应力来微调金盘的倾斜角度，同时实时监测透射曲线直至获得对称斜率，形成近正弦的反射率响应。在达到最佳角度后，通过紫外固化永久固定。该制造过程的关键在于后端反射率与前端反射率的精确匹配。与依赖固定倾斜角来控制目标反射率的传统方法不同，本研究的方法优先直接匹配有效反射率。这是因为啁啾光纤相位光栅（Chirped Fiber Phase Grating, CFPG）的反射率因制造公差而存在器件间差异，无法采用通用的固定角度。角度调节通过简单的机械方式在标准三维光学实验平台上实现，通过控制光纤夹持器的垂直位置施加可调的机械应力，诱导光纤端面相对于镜面产生可控的小角度倾斜，从而精确匹配FP腔的峰峰值反射率幅度和斜率对称性。

**2.2 光谱优化与波长扩展**
为了拓宽传感器的工作带宽，研究人员使用不同的啁啾掩模制造了多种前端CFPG。通过选择特定的查询波长和调整后金盘的倾斜角，可以精确地定制干涉条纹轮廓。例如，在1549.9 nm和1552.7 nm波长处，干涉曲线呈现高度对称的准正弦轮廓，非常适合线性解调；而在1551.8 nm处，光谱发生畸变且不对称，不适用于高精度传感。由于金盘的反射率几乎是波长无关的，可以根据具体应用场景策略性地选择工作波长。最终，通过紫外固化将组装体永久固定，以进一步增强传感器对超声振动的灵敏度，将FP腔内的光纤部分卷绕成盘状结构。

**2.3 基于AOM的双路径查询原理**
针对环境扰动引起的波长漂移导致正交点偏移和信号衰减的问题，本研究提出了一种利用AOM的双路径配置作为经济高效的替代方案。激光输出通过1x2分束器分成两束光（I₁₀和I₂₀）。第一束光（I₁₀）直接连接至2x1光纤耦合器的一个输入端。第二束光（I₂₀）先通过AOM进行频率调制，然后进入耦合器的另一个输入端。两束光在耦合器合并后，通过光环行器送至FPI传感器。传感器反射的光信号被光电探测器（Photodetector, PD）接收。PD捕获的总信号g(t)包含直流分量、直接基带信号分量和AOM调制载波分量。该双通道架构需要精心设计，以在两条光路之间引入90°的正交相位差，从而刻意创建互补的信号特性：一条光路提供直接基带信号，另一条提供载波调制信号。得益于这种工程化的90°相位偏置，当激光波长漂移导致一条光路的工作点移至干涉条纹的峰值或谷值（对超声信号的灵敏度丧失）时，另一条光路（或其调制载波分量）仍能有效检测高频超声信号。

**2.4 数学推导与信号分解**
为了分析双路径查询系统对超声波的响应，研究人员考虑了声信号引起的相位扰动?θ(t)。在超声诱导相位偏移远小于调制深度（?θ ? 1）的条件下，应用了一阶泰勒展开进行小信号近似。解耦后的信号g(t)被重新组织为三个主要部分：直流和静态分量（g_DC），表示由初始腔相位θ₀决定的恒定背景光强；直接基带信号分量（g_Baseband），代表两条光路直接捕获的低频超声信号，其与sinθ₀和sin(θ₀+α)成正比；以及AOM调制载波分量（g_Carrier），包含由AOM引入的高频载波及其包含超声信息的边带，表现为一个调幅（Amplitude Modulation, AM）的10 MHz载波。分解后的方程凸显了双路径架构的核心优势：AOM载波优势在于将超声信号上变频至载波频率γ，从而在频域上将信号与低频环境噪声分离，进一步提高信噪比；成本效益在于，这种开环双路径配置无需复杂的反馈电子设备和高端可调谐激光器，即可提供一种被动、稳健的方法来维持连续检测稳定性。

**2.5 灵敏度冗余与偏移优化**
系统最关键创新在于相位偏移α提供的灵敏度冗余。基带和载波通道的灵敏度分别正比于sinθ₀和sin(θ₀+α)。为消除标准FPI传感器存在的“盲区”（其中sinθ₀ ≈ 0），研究人员策略性地设置了α = π/2。200 MHz的AOM频率偏移在传感腔（腔长39 cm）中引入了约1.5π的相位偏移，相当于0.75个条纹周期。在考虑干涉条纹的周期性后，这等效于0.5π（π/2）的净正交偏置。这种特定的相位偏置对于建立灵敏度冗余至关重要。通过设计使两条查询光路在条纹周期上分离（0.75 λ），有效地消除了“盲点”。当外部扰动（如环境温度变化或激光源不稳定）导致一条光路的工作点向峰值或谷值漂移时（斜率灵敏度接近零），互补的AOM调制光路在数学上被保证仍处于高斜率、准线性区域。因此，这种双通道互补架构显著增强了传感器的鲁棒性，即使在恶劣的工业环境中也能可靠捕获瞬态超声信号。

**3. 实验设置与结果**

**3.1 实验设置**
实验装置是一个基于FP传感器的光纤超声检测系统。激光波长被精确调谐至1549.6 nm以匹配FP传感器的峰值灵敏度波长。连续波激光束通过一个1:9分光比的1x2光纤分束器。低功率分支（10%，标记为I₁₀）直接路由至一个50:50分光比的2x1光纤耦合器的一个输入端口。高功率分支（90%，标记为I₂₀）先通过一个偏振控制器（Polarization Controller, PC）以优化偏振态，然后通过AOM，最后进入耦合器的另一个输入端口。AOM由复合射频信号驱动，该信号提供200 MHz的固定载波，为一阶衍射光束提供+200 MHz的光频偏移，以及10.5 MHz的附加幅度调制（驱动电压在0.6-1.2 V之间调制），从而在输出光束上施加相应的10.5 MHz强度调制。组合后的输出光通过光环行器送至固定在铝板上的FP超声传感器头。反射的探针光束（现已被超声诱导的腔长变化所调制）返回并被光电探测器接收。PD的直流输出记录在示波器（Oscilloscope, OSC）的通道2（CH2）上。交流输出被分为两个并行处理路径：直接低频路径通过带通滤波器BPF1（50 kHz–1 MHz）和低通滤波器（Low-Pass Filter, LPF，截止频率< 500 kHz），滤波信号记录在示波器的通道3（CH3，“DIRECT”）上。外差（AOM）路径通过以10.5 MHz为中心频率的带通滤波器BPF2（9.5–11.5 MHz），然后进行包络检测，再通过40 dB增益放大和低通滤波，最终解调的超声信号记录在示波器的通道1（CH1，“AOM”）上。

**3.2 实验结果**
实验设置配置为在直接（未移频）参考臂（I₁₀）和通过AOM的频移臂（I₂₀）之间引入90°（π/2）相位差。图5展示了在四个代表性工作点下的检测结果。在工作点1（对应图5a），直接臂波长位于干涉条纹中点（斜率≈0，最大灵敏度），因此直接通道检测到超声信号（幅度±0.1 V，直流电平~1 V），而AOM频移臂工作在反射率峰值（斜率≈0，最小灵敏度），导致AOM通道响应几乎为零。在工作点2（对应图5b），直接臂调谐至反射率峰值（斜率=0，不敏感），因此直接通道无信号；而AOM频移臂位于条纹中点（最陡斜率区域），实现了异步解调的最大灵敏度，在AOM通道上产生±2 V的强超声信号，直流电平升至~1.6 V。在中间工作点3（对应图5c）和点4（对应图5d），两个通道均被激活：在点3，直接通道位于反射率最小值左侧（负中等斜率），检测到±0.05 V信号；AOM通道位于反射率最大值右侧（负中等斜率），检测到±1.5 V信号，直流电平较低（~0.4 V）。在点4，情况对称：直接通道位于反射率峰值左侧（正中等斜率），检测到±0.05 V；AOM通道位于反射率最小值右侧（正中等斜率），检测到±1.5 V，直流电平较高（~1.4 V）。这些结果定量证明了直接（基带）通道和AOM（外差）通道的互补性能，确保了无论激光波长如何漂移，至少有一个通道（直接或AOM）始终接近最佳灵敏度，从而保证了可靠的超声检测。

**4. 结论与讨论**
本研究在先前开发的角度对称光纤FP传感器的基础上，通过集成AOM实现了双通道正交检测的查询方法，其中两条光路（直接和频移）保持90°（π/2）相位偏移。这种配置增强了对波长漂移和环境扰动的鲁棒性。AOM引入的200 MHz频率偏移在传感腔中产生了约1.5π的有效光学位移（对于传感器~2 pm的自由光谱范围（Free Spectral Range, FSR），相当于0.75个条纹），经过周期性考虑后，最终实现了0.5π的净正交偏置。实验结果定量地证明了直接（基带）通道和AOM（外差）通道的互补性能，例如在不同工作点下，一个通道达到最大灵敏度（如±2 V），另一个通道则处于不敏感状态，或者两个通道同时检测到信号（如±1.5 V和±0.05 V），确保了系统总能维持至少一个通道接近最佳灵敏度。从成本效益角度看，AOM通道的超声解调采用带通滤波和包络检测，提供了一种简单低成本的方案，但对于微弱信号，相干混频等替代方法可能提升性能。展望未来，将解调电子设备集成到紧凑的印刷电路板（Printed Circuit Board, PCB）上、采用飞秒激光微加工技术以进一步降低前端CFPG的制造公差和成本、以及开展噪声环境下的现场试验和机器学习辅助的自适应波长调谐等，都是重要的优化方向。该技术为生物医学和结构健康监测领域的高保真超声检测提供了一种有前景且低成本的替代方案。