專利名稱：適用于測(cè)量物理和材料性能的光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明主要涉及光學(xué)傳感器，更具體地，涉及用于測(cè)量通常在工業(yè)過程或流體系統(tǒng)中測(cè)量的參數(shù)的光學(xué)傳感器，這些參數(shù)包括壓力，溫度，流動(dòng)速率，應(yīng)力和材料成分。
現(xiàn)有技術(shù)的背景眾所周知，已有很多應(yīng)用光纖提供傳感器動(dòng)力和/或傳送被檢測(cè)信息的傳感器。在常規(guī)的用導(dǎo)線傳遞動(dòng)力和信息的電傳感器因諸如噪聲敏感性或電子元件的溫度限制等的局限而不能使用的場(chǎng)合，這樣的傳感器是很有用的。光學(xué)傳感器也顯示出大有發(fā)展的前途。不幸的是，在需要高精確度和高分辨率應(yīng)用中，光學(xué)傳感器的有效使用一直限制在昂貴的實(shí)驗(yàn)室類型的設(shè)備中。
例如，傳感器設(shè)計(jì)者一直沒能制造出精確測(cè)量小尺寸物理位移，尤其是微米和亞微米位移的光學(xué)傳感器。但是，微米位移的測(cè)量在如流體系統(tǒng)的應(yīng)用中是很重要的，在該系統(tǒng)中基于普通的硅微米機(jī)電制造系統(tǒng)(MEMS)的傳感器能夠測(cè)量隔膜中的微米位移。這種傳感器采用了各種檢測(cè)技術(shù)，如，半導(dǎo)體應(yīng)力規(guī)或可變電容器。在這類傳感器中，探測(cè)微米量級(jí)的能力使之有可能檢測(cè)超過0.01％精確度的流動(dòng)，壓力以及其他物理和材料的性能。
和硅傳感器相比較，應(yīng)用光學(xué)干涉原理的光學(xué)傳感器能夠測(cè)量不超過0.1％精確度的微米位移。不管是激光的還是白光的光學(xué)傳感器，其光源中的噪聲都是一個(gè)限制因素，因?yàn)樵谝粋€(gè)單干涉帶中的強(qiáng)度變化必須被精確測(cè)量以提供一個(gè)高精確度的信號(hào)。在這些光學(xué)傳感器的光學(xué)干涉儀機(jī)構(gòu)中的不完善也限制了傳感器的精確度。用某些精確度例如用干涉條紋的計(jì)數(shù)可以測(cè)量較大的位移，但這些位移和當(dāng)前用固態(tài)傳感器檢測(cè)的位移相比還是太大。而且，即使這樣較大的位移，如果干涉條紋計(jì)數(shù)的記憶丟失的話，光學(xué)傳感器也不能測(cè)量。
很多光學(xué)傳感器部有Fabry-Perot結(jié)結(jié)，該結(jié)構(gòu)應(yīng)用限定一個(gè)三維空間諧振器區(qū)域的靠近分隔的光學(xué)鏡?？梢苿?dòng)的及高反射的但部分透射的光學(xué)鏡可用來得到一個(gè)檢測(cè)的信號(hào)。其他具有頻率調(diào)制輸出的激光傳感器已經(jīng)作為克服光學(xué)傳感器缺點(diǎn)的一個(gè)可能的方案而提出。一般來說，所有的這些傳感器卻存在需要克服的上述精度問題。在激光器機(jī)構(gòu)中的頻率噪聲和低測(cè)量規(guī)因子(GF)的結(jié)合基本上妨礙了小尺寸位移的精確測(cè)量。頻率噪聲，即工作頻率的隨機(jī)漂移，限制了這些激光器的分辨率。測(cè)量規(guī)因子是一個(gè)測(cè)量靈敏度，被定義為(fmax-fmin)/fr，式中fmax是檢測(cè)輸入信號(hào)在上限時(shí)的輸出頻率，fmin是檢測(cè)輸入信號(hào)在最低水平時(shí)的輸出頻率，fr是系統(tǒng)的諧振器頻率。低測(cè)量規(guī)因子產(chǎn)生低分辨率以及不希望的溫度依賴性。
用于調(diào)制激光器頻率的裝置被顯示為將一部分發(fā)射的激光從一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)反射回激光器以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。所應(yīng)用的半導(dǎo)體二極管激光器重現(xiàn)出很大的頻率噪聲成分，即，基礎(chǔ)激光頻率在一個(gè)大的帶寬中隨機(jī)變化。另外，所應(yīng)用的外部腔體因來自目標(biāo)的有限的反射系數(shù)的原因而有一個(gè)低Q值。因此，這些裝置不適合于測(cè)量在流體系統(tǒng)和其他應(yīng)用中的小尺寸位移。
另一類基于激光的應(yīng)用包括一種應(yīng)力傳感裝置，該裝置利用一個(gè)具有一個(gè)由Bragg光柵反射器限定的腔體的光纖激光器。當(dāng)應(yīng)力施加于光纖的長(zhǎng)度上時(shí)，系統(tǒng)的激光發(fā)射頻率因激光發(fā)射部分的長(zhǎng)度的變化而變化。能夠測(cè)量的頻率變化限制于光纖所承受的應(yīng)力，通常比0.1％要小得多。而且，因溫度變化引起的激光信號(hào)的漂移以及Bragg反射器的損耗導(dǎo)致在應(yīng)力測(cè)量中的精確度的降低。
通過提高確定激光發(fā)射頻率的機(jī)構(gòu)的Q值來穩(wěn)定激光器的頻率是有可能的。實(shí)際上，可以得到一個(gè)高度調(diào)諧的濾波作用，該濾波作用只允許一個(gè)單個(gè)的頻率被放大。這可以通過提高激光發(fā)射腔體本身的Q值或?qū)⒁粋€(gè)具有一個(gè)低Q值腔體的激光器連接到一個(gè)高Q值的外部腔體的方法實(shí)現(xiàn)。顯示了幾種低噪聲的激光器，在該激光器中，一個(gè)高Q值微腔體，諸如一種石英微球體，發(fā)射一個(gè)穩(wěn)定的激光信號(hào)。但是。這些裝置沒有適用于測(cè)量位移或檢測(cè)物理或材料參數(shù)的機(jī)構(gòu)。
如上所述，現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)傳感器的性能落后于用于在例如流體系統(tǒng)中測(cè)量小尺寸微米和亞微米位移所使用的常規(guī)電子裝置。這樣，雖然基于有高Q值和高測(cè)量規(guī)因子的光學(xué)諧振器的檢測(cè)系統(tǒng)在理論上能提供超過常規(guī)的基于電子的傳感器的性能，但這樣的檢測(cè)系統(tǒng)一直沒有出現(xiàn)。
本發(fā)明的概述根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供一種光學(xué)傳感器設(shè)備，它適用于和傳播脈沖激光能量的模式鎖定激光源一起使用，該種設(shè)備的特征在于重復(fù)率以及用于測(cè)量可測(cè)量參數(shù)。該光學(xué)傳感器設(shè)備具有一個(gè)為接受至少一部分脈沖激光能量而設(shè)置的光學(xué)諧振器，該光學(xué)諧振器有一個(gè)檢測(cè)表面，該檢測(cè)表面能對(duì)在該檢測(cè)表面上的可測(cè)量參數(shù)的變化作出響應(yīng)，以及該光學(xué)諧振器限定一個(gè)腔體，該腔體形成一個(gè)可變化的間隙，該間隙隨檢測(cè)表面而變化和定位，使得脈沖激光能量的重復(fù)率隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種在測(cè)量可測(cè)量參數(shù)中和一個(gè)激光源一起使用的光學(xué)傳感器。該光學(xué)傳感器設(shè)備具有一個(gè)光學(xué)諧振器，該光學(xué)諧振器有一個(gè)檢測(cè)表面，該檢測(cè)表面能對(duì)在該檢測(cè)表面上的可測(cè)量參數(shù)的變化作出響應(yīng)，該光學(xué)諧振器限定一個(gè)取決于在檢測(cè)表面上的可測(cè)量參數(shù)的諧振頻率，該光學(xué)諧振器的設(shè)置使來自光學(xué)傳感器設(shè)備的激光信號(hào)具有該諧振頻率的頻率，該光學(xué)諧振器進(jìn)一步限定一個(gè)腔體，該腔體形成一個(gè)隨檢測(cè)表面而變化的可變化的間隙。
根據(jù)還有一個(gè)實(shí)施例，提供了一種設(shè)備，該設(shè)備可根據(jù)測(cè)量參數(shù)調(diào)制產(chǎn)生激光能量的激光源輸出。該設(shè)備有一個(gè)耦合器，通過該耦合器的耦合來接收激光能量。該設(shè)備還有一個(gè)外部的高Q值諧振器，該諧振器的特征在于其諧振頻率隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化，該高Q值諧振器與耦合器相耦合，用于將激光能量調(diào)制成攜帶激光信號(hào)的信息，該激光信號(hào)具有高Q值諧振器的諧振頻率的頻率。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，提供一種可變化頻率的諧振器，該諧振器包括一個(gè)具有一個(gè)檢測(cè)表面和一個(gè)波導(dǎo)的光學(xué)諧振器，其中該波導(dǎo)具有一個(gè)限定一個(gè)可變化間隙的腔體，該光學(xué)諧振器的特征在于諧振頻率取決于可變化的間隙，而所設(shè)置的變化間隙能根據(jù)檢測(cè)平面上的可測(cè)量參數(shù)的變化而改動(dòng)光學(xué)諧振器的諧振頻率。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，提供一個(gè)檢測(cè)可測(cè)量參數(shù)的方法。該方法包括的步驟(1)提供一個(gè)激光信號(hào)；(2)提供一個(gè)以諧振頻率為特征的諧振器；(3)提供一個(gè)隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化的可變化間隙，其中可變化間隙的變化可改變諧振頻率；(4)通過諧振器傳播至少一部分激光信號(hào)，因此該激光信號(hào)具有諧振頻率的頻率；和(5)檢測(cè)可測(cè)量參數(shù)的變化，使得所述檢測(cè)到的可測(cè)量參數(shù)的變化可改變激光信號(hào)的頻率。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，提供一個(gè)檢測(cè)可測(cè)量參數(shù)的方法。該方法包括的步驟(1)提供一個(gè)以重復(fù)率為特征的脈沖激光信號(hào)；(2)提供一個(gè)諧振器；(3)提供一個(gè)隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化的可變化間隙；(4)通過諧振器傳播至少一部分脈沖激光信號(hào)；和(5)檢測(cè)可變化間隙的變化，使得脈沖激光信號(hào)的重復(fù)率隨該可變化間隙的變化而變化。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，提供一個(gè)和一個(gè)光源一起使用的光學(xué)諧振器，該諧振器具有一個(gè)隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化的可變化間隙，光學(xué)諧振器接收來自光源的光能，隨可變化間隙的變化而改變光能的特性。
附圖的簡(jiǎn)要敘述

圖1是說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例與激光器相耦合的外部高Q值諧振器的方框圖。
圖2是說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例具有內(nèi)部諧振器的激光器的方框圖。
圖3A是說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例具有光學(xué)增益媒介的模式鎖定激光器的方框圖。
圖3B是說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例具有光學(xué)增益媒介的模式鎖定激光器的方框圖。
圖4是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的光纖的剖面圖。
圖5是圖1所示的光纖在可測(cè)量參數(shù)在光纖的檢測(cè)表面變化以后的剖面圖。
圖6是說明在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)傳感器中使用圖4所示的光纖的示意圖。
圖7是說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的環(huán)狀諧振器的示意圖。
圖8是說明根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的環(huán)狀諧振器的示意圖。
圖9是說明根據(jù)一個(gè)替代圖4和5所示實(shí)施例的光纖的剖面圖。
圖10是說明根據(jù)一個(gè)替代實(shí)施例的微球體諧振器的示意圖。
圖11是在一個(gè)示例的光學(xué)傳感器中的圖10所示微球體諧振器的示意圖。
圖12是在另一個(gè)示例的光學(xué)傳感器中的圖10所示微球體諧振器的示意圖。
圖13是具有一個(gè)微球體的替代的光學(xué)傳感器的剖面圖。
圖14是具有根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的第一模塊和第二模塊的未裝配的一體化光學(xué)傳感器的透視圖。
圖15是裝配后的圖14所示一體化光學(xué)傳感器的剖面圖。
圖16是替代圖15所示一體化光學(xué)傳感器的剖面圖。
圖17是采用光子液晶陣列形成圖14所示諧振器的第一模塊的替代的頂視圖。
圖18是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的微盤和VCSEL的剖面圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳盡敘述下文將敘述處理上述問題的各種設(shè)備和方法。總之，提供最好是在脈沖輸出模式中工作的激光器，該激光器產(chǎn)生具有由可測(cè)量參數(shù)調(diào)制的重復(fù)率或頻率的激光信號(hào)。通過應(yīng)用模式鎖定的激光器，就能用常規(guī)的高速電子元件測(cè)量調(diào)制后的信號(hào)，激光信號(hào)的重復(fù)率或頻率能夠以高分辨率進(jìn)行測(cè)量。通過測(cè)量激光信號(hào)的頻率，就可以得到可測(cè)量參數(shù)的值。
在一些實(shí)施例中，高Q值諧振器產(chǎn)生有取決于可測(cè)量參數(shù)的頻率的激光信號(hào)。高Q值諧振器可以在激光器的內(nèi)部或外部。在本技術(shù)領(lǐng)域的所有狀態(tài)中，該裝置都具有較低的功率消耗和改進(jìn)的精確度。該裝置可以用于測(cè)量可測(cè)量參數(shù)的變化或可用于進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域熟練的普通人士而言，其它應(yīng)用和實(shí)施例都是顯而易見的。例如，所敘述的裝置也可用于可調(diào)諧的光學(xué)濾波器，可調(diào)諧的激光源和其他所有的光學(xué)應(yīng)用。
圖1和2顯示了示例的實(shí)施例。圖1主要顯示了一個(gè)激光器100，該激光器通過一個(gè)耦合器104與一個(gè)外部高Q值諧振器102相耦合。激光器100可以是帶有光纖的激光器，紅寶石激光器或二極管激光器。也可期待用其他的激光源。激光器100可以是一個(gè)放大級(jí)，例如一個(gè)由一個(gè)激光源激勵(lì)的光學(xué)參數(shù)放大器或光纖放大器級(jí)。激光源100也可以由發(fā)光二極管(LED)替代。僅通過示例的方式，所顯示的激光源100接受來自電源103的功率，正如在本技術(shù)領(lǐng)域熟練的普通人士理解的那樣，該能源可以采取光能源或電能源的形式。雖然激光的能量也可以處在遠(yuǎn)紅外和微波區(qū)域，但激光功率最好處在可見光或紅外區(qū)域的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，耦合器104是一種光纖或光波導(dǎo)，其耦合通過低損耗消散耦合獲得的。耦合可以通過部分透射鏡，波導(dǎo)分接頭或其他已知的用于耦合光學(xué)信號(hào)的部件獲得。
激光源100通過耦合器104向高Q值諧振器102提供激光能量。從激光器100向諧振器102耦合的激光能量處在對(duì)應(yīng)于激光器100內(nèi)激光器腔體的諧振的波長(zhǎng)。但是，這類激光器腔體只有低Q值并產(chǎn)生相對(duì)較寬帶寬的輸出。外部諧振器102的Q值最好實(shí)質(zhì)上比激光器100內(nèi)部激光器腔體的Q值更大。例如，在優(yōu)選實(shí)施例中，諧振器102的Q值將至少為100。典型的諧振器只具有3到100之間的Q值并且受到形成諧振腔體的光學(xué)鏡和所需要的功率輸出的限制。
眾所周知，如果在振蕩器和諧振器之間有充分的耦合，如果兩個(gè)區(qū)域的頻率范圍重疊，則低Q值振蕩器系統(tǒng)將鎖定在高Q值諧振器的頻率上。激光器100的低Q值激光器腔體鎖定在高Q值諧振器102的諧振頻率上。也就是，在高Q值諧振器102和低Q值激光器100之間的能量交換將把整個(gè)系統(tǒng)的激光信號(hào)鎖定到由諧振器102限定的頻率和帶寬上。其結(jié)果就是，系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)狹窄帶寬的激光信號(hào)并集中在諧振器102的諧振頻率。
激光源100可以是一個(gè)連續(xù)波(CW)源，或者最好是一個(gè)脈沖模式鎖定的激光源。如果源100是一個(gè)CW源，則來自系統(tǒng)的激光信號(hào)就鎖定在諧振器102的諧振頻率上并且有一個(gè)由高Q值諧振器102誘導(dǎo)的狹窄帶寬。這里，將用一個(gè)光譜儀測(cè)量激光信號(hào)的頻率。如果源100是一個(gè)脈沖模式鎖定激光源，諧振器102另外確定脈沖系列的重復(fù)率。這里，常規(guī)的電子檢測(cè)器能夠被用來測(cè)量亞100GHz的重復(fù)率。
光學(xué)諧振器有多重諧振頻率。但是所希望的是，只有一個(gè)單獨(dú)的諧振頻率位于由激光源提供的激光能量的帶寬內(nèi)。也就是，激光信號(hào)存在于一個(gè)單獨(dú)一致的諧振頻率上。這樣的條件將減少現(xiàn)有激光系統(tǒng)的某些狀態(tài)中的發(fā)生的模式跳變。一種分布反饋激光(DFB)激光器可以用作激光源100以達(dá)到允許一個(gè)單獨(dú)諧振頻率的帶寬。也可以改變諧振器102的物理參數(shù)以達(dá)到單獨(dú)諧振。
諧振器102是由一種光學(xué)透明材料形成的。該材料可以是激光發(fā)射材料或非激光發(fā)射材料。適當(dāng)?shù)牟牧习ㄋ{(lán)寶石，石英，摻雜石英，多晶硅和硅。這些材料呈現(xiàn)出低光學(xué)損耗。這些材料也呈現(xiàn)出良好的機(jī)械特性，它們對(duì)可測(cè)量參數(shù)的變化作出精確和一致的反應(yīng)并且在壓力或力的作用下不發(fā)生永久性的變形，而在可測(cè)量參數(shù)回復(fù)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)值以后反而回復(fù)到它們的初始形狀。最好的是，應(yīng)用允許在內(nèi)部全反射下傳播的材料。內(nèi)部全反射和低光學(xué)損耗考慮到了甚高Q值諧振器的要求。
諧振器102的特征在于，該諧振器有取決于諧振器102附近的可測(cè)量參數(shù)的諧振頻率。本文中“可測(cè)量參數(shù)”是指和外部力或壓力相關(guān)的那些參數(shù)。壓力(絕對(duì)的或差動(dòng)的)，溫度，流率，材料構(gòu)成，力和應(yīng)力都是可測(cè)量參數(shù)的實(shí)例。激光源100和高Q值諧振器102共同形成一個(gè)光學(xué)傳感器105，該傳感器取決于可測(cè)量參數(shù)產(chǎn)生一個(gè)激光信號(hào)或檢測(cè)的信號(hào)。
激光信號(hào)通過耦合器108a和108b以及隔離器109主要顯示的結(jié)構(gòu)提供到測(cè)量設(shè)備106。如果激光源100是脈沖模式鎖定激光器，測(cè)量設(shè)備106可以是常規(guī)的高速電子檢測(cè)器。如果激光源100是連續(xù)波源，測(cè)量設(shè)備106最好是測(cè)量信號(hào)頻率的頻譜儀或其他適用的裝置。
隔離器109阻止了測(cè)量設(shè)備106的回反射信號(hào)進(jìn)入諧振器102。因?yàn)榧す庑盘?hào)取決于可測(cè)量參數(shù)，測(cè)量設(shè)備106可以通過測(cè)量激光信號(hào)的頻率或重復(fù)率以及計(jì)算對(duì)應(yīng)于該測(cè)量的可測(cè)量參數(shù)的值另外得到該可測(cè)量參數(shù)的值。這樣的推導(dǎo)采用已知的方式進(jìn)行。諧振器102和測(cè)量設(shè)備106之間的耦合可以通過光纖耦合，光學(xué)鏡耦合，分接頭耦合，消散耦合或其他適用的耦合類型達(dá)到。
諧振器102有高Q值，因此在激光器100和諧振器102之間耦合的能量可以很低，并且將發(fā)生適當(dāng)?shù)劓i定到諧振器102的諧振頻率上。使用高Q值外部諧振器102的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的信/噪(S/N)比得到改進(jìn)?？傊?，S/N比和激光系統(tǒng)調(diào)制頻率的分辨率受到激光發(fā)射機(jī)構(gòu)中頻率抖動(dòng)的限制。該抖動(dòng)有很多起源；模式的跳變，電源供給的噪聲，熱噪聲，量子的漲落以及在激光發(fā)射媒介中的增益噪聲是其中的幾種。振幅噪聲漲落調(diào)制了激光發(fā)射頻率本身，以致于一旦產(chǎn)生最終的頻率噪聲就難以濾去。
通過實(shí)例的方式，S/N比和GF成正比，正如以上所意義的，有下面的比例式S/N＝GF fr/fn。fn值是fr中固有的噪聲頻率抖動(dòng)。高GF導(dǎo)致高S/N比。類似于諧振器102，將激光輸出耦合到外部高Q值諧振器，意味著激光輸出頻率將由諧振器確定，因此，fn將變低，S/N比特性將主要由外部諧振器特性確定。本文中顯示的諧振器也具有高GF以及高S/N比的特征。
圖1的外部諧振器結(jié)構(gòu)對(duì)在不利于激光運(yùn)行的環(huán)境中的測(cè)量是很有用的，因?yàn)榧す獍l(fā)射機(jī)構(gòu)(即諧振器102)遠(yuǎn)離激光源100。還有，在該實(shí)施例中，外部諧振器102對(duì)由激光源100產(chǎn)生的高溫不敏感。
圖2是描述光學(xué)傳感器130的一個(gè)替代實(shí)施例的框圖，圖中激光器132由一個(gè)內(nèi)部高Q值諧振器形成。這里，高Q值諧振器形成激光器132以及因此而具有作為激光器增益腔體的功能。高Q值諧振器由一種以受到適當(dāng)?shù)酿佀湍芰考?lì)為基礎(chǔ)而發(fā)射激光的材料形成。通過僅作為實(shí)例的方式，所顯示的激光源132接收來自能源133的功率，如由在本技術(shù)領(lǐng)域熟練的普通人士理解的那樣，該能源可以采取光能源或電能源的形式。半導(dǎo)體材料，摻雜藍(lán)寶石，摻雜石英以及其他材料也可以被用以形成內(nèi)部諧振器。摻雜石英尤其有利，因?yàn)楫?dāng)石英摻雜稀土元素鉺時(shí)，可以使石英發(fā)射1550nm的激光，該濾波是目前光纖通訊最佳的低損耗波長(zhǎng)。該激光信號(hào)由激光器132產(chǎn)生并通過耦合器134a和134b及隔離器136提供到測(cè)量設(shè)備106，和上述情況相似。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中提供了一種頻率調(diào)制的激光源，該激光源產(chǎn)生一個(gè)脈沖序列作為激光信號(hào)。脈沖的重復(fù)率作為作用于諧振器的可測(cè)量參數(shù)的函數(shù)變化，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)高分辨率和高精確度的光學(xué)傳感器。例如，在100GHz信號(hào)中1GHz變化的簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)(由可測(cè)量參數(shù)誘導(dǎo)的)將在1秒的測(cè)量范圍中給出1ppb的分辨率。當(dāng)前技術(shù)的激光器狀態(tài)在約200,000GHz的基頻中有幾個(gè)KHz的噪聲帶寬，這說明用這樣的光學(xué)傳感器可達(dá)到大于30比特的分辨率。
在本技術(shù)領(lǐng)域各種已知的方法來建立一個(gè)模式鎖定的激光器，諸如用無源的模式鎖定或有源的模式鎖定。已經(jīng)顯示了用氬連續(xù)波激光源或用釹釔鋁石榴石連續(xù)波激光源激勵(lì)的鈦藍(lán)寶石模式鎖定激光器。其他還顯示了用半導(dǎo)體激光器和微機(jī)械調(diào)諧的其它無源模式鎖定的激光器。任何模式鎖定的激光器都適合于作為圖1的激光源100以及各種模式鎖定激光器裝置都可以用于圖2的實(shí)施例。因此，期待脈沖模式鎖定的運(yùn)行的用在外部和內(nèi)部諧振器的實(shí)施例中。
圖3A顯示了一種示例的模式鎖定激光器，圖中顯示激光器140與外部高Q值諧振器142相耦合以產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)行頻率與作用到諧振器142的可測(cè)量參數(shù)有關(guān)的模式鎖定激光信號(hào)144。激光器140包括一個(gè)能采取在本技術(shù)領(lǐng)域已知的各種形式的模式鎖定機(jī)構(gòu)。例如，一種可飽和放大器可被引進(jìn)激光發(fā)射腔體，這樣只有短脈沖才能夠無衰減地通過。激光信號(hào)144是脈沖的激光信號(hào)，其重復(fù)率取決于作用在高Q值諧振器142的檢測(cè)表面(即外表面)上的可測(cè)量參數(shù)。尤其是，鎖定到外部高Q值諧振器142的激光器140的脈沖激光信號(hào)144具有由F＝Fin(1-h/nL)所確定的重復(fù)率，式中h是外部諧振器的往返行程長(zhǎng)度，L是模式鎖定的激光器的往返行程長(zhǎng)度，n是有效折射率，F(xiàn)in是模式鎖定激光器的往返行程頻率。(見Katagirie等人所著“無源模式鎖定微機(jī)械可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器”，IEICE Trans.Electron.，Vol.E81-C No.2，1998年2月)。測(cè)量設(shè)備146測(cè)量該重復(fù)率并用測(cè)量結(jié)果得到可測(cè)量參數(shù)的值。激光器140被示例性地顯示為由電源148激勵(lì)，該電源代表用于模式鎖定激光器的任何已知的激勵(lì)能量的電源。
參考圖3B，模式鎖定激光器150可以替代地將高Q值諧振器結(jié)合到激光發(fā)射腔體(類似于圖2)以產(chǎn)生模式鎖定激光信號(hào)152。應(yīng)用該內(nèi)部諧振器結(jié)構(gòu)，激光信號(hào)152的重復(fù)率簡(jiǎn)單地就是諧振器的往返程時(shí)間。如上文所述，激光器150的模式鎖定機(jī)構(gòu)可以采用在本技術(shù)領(lǐng)域已知的一種技術(shù)來完成，諸如將可飽和放大器部分引進(jìn)環(huán)路或應(yīng)用有源模式鎖定。然后，測(cè)量設(shè)備146測(cè)量激光信號(hào)152的重復(fù)率以得到作用到激光器/諧振器的檢測(cè)表面上的可測(cè)量參數(shù)的值。雖然未顯示，圖3A和3B的實(shí)施例可以根據(jù)需要用隔離器和其他光學(xué)元件(諸如各種光學(xué)耦合器)實(shí)施。
下面將討論具有取決于可測(cè)量參數(shù)的諧振頻率特征的一些示例的諧振器結(jié)構(gòu)。
圖4和5描繪了可以用于形成諧振器102或132的光纖160的剖面圖。光纖160可以用任何用于光纖的標(biāo)準(zhǔn)材料形成并最好是單模光纖。光纖160的特征在于其包覆區(qū)域162和高折射率核芯區(qū)域164。該結(jié)構(gòu)將傳播主要限制到核芯164并且在核芯164內(nèi)傳播的信號(hào)是在內(nèi)部全反射下進(jìn)行的。
光纖160包含一個(gè)限定一個(gè)可變化間隙的腔體166，該腔體可以被抽空或包含氣體或其他適當(dāng)?shù)牟牧?。腔體166在光纖160內(nèi)通過諸如刻蝕或抽吸包括該腔體的空白或預(yù)定型的已知的工藝方法形成。在圖4中，腔體166整體設(shè)置在核芯164中。腔體166也可以部分在核芯164中或全部在核芯164外，如圖9的實(shí)施例中所示。在優(yōu)選實(shí)施例中，腔體166的形狀在剖面上類似于核芯164。還有，在優(yōu)選實(shí)施例中，腔體166可和核芯164對(duì)稱。雖然腔體166和核芯164用直線剖面顯示，應(yīng)該理解也可應(yīng)用其他的剖面形狀。例如，腔體可以應(yīng)用的形狀有諸如靠近間隔的大量圓孔，其尺寸隨檢測(cè)到的可變化或可測(cè)量參數(shù)而改變。腔體166和核芯164一起沿光纖160的至少一部分縱向延伸。
腔體166的間隙隨可測(cè)量參數(shù)的變化，例如，作用到光纖160的壓力或外力的變化而變化。在工作中，在光纖160的外側(cè)上的壓力的增加將力施加到光纖160的外壁或檢測(cè)表面167，導(dǎo)致徑向力能通過包覆區(qū)域162并施加到腔體166上。因?yàn)榍惑w166的幾何形狀，一些徑向力將無法改變腔體形狀。其他的力，主要由箭頭168表示的力(見圖2)將作用于壓縮腔體166。因此，在光纖160的檢測(cè)表面167上壓力的增加將導(dǎo)致壓縮，即腔體166向內(nèi)的位移。雖然未顯示，可以理解的是，壓力的減小將導(dǎo)致腔體166的膨脹。
其他可測(cè)量參數(shù)的變化也將改變腔體166。例如，光纖160可以被放置在一個(gè)工藝流程系統(tǒng)內(nèi)，這樣，流率，溫度或材料成分的變化都將改變腔體166的幾何形狀。任何可測(cè)量參數(shù)的變化都將導(dǎo)致腔體166的可變化間隙的變化。因此，腔體166在傳播核芯164內(nèi)提供了一個(gè)可改變的擾動(dòng)，一個(gè)隨可測(cè)量參數(shù)改變的擾動(dòng)。
最好的是，腔體166具有能隨可測(cè)量參數(shù)的相對(duì)小的變化而被壓縮或減壓的剖面形狀。還有，腔體的位移最好相對(duì)小，即在微米或亞微米的范圍，因此，在核芯164內(nèi)的傳播特性改變一個(gè)可探測(cè)的數(shù)量，但該數(shù)量不會(huì)有害地影響在核芯164內(nèi)傳播的波的模式剖面。在圖4和5的實(shí)例中，一個(gè)延長(zhǎng)的矩形剖面被用于腔體166。該腔體166有一個(gè)第一側(cè)面170，該第一側(cè)面長(zhǎng)于第二側(cè)面172。腔體166具有在光纖160內(nèi)傳播的波的波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的尺寸。穩(wěn)定狀態(tài)的腔體剖面(如在大氣壓下)可以取決于所需要的靈敏度和被測(cè)量的參數(shù)而變化。
腔體166形狀的變化將改變?cè)诤诵?64內(nèi)的傳播特性。尤其是，在核芯164內(nèi)行進(jìn)的波經(jīng)歷一個(gè)在核芯164內(nèi)的特殊的折射率。通常光纖核芯的特征在于其取決于折射率的材料。在核芯164內(nèi)傳播的波經(jīng)歷的是一個(gè)有效折射率，該有效折射率取決于波通過其傳播的各種材料。一個(gè)傳播的波有一個(gè)電場(chǎng)，該電場(chǎng)主要通過核芯164和腔體166傳播，但實(shí)際上也延伸進(jìn)包覆層162。這樣，儲(chǔ)存在電場(chǎng)中的能量就取決于三個(gè)區(qū)域的折射率和幾何形狀，儲(chǔ)存在電場(chǎng)中的能量確定了沿光纖160的長(zhǎng)度傳播的電磁波的速度。這樣，傳播中的波的行為好象它在行進(jìn)中通過一個(gè)有一個(gè)有效折射率的均勻的材料，該折射率為三個(gè)區(qū)域的折射率的幾何加權(quán)平均折射率。傳播波經(jīng)歷的有效折射率隨幾何形狀的變化即腔體166的壓縮或膨脹而變化。這里敘述的是一些應(yīng)用示例，在這些實(shí)例中，在核芯中傳播的波的有效折射率的變化可以用在光學(xué)傳感器中。
圖6顯示了在光學(xué)傳感器176中圖4和5所示的光纖160。該結(jié)構(gòu)也可以認(rèn)為是調(diào)制激光信號(hào)頻率的一種裝置。所描述的結(jié)構(gòu)類似于圖1的激光系統(tǒng)。光學(xué)傳感器176有一個(gè)光源178，該光源通過隔離器182和耦合器180a和180b從外面提供到光纖160。最好的是，半導(dǎo)體激光器或LED源被用作光源178。光源178可以是一個(gè)連續(xù)波激光器或一個(gè)脈沖模式鎖定激光器，雖然在后者場(chǎng)合形成光纖160的光學(xué)媒介并不是激光發(fā)射媒介。光纖160被摻雜以形成激光發(fā)射材料，來自光源178的輸出是一個(gè)激勵(lì)能量，其波長(zhǎng)充分允許在光纖160中的激光發(fā)射作用。
光纖160有一個(gè)中間部分184，通過該中間部分可以測(cè)量可測(cè)量參數(shù)的變化。光纖160的第一端有一個(gè)Bragg反射器形式的第一反射器188，第二端有一個(gè)Bragg反射器形式的第二反射器190。中間部分184在Bragg反射器188和190之間延伸并和檢測(cè)表面167重合。Bragg反射器188和190限定了在光纖160內(nèi)的諧振器192。在描繪的環(huán)境中，諧振器192沿光纖的長(zhǎng)度延伸，和中間部分重合并稍許延伸進(jìn)Bragg反射器188和190中。在優(yōu)選實(shí)施例中，腔體166(未顯示)不延伸進(jìn)Bragg反射器188和190中。但是如果需要，腔體166可以延伸進(jìn)Bragg反射器188和190中。雖然是顯示為Bragg反射器188和190，但第一和第二反射器可以替代地為光學(xué)鏡或形成在光纖160上或其外部的其他高反射結(jié)構(gòu)。
在工作中，由光源178產(chǎn)生的激勵(lì)能量通過部分透射Bragg反射器188提供到諧振器192。激光信號(hào)從Bragg反射器190沿耦合器194a和194b并通過隔離器186發(fā)射。激光信號(hào)具有對(duì)應(yīng)于諧振器192的諧振頻率的波長(zhǎng)。在耦合器194b上的信號(hào)頻率由測(cè)量設(shè)備196測(cè)量。
由于在檢測(cè)表面167上尤其在中間部分184上可測(cè)量參數(shù)的變化，腔體166將發(fā)生改變，從而改變?cè)诤诵?64中傳播的信號(hào)經(jīng)歷的有效折射率。有效折射率將確定光波在諧振器192中傳播的速度。這依次將確定諧振器192的諧振頻率，因此而確定CW運(yùn)行中耦合器194a上的激光信號(hào)的頻率。在模式鎖定的運(yùn)行中，重復(fù)率是改變的?？蓽y(cè)量參數(shù)的變化將由檢測(cè)器196以激光信號(hào)頻率變化的形式探測(cè)。
在傳感器176的CW工作中，測(cè)量設(shè)備196是一個(gè)檢測(cè)器，其中激光信號(hào)頻率和參考激光的頻率進(jìn)行比較以允許測(cè)量能非常細(xì)致地變化到激光信號(hào)的頻率。在脈沖模式的運(yùn)行中，測(cè)量設(shè)備196是一個(gè)電子檢測(cè)器，該檢測(cè)器測(cè)量激光信號(hào)脈沖序列重復(fù)率的變化。在另一種場(chǎng)合，腔體在微米或更小程度上的位移都將導(dǎo)致可由檢測(cè)器196測(cè)量的頻率變化。雖然未顯示，CPU或其他處理器都可以根據(jù)檢測(cè)到的激光信號(hào)頻率計(jì)算出可測(cè)量參數(shù)的值?？蓽y(cè)量參數(shù)的變化是可檢測(cè)的，也是絕對(duì)測(cè)量?？梢岳斫獾氖?，一種最初的歸一化可以用來對(duì)可測(cè)量參數(shù)的精確測(cè)量校正檢測(cè)器196和/或處理器。例如，在一種不同的可測(cè)量參數(shù)檢測(cè)之前可以先進(jìn)行歸一化。可以進(jìn)一步理解的是，多重傳感器可以和一個(gè)處理器一起使用以形成多樣化的其他測(cè)量的種類，例如，在一個(gè)流體系統(tǒng)內(nèi)測(cè)量?jī)蓚€(gè)分離位置之間的ΔP。以通常的0.01到0.1的測(cè)量規(guī)因子，160或更大的Q值，用傳感器176可以進(jìn)行0.01％到0.001％分辨率的測(cè)量。
期待替代的諧振器。圖7顯示了一種替代諧振器的實(shí)例。圖中，波導(dǎo)200形成一個(gè)循環(huán)諧振器，也即被認(rèn)為是循環(huán)器或環(huán)形諧振器，下文也將如此稱呼。在優(yōu)選實(shí)施例中，環(huán)形諧振器200可以通過用商業(yè)化的熔接技術(shù)連接光纖的兩端來形成。環(huán)形諧振器200有一個(gè)包覆層，核芯區(qū)域和以剖面觀察時(shí)和光纖160相似的腔體。環(huán)形諧振器200具有高Q值和高測(cè)量規(guī)因子的特征并構(gòu)成光學(xué)傳感器202的一部分。如果腔體延伸了環(huán)形諧振器200的整個(gè)長(zhǎng)度，則環(huán)形諧振器200的整個(gè)外表面將用作為檢測(cè)表面。
信號(hào)耦合進(jìn)環(huán)形諧振器200的閉環(huán)通過消散耦合來獲得的。在消散耦合中。使主波導(dǎo)204在由參考數(shù)字208主要指明的區(qū)域上和環(huán)形諧振器200接觸。波導(dǎo)204是一種光學(xué)透明的波導(dǎo)，由例如一種多晶硅材料形成。藍(lán)寶石和石英對(duì)創(chuàng)立內(nèi)部全反射傳播也是很有用的，波導(dǎo)也可以是另一種光纖。來自激光源205的激光信號(hào)206使其通過波導(dǎo)204傳播。
在諧振器200中信號(hào)206被鎖定到諧振頻率并且有一個(gè)由耦合進(jìn)諧振器200誘導(dǎo)的狹窄的帶寬。因此信號(hào)206取決于諧振器200的性能，即取決于在諧振器200的外表面上的可測(cè)量參數(shù)。信號(hào)206提供到如上所述的測(cè)量設(shè)備209。應(yīng)該注意的是，在一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)形諧振器200可以用一種激光發(fā)射材料形成，這樣諧振器構(gòu)成如在圖2的內(nèi)部諧振器實(shí)施例中顯示的激光器腔體。
圖8顯示了一個(gè)替代實(shí)施例，其中由諧振器200傳播的信號(hào)210作為信號(hào)212耦合到第二級(jí)或輸出波導(dǎo)214，該波導(dǎo)在由216主要指明的區(qū)域和環(huán)形諧振器200耦合接觸。在諧振器200由非激光發(fā)射材料構(gòu)成的場(chǎng)合，該實(shí)施例尤其有用。輸出波導(dǎo)214在和波導(dǎo)204的耦合接觸的外側(cè)。為了引導(dǎo)信號(hào)212，波導(dǎo)214有一個(gè)封閉端220并從該端向遠(yuǎn)端延伸，這樣，信號(hào)212以和信號(hào)206平行的方向傳播。信號(hào)212耦合到測(cè)量裝置209。環(huán)形諧振器200和波導(dǎo)214和204最好在同一個(gè)全面工序中創(chuàng)立以減少裝置成本和制作次數(shù)。
圖8的實(shí)施例對(duì)來自輸入信號(hào)的一個(gè)波長(zhǎng)的濾波特別有用。例如，信號(hào)206是一個(gè)寬帶寬的LED能量或是一個(gè)白光能量，諧振器200將移去傳播能量中和諧振器200的諧振頻率和帶寬部分重合的部分。信號(hào)212將在被移去的頻率上。對(duì)于諧振器200，可以獲得從信號(hào)206幾乎完全除去諧振頻率。
圖9顯示一個(gè)圖4和5的適當(dāng)?shù)奶娲鷮?shí)施例光纖300，該光纖有一個(gè)包覆層302，一個(gè)核芯304和一個(gè)腔體306。外表面308是光纖300的檢測(cè)表面。腔體306限定一個(gè)和腔體166所限定的相似的可變化間隙，該間隙的剖面隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化。然而，此處腔體306完全設(shè)置在鍍覆區(qū)域302之內(nèi)。不過腔體306仍然和核芯302足夠接近以改變?cè)谄渲袀鞑サ男盘?hào)經(jīng)歷的有效折射率。如上述實(shí)施例，由可測(cè)量參數(shù)所誘導(dǎo)的腔體306的變化將改變有效折射率。這樣，光纖300可用于諧振器或激光器腔體以產(chǎn)生一個(gè)取決于可測(cè)量參數(shù)的輸出信號(hào)。光纖300適用于上述Bragg反射器諧振器或環(huán)形諧振器的結(jié)構(gòu)，也適用于其他諧振器的結(jié)構(gòu)。如光纖100，核芯304用高光學(xué)透明系數(shù)材料形成，最好在紅外區(qū)域透明。核芯304和腔體306可以有不同的剖面，但對(duì)可測(cè)量參數(shù)的變化還能得到合乎需要的諧振頻率的依賴性。
本技術(shù)所包含另一類諧振器是微球體諧振器，如圖10-12所示的諧振器400。光學(xué)微球體被認(rèn)知為有極其高的Q值，其值超過1,000,000,000。因此微球體提供了用于測(cè)量可測(cè)量參數(shù)的非常小變化的理想的諧振器。但是已知的微球體都是由單一結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，沒有可以做成可變化的間隙或間隔。
微球體400為空芯的并工作在耳語走廊模式，在該模式中和已知的微球體一樣光沿微球體400的外表面行進(jìn)。在球體的表面光受到內(nèi)部全反射的限制。微球體400被分為第一半球體402和完全相同的第二半球體404，兩個(gè)半球體402和404由一個(gè)可變化間隙406分隔。間隙406足夠小，因此在任一個(gè)半球體402，404中傳播的信號(hào)能耦合進(jìn)另一個(gè)半球體使其在內(nèi)傳播。
微球體400的特征在于由半球體402和404限定的諧振頻率。間隙406的間隔以和光纖160上的腔體166的間隙相似的方式影響諧振頻率。參考圖11，在波導(dǎo)410中傳播的激光信號(hào)408的一部分被耦合進(jìn)半球體402。在高Q值諧振器400中激光信號(hào)408將鎖定在諧振頻率上。在運(yùn)行中，當(dāng)可測(cè)量參數(shù)在檢測(cè)表面413a和/或413b上變化時(shí)，可變化間隙406將變化在半球體402和半球體404之間的間隔并從而改變微球體400的諧振頻率。可變化間隙406中的最終變化改變了激光信號(hào)408的輸出頻率。信號(hào)408被耦合到未顯示的測(cè)量設(shè)備。
圖12顯示了一個(gè)替代實(shí)施例，其中微球體400設(shè)置在兩個(gè)波導(dǎo)410和412之間，并且微球體400具有相似于圖8中顯示的結(jié)構(gòu)的諧振頻率濾波器或傳感器414的功能，在波導(dǎo)412中產(chǎn)生一個(gè)濾波器激光信號(hào)416。
微球體400和波導(dǎo)410和412可以形成在一個(gè)襯底上并用適合于普通微球體的安裝方法安裝。半球體402和404最好安裝成能互相相對(duì)移動(dòng)。通過示例的方式，MEMS安裝結(jié)構(gòu)可以用于這一目的。MEMS制造工藝可以用來創(chuàng)立一種驅(qū)動(dòng)安裝，該安裝方法將半球體402和404偏置到一個(gè)所希望的可變化的間隙間隔，但允許該可變化的間隙間隔互相相對(duì)并隨壓力，溫度等的微小變化而收縮機(jī)膨脹。雖然可用非激光發(fā)射材料形成，但微球體400最好用激光發(fā)射材料例如摻雜石英形成。多重微球體可以用來增強(qiáng)檢測(cè)器所測(cè)量的輸出信號(hào)的信噪比。其他的修改也將是顯而易見的。
圖13顯示了一個(gè)替代的光學(xué)傳感器450，該傳感器采取由微球體452形成的光學(xué)傳感器艙的形式。在該優(yōu)選實(shí)施例中，激光器摻雜以形成一個(gè)微激光器，當(dāng)由激勵(lì)光激發(fā)時(shí)該激光器發(fā)射激光。傳感器450由兩個(gè)模塊454和456構(gòu)成。第一模塊454由介電材料形成并包含一個(gè)接收腔體458。模塊454有一個(gè)設(shè)置在一個(gè)柔韌膜或部分462上的檢測(cè)表面460，因此可測(cè)量參數(shù)在檢測(cè)表面460上的變化將使膜462偏斜。模塊456用介電材料形成并被設(shè)置成和微球體452相對(duì)。例如，微球體452可以設(shè)置在模塊456中的一個(gè)小點(diǎn)缺口中。微球體452可以由一個(gè)支座支撐。微球體452最好是一個(gè)整體，不形成為如圖10-12的實(shí)施例那樣的兩半球體。微球體452定位于膜462的下面，兩者共同限定一個(gè)可變化間隙464。在該結(jié)構(gòu)中，光耦合進(jìn)微球體452，并且在可變化間隙464中的變化，即在檢測(cè)表面460上因可測(cè)量參數(shù)的變化引起的變化將影響在微球體452中的諧振條件，從而改變?cè)贑W運(yùn)行中激光源的頻率或改變?cè)谀Ｊ芥i定運(yùn)行中脈沖激光源的重復(fù)率。通過示例的方式，顯示一個(gè)用于將光耦合進(jìn)出微球體452的波導(dǎo)466。交替的光可以通過透明模塊454將光束集中到微球體452而耦合到微球體452。
類似圖7-8的環(huán)形諧振器實(shí)施例可以整體形成到一個(gè)襯底上，從而提供一個(gè)保護(hù)諧振器和波導(dǎo)避免損壞的一體化結(jié)構(gòu)。圖14顯示了一個(gè)有第一模塊502和第二模塊504的示例的一體化光學(xué)傳感器500(未裝配)。第一模塊502包括一個(gè)采用注入，刻蝕和生長(zhǎng)或其他適當(dāng)工藝制成的諧振器506。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，用藍(lán)寶石形成襯底508，用砷化鎵或多晶硅形成諧振器506，砷化鎵或多晶硅有比藍(lán)寶石更高的折射率而能提供內(nèi)部全反射。類似于上述關(guān)于圖8的波導(dǎo)，主波導(dǎo)510和封閉的第二級(jí)波導(dǎo)512也制成在襯底508上。波導(dǎo)510和512以及環(huán)形諧振器506有和襯底508的頂平面514齊平的頂平面。由波導(dǎo)510和512以及環(huán)形諧振器506傳播的信號(hào)就此處在內(nèi)部全反射下。
模塊504用襯底516形成，在優(yōu)選實(shí)施例中該襯底和襯底508的材料相同。模塊504包括一個(gè)限定一個(gè)可變化間隙的腔體518。如上述腔體166，腔體518有這樣的幾何形狀，因此使得腔體518的間隙將隨可測(cè)量參數(shù)例如壓力，力或溫度的變化而變化。而且，雖然圖14顯示直線的形狀，可以理解的是，其他的形狀也是合適的，例如，可以應(yīng)用非平面形狀。一體化的光學(xué)傳感器500通過將模塊504安裝到模塊502上形成圖15所顯示的結(jié)構(gòu)而制成。
如圖15的剖面中所示，腔體518在環(huán)形諧振器506的外面，但足夠靠近以改變?cè)诃h(huán)形諧振器506內(nèi)傳播的波所經(jīng)歷的有效折射率。腔體518的形狀隨上述可測(cè)量參數(shù)在檢測(cè)表面519上的變化而改變，可變化間隙的變化改變了諧振器506的諧振頻率。例如模塊504可以形成在諧振器506上的隔膜。波導(dǎo)512上的輸出信號(hào)被耦合到檢測(cè)器和處理器。根據(jù)上述該結(jié)構(gòu)可以用于CW或脈沖模式的運(yùn)行。
對(duì)于在本技術(shù)領(lǐng)域熟練的普通人士而言，光學(xué)傳感器500的許多替代都是顯而易見的。例如，在諧振器506的表面可以形成一個(gè)Bragg光柵以進(jìn)一步使來自波導(dǎo)512的輸出信號(hào)的帶寬更狹窄或在其它方面影響運(yùn)行。諧振器506可以摻雜以提供整體激光發(fā)射作用，或環(huán)形諧振器506可以被連接到一個(gè)外部激光器以提供可變化頻率的輸出。另外，可以應(yīng)用同軸環(huán)形諧振器以補(bǔ)償例如溫度的起伏。當(dāng)每個(gè)同軸環(huán)形諧振器有因不同的幾何形狀(在本場(chǎng)合為半徑)而引起的不同的壓力靈敏度時(shí)，這樣的替代就尤其有用。
甚至更進(jìn)一步，光學(xué)傳感器500可以由存在于腔體518相對(duì)側(cè)面上的相對(duì)的對(duì)稱的和完全一樣的環(huán)形諧振器形成。兩個(gè)波導(dǎo)將起到一個(gè)帶有一個(gè)可變化內(nèi)部間隙的單獨(dú)模式的波導(dǎo)的作用。圖16顯示了一個(gè)實(shí)施例的剖面圖，該實(shí)施例中，在腔體518上以及在環(huán)形諧振器506上設(shè)置一個(gè)第二環(huán)形諧振器520。
替代圖14顯示的雙模塊結(jié)構(gòu)，光學(xué)傳感器500可以個(gè)單襯底結(jié)構(gòu)，即沒有模塊制成。在這里，可以應(yīng)用多重步驟工藝，在該工藝中，先生長(zhǎng)襯底層的第一部分，然后進(jìn)行注入或刻蝕以形成整體的環(huán)形諧振器和必要的波導(dǎo)，再然后進(jìn)行后繼的生長(zhǎng)步驟以在傳感器的頂部表面形成腔體。
第一模塊502由圖17的光子晶體模塊530替代形成。模塊530有一個(gè)主波導(dǎo)532，一個(gè)諧振器534和一個(gè)第二級(jí)波導(dǎo)536。模塊530可以和模塊504一起使用而作為模塊502的替代，或模塊530可以在一個(gè)一體化的結(jié)構(gòu)中和一個(gè)可變化間隙一起形成。諧振器534通過光子晶體陣列中間隔的變化而制成，正如本技術(shù)領(lǐng)域所已知。
波導(dǎo)532，536和諧振器534以2D光子晶體點(diǎn)陣陣列方式制成。光子晶體基本上由重復(fù)序列的元素構(gòu)成，在該序列中每一個(gè)元素的尺度都相似于或處在在該序列中傳播的光的波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)。光子晶體是理想的，因?yàn)樗鼈兗词乖诓▽?dǎo)的角上也有嚴(yán)格的模式限制和低的損耗。它們也能允許進(jìn)行消散耦合。結(jié)果，模塊530成為一種低損耗光學(xué)耦合器，諧振器534是一種高Q值諧振器。
模塊530以穴或柱538的2D陣列制成，這些空穴或柱構(gòu)成了三角形的點(diǎn)陣取向。該陣列可以用已知的光子晶體形成技術(shù)形成。例如，經(jīng)校準(zhǔn)的平行光束可以穿透光學(xué)襯底材料的孔。采用電子束直接在薄膜或異質(zhì)結(jié)構(gòu)上畫需要刻蝕圖形的平版印刷工藝也是已知的。所形成的2D光子晶體陣列限定了諧振器534以及波導(dǎo)532，536，因此，可以采用單一工藝步驟同時(shí)制成這樣三種結(jié)構(gòu)。
在模塊530中，在主波導(dǎo)532中傳播的激光信號(hào)將消散耦合進(jìn)到環(huán)形諧振器534。如本文中敘述的其他諧振器，諧振器534可以由激光發(fā)射材料或非激光發(fā)射材料形成。來自諧振器534的信號(hào)耦合到波導(dǎo)536。模塊530最好和外部腔體518一起使用，這時(shí)，檢測(cè)表面519上的變化將改變腔體518的可變化間隙和來自諧振器534的諧振器信號(hào)的頻率。
雖然圖14-17的實(shí)施例顯示了一個(gè)主波導(dǎo)或輸入波導(dǎo)和一個(gè)第二級(jí)波導(dǎo)或輸出波導(dǎo)，但可以理解的是，也可以如圖7只用單個(gè)波導(dǎo)。
圖18顯示了光學(xué)傳感器600的另一個(gè)實(shí)施例。該光學(xué)傳感器600由一個(gè)垂直腔體表面發(fā)射激光器(VCSEL)602構(gòu)成，該激光器的輸出與外部諧振器604相耦合。該VCSEL 602示例性地包括一個(gè)有源區(qū)域606和兩個(gè)反射器612和614，在優(yōu)選實(shí)施例中，每一個(gè)反射器都是分布Bragg反射器層。諧振器604是一種以內(nèi)部全反射原理工作的微盤諧振器，因此有低的損耗和高Q值。諧振器604有一個(gè)限定可變化間隙的腔體620，該可變化間隙隨檢測(cè)表面616上可測(cè)量參數(shù)的變化而變化。諧振器604安裝在VCSEL 602的頂部表面以接收來自VCSEL 602的輸出。通過實(shí)例的方式，顯示的透明的電介質(zhì)622也可用于該目的。為了容易包裝和在實(shí)際應(yīng)用中安置，整個(gè)傳感器600可以安裝在襯底或支撐層624上。
在該實(shí)施例中，來自諧振器604的輸出取決于其諧振頻率。該諧振頻率是腔體620的可變化間隙的函數(shù)，而該可變化間隙是可測(cè)量參數(shù)如壓力和溫度的函數(shù)。VCSEL的輸出耦合到高Q值微盤604以確定VCSEL 602的頻率。
可以從上述看到，文中顯示了一種高Q值光學(xué)諧振器，該諧振器的諧振頻率取決于諸如壓力，溫度，流率，力，材料成分或應(yīng)力的可測(cè)量參數(shù)。諧振器的諧振頻率通過使激光器鎖定到諧振頻率來確定激光器的輸出頻率，或該諧振頻率可以確定起濾波器作用的諧振器的輸出。任何一種輸出都取決于在檢測(cè)表面上的可測(cè)量參數(shù)，并且都能被用于計(jì)算可測(cè)量參數(shù)的絕對(duì)的或差分的值。諧振器可以用激光器外部的光學(xué)媒介形成，或者光源或光學(xué)媒介可以在作為激光器腔體和諧振器的源的內(nèi)部。上述多種波導(dǎo)都包括如僅依賴于內(nèi)部全反射的微盤和微球體的電介質(zhì)諧振器，也包括具有用以限制傳播信號(hào)的波導(dǎo)的諧振器。除了所顯示的以外，其他的諧振器結(jié)構(gòu)也將是很明顯的。
上面敘述了本學(xué)說的許多應(yīng)用，其他的各種應(yīng)用也將是明顯的。所敘述的光學(xué)裝置的高精確度很好地適用于工業(yè)過程以及流體系統(tǒng)的應(yīng)用，尤其適用于基于電子電路的常規(guī)半導(dǎo)體傳感器經(jīng)常不能工作的小信號(hào)強(qiáng)度的應(yīng)用。在一種應(yīng)用中，可以應(yīng)用一種光學(xué)遠(yuǎn)程壓力傳感器，該傳感器中光學(xué)諧振器代替一個(gè)充油的毛細(xì)管。另一種應(yīng)用包括ΔP流量表，可用于測(cè)量物理分開位置上的壓力，該表用于確定壓力的變化。相比較，常規(guī)的ΔP傳感器需要一個(gè)充油的隔離系統(tǒng)以將兩個(gè)物理分開的壓力耦合到一個(gè)共同的傳感器中。光學(xué)傳感器也適用于在常規(guī)的傳感器和電子電路不能工作的高溫應(yīng)用場(chǎng)合下的壓力測(cè)量，例如，測(cè)量噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的壓力，測(cè)量油井的壓力和測(cè)量蒸汽的壓力。所顯示的結(jié)構(gòu)也能用于ΔP發(fā)射器，其中ΔP必須在高線壓(AP)下測(cè)量的。這里可以應(yīng)用高靈敏度的雙AP光學(xué)傳感器。甚至進(jìn)一步，在因?yàn)殡姎飧蓴_或安全的原因常規(guī)導(dǎo)線不適用的溫度測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合，現(xiàn)在也能通過應(yīng)用所有的光學(xué)傳感器而達(dá)到目的。其他的傳感器應(yīng)用包括應(yīng)用光學(xué)傳感器來測(cè)量流率和材料成分。
只要不背離本發(fā)明的應(yīng)有的范圍和精神，對(duì)所揭示的實(shí)施例可以作出很多另外的變化和修改。上文討論了一些變化的范圍。其他的范圍從附后的權(quán)利要求中可以變得更為清晰。
權(quán)利要求
1.一種和其特征在于重復(fù)率的傳播脈沖激光能量的模式鎖定的激光源一起使用，用于測(cè)量可測(cè)量參數(shù)的光學(xué)傳感器，其特征在于，該光學(xué)傳感器包括一個(gè)為接受至少一部分脈沖激光能量而設(shè)置的光學(xué)諧振器，該光學(xué)諧振器有一個(gè)響應(yīng)在檢測(cè)表面上可測(cè)量參數(shù)變化的檢測(cè)表面，并且該光學(xué)諧振器限定一個(gè)腔體，該腔體形成一個(gè)可變化的間隙，該間隙隨檢測(cè)表面而變化，該間隙的定位使脈沖激光能量的重復(fù)率隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，光學(xué)諧振器進(jìn)一步包括一個(gè)用于傳播至少一部分激光能量的波導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，波導(dǎo)進(jìn)一步包括一個(gè)核芯和一個(gè)圍繞核芯的包覆層，因此至少一部分激光能量在該核芯內(nèi)在內(nèi)部全反射下傳播。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，腔體至少部分設(shè)置在核芯內(nèi)。
5.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，腔體完全設(shè)置在包覆層內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，光學(xué)諧振器進(jìn)一步包括一個(gè)在該光學(xué)諧振器入口端的第一反射器和一個(gè)在該光學(xué)諧振器出口端的第二反射器。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，光學(xué)諧振器包括一個(gè)環(huán)形諧振器。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，環(huán)形諧振器由光纖制成。
9.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，環(huán)形諧振器制成在一個(gè)光學(xué)襯底上。
10.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，環(huán)形諧振器采用光子晶體結(jié)構(gòu)制成。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，諧振器是一個(gè)電介質(zhì)諧振器。
12.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，可測(cè)量參數(shù)從由壓力，溫度，流率，材料成分，力和應(yīng)力構(gòu)成的集合中選擇。
13.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，光學(xué)諧振器包括一個(gè)微盤。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，激光源是一個(gè)采用垂直腔體表面發(fā)射激光器形式的分布反饋激光器。
15.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，光學(xué)諧振器是一個(gè)微球體，該微球體具有一個(gè)第一半球體和一個(gè)由可變化間隙隔離分開的第二半球體，檢測(cè)表面是該微球體的外殼。
16.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，光學(xué)諧振器是一個(gè)微球體，該微球體設(shè)置在一個(gè)形成在一個(gè)電介質(zhì)模塊中的接收腔體內(nèi)，該電介質(zhì)模塊有一個(gè)膜，該膜隨在檢測(cè)表面上可測(cè)量參數(shù)的變化而屈曲從而改變激光能量的重復(fù)率。
17.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，傳感器進(jìn)一步包括一個(gè)用于測(cè)量激光能量的重復(fù)率的測(cè)量裝置。
18.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，光學(xué)諧振器在模式鎖定激光源的外面。
19.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)傳感器，其特征在于，光學(xué)諧振器在模式鎖定激光源的內(nèi)部，形成一個(gè)模式鎖定激光源的激光器腔體。
20.一種和一個(gè)激光源一起使用，用于測(cè)量可測(cè)量參數(shù)的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，該光學(xué)傳感器裝置包括一個(gè)具有根據(jù)在檢測(cè)表面上可測(cè)量參數(shù)變化的檢測(cè)表面的光學(xué)諧振器，該光學(xué)諧振器限定一個(gè)取決于在檢測(cè)表面上可測(cè)量參數(shù)變化的諧振頻率，該光學(xué)諧振器的設(shè)置使來自光學(xué)傳感器裝置的激光信號(hào)有一個(gè)諧振頻率上的頻率，該光學(xué)諧振器進(jìn)一步限定一個(gè)腔體，該腔體形成一個(gè)可變化的間隙，該間隙隨檢測(cè)表面而變化。
21.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，光學(xué)諧振器在激光源的內(nèi)部并形成一個(gè)該激光源的激光器腔體。
22.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，光學(xué)諧振器形成一個(gè)在激光源外部的諧振器。
23.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，光學(xué)諧振器進(jìn)一步包括一個(gè)用于傳播至少一部分激光信號(hào)的波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括腔體。
24.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，波導(dǎo)進(jìn)一步包括一個(gè)核芯和一個(gè)圍繞核芯的包覆層，因此至少一部分激光信號(hào)在該核芯內(nèi)在內(nèi)部全反射下傳播。
25.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，光學(xué)諧振器進(jìn)一步包括一個(gè)在該光學(xué)諧振器的入口端的第一反射器和一個(gè)在該光學(xué)諧振器的出口端的第二反射器。
26.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，光學(xué)諧振器包括一個(gè)環(huán)形諧振器。
27.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，可測(cè)量參數(shù)從由壓力，溫度，流率，材料成分，力和應(yīng)力構(gòu)成的集合中選擇。
28.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，激光源是一個(gè)分布反饋激光器并且光學(xué)諧振器是一個(gè)微盤。
29.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，光學(xué)諧振器是一個(gè)微球體，該微球體有一個(gè)第一半球體和一個(gè)由可變化間隙隔離分開的第二半球體，該間隙隨檢測(cè)表面上可測(cè)量參數(shù)的變化而變化，該檢測(cè)表面是該微球體的外殼。
30.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，光學(xué)諧振器是一個(gè)微球體，該微球體設(shè)置在一個(gè)形成在一個(gè)電介質(zhì)模塊中的接收腔體內(nèi)，該電介質(zhì)模塊有一個(gè)膜，該膜隨在檢測(cè)表面上可測(cè)量參數(shù)的變化而屈曲。
31.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)用于測(cè)量激光信號(hào)頻率的測(cè)量裝置。
32.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，光學(xué)諧振器是一個(gè)電介質(zhì)諧振器。
33.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，光學(xué)諧振器由一種激光發(fā)射材料制成。
34.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)傳感器裝置，其特征在于，光學(xué)諧振器由一種非激光發(fā)射材料制成。
35.一種基于一個(gè)可測(cè)量參數(shù)用于調(diào)制產(chǎn)生一個(gè)激光能量的激光源的輸出的裝置，其特征在于，該裝置包括一個(gè)為接收激光能量而耦合的耦合器；和一個(gè)其特征在于隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化的諧振頻率的外部高Q值諧振器，該高Q值諧振器與耦合器相耦合，用于將激光信號(hào)調(diào)制成具有該高Q值諧振器諧振頻率的頻率的信息攜帶激光信號(hào)。
36.如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，耦合器是波導(dǎo)耦合器。
37.如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，可測(cè)量參數(shù)從由壓力，溫度，流率，材料成分，力和應(yīng)力構(gòu)成的集合中選擇。
38.如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，激光源有一個(gè)其特征在于一個(gè)第一Q值Q1的激光器腔體，高Q值諧振器的特征在于一個(gè)第二Q值Q2，該值基本上高于Q1。
39.如權(quán)利要求38所述的裝置，其特征在于，Q2至少為100。
40.一種可變化頻率諧振器，其特征在于，該諧振器包括一個(gè)光學(xué)諧振器，該諧振器有一個(gè)檢測(cè)表面和一個(gè)波導(dǎo)，該波導(dǎo)有一個(gè)限定一個(gè)可變化間隙的腔體，該光學(xué)諧振器的特征在于一個(gè)取決于可變化間隙的諧振頻率，該可變化間隙的設(shè)置能隨檢測(cè)表面上可測(cè)量參數(shù)的變化而改變光學(xué)諧振器的諧振頻率。
41.如權(quán)利要求36所述的可變化頻率諧振器，其特征在于，光學(xué)諧振器進(jìn)一步包括一個(gè)設(shè)置在波導(dǎo)的入口面的第一反射器和一個(gè)設(shè)置在波導(dǎo)的出口面的第二反射器，其中第一反射器和第二反射器限定通過該波導(dǎo)的諧振長(zhǎng)度。
42.如權(quán)利要求40所述的可變化頻率諧振器，其特征在于，波導(dǎo)是一個(gè)有一個(gè)核芯和一個(gè)包覆層的光纖。
43.如權(quán)利要求40所述的可變化頻率諧振器，其特征在于，波導(dǎo)是一個(gè)環(huán)形諧振器。
44.如權(quán)利要求40所述的可變化頻率諧振器，其特征在于，波導(dǎo)可采用光子晶體制成。
45.一種檢測(cè)一個(gè)可測(cè)量參數(shù)的方法，其特征在于，該方法包括的步驟為提供一個(gè)激光信號(hào)；提供一個(gè)其特征在于一個(gè)諧振頻率的諧振器；提供一個(gè)隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化的可變化間隙，其中可變化間隙的變化改變諧振頻率；通過諧振器來傳播至少一部分激光信號(hào)，使得該激光信號(hào)有一個(gè)諧振頻率上的頻率；和檢測(cè)可測(cè)量參數(shù)的變化，使得所述檢測(cè)到的可測(cè)量參數(shù)的變化改變激光信號(hào)的頻率。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，諧振器由一種電介質(zhì)材料形成，并且其中提供諧振器的步驟進(jìn)一步包括的步驟為在電介質(zhì)材料的入口面放置一個(gè)第一反射器；和在電介質(zhì)材料的一個(gè)出口面放置一個(gè)第二反射器，其中第一反射器在激光信號(hào)的頻率上部分透射。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于，電介質(zhì)材料是一個(gè)光纖，該光纖有一個(gè)入口端和一個(gè)出口端，并且提供諧振器的步驟進(jìn)一步包括的步驟為在入口端形成一個(gè)第一Bragg反射器；和在出口端形成一個(gè)第二Bragg反射器。
48.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，激光信號(hào)由一個(gè)激光源產(chǎn)生并且諧振器在該激光源外部，傳播激光信號(hào)的步驟進(jìn)一步包括將激光信號(hào)從激光源耦合到諧振器。
49.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，諧振器由激光發(fā)射材料制成。
50.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，其中檢測(cè)可測(cè)量參數(shù)變化的步驟包括提供一個(gè)和可變化間隙聯(lián)通的檢測(cè)表面的步驟。
51.一種檢測(cè)一個(gè)可測(cè)量化參數(shù)的方法，其特征在于，該方法包括步驟為提供一個(gè)其特征在于一個(gè)重復(fù)率的脈沖激光信號(hào)；提供一個(gè)諧振器；提供一個(gè)隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化的可變化間隙；通過諧振器傳播至少一部分脈沖激光信號(hào)；和檢測(cè)可變化間隙的變化，使得脈沖激光信號(hào)的重復(fù)率隨可變化間隙的變化而變化。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，諧振器由一種電介質(zhì)材料形成，并且其中形成諧振器的步驟進(jìn)一步包括步驟為在電介質(zhì)材料的入口面放置一個(gè)第一反射器；和在電介質(zhì)材料的出口面放置一個(gè)第二反射器，其中第一反射器在激光信號(hào)的頻率上部分透射。
53.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，電介質(zhì)材料是一個(gè)光纖，該光纖有一個(gè)入口端和一個(gè)出口端，并且提供諧振器的步驟進(jìn)一步包括步驟為在入口端形成一個(gè)第一Bragg反射器；和在出口端形成一個(gè)第二Bragg反射器。
54.如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，檢測(cè)變化的步驟進(jìn)一步包括提供一個(gè)和可變化間隙聯(lián)通的檢測(cè)表面的步驟。
55.如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，脈沖激光信號(hào)由一個(gè)模式鎖定激光源產(chǎn)生并且諧振器在該模式鎖定激光源外部，傳播脈沖激光信號(hào)的步驟進(jìn)一步包括將至少一部分脈沖激光信號(hào)從模式鎖定激光源耦合到諧振器。
56.如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，諧振器由形成一個(gè)產(chǎn)生脈沖激光信號(hào)的模式鎖定激光源的激光發(fā)射材料制成。
57.一種和一個(gè)激光源一起使用的光學(xué)諧振器，其特征在于，該光學(xué)諧振器有一個(gè)隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化的可變化間隙，光學(xué)諧振器從光源接收光能并具有隨可變化間隙的變化改變光能的特性。
58.如權(quán)利要求57所述的光學(xué)諧振器，其特征在于，光能是一個(gè)連續(xù)波并且其特性是頻率。
59.如權(quán)利要求57所述的光學(xué)諧振器，其特征在于，光能是一個(gè)脈沖激光能并且其特性是重復(fù)率。
60.如權(quán)利要求57所述的光學(xué)諧振器，其特征在于，光源是一個(gè)LED源。
61.如權(quán)利要求57所述的光學(xué)諧振器，其特征在于，光源是一個(gè)激光源。
全文摘要
提供一種光學(xué)媒介，該媒介有一個(gè)限定一個(gè)可變化間隙的腔體。通過實(shí)例的方式，該光學(xué)媒介可用于光學(xué)傳感器，激光器和可變化頻率諧振器中。該腔體隨可測(cè)量參數(shù)如壓力，溫度，力，流率和材料成分的變化而物理改變。在一些實(shí)施例中，該光學(xué)媒介的特征在于有一個(gè)設(shè)置在靠近或在一個(gè)高Q值光學(xué)諧振器中的腔體。該光學(xué)諧振器可以由各種結(jié)構(gòu)制成，或其實(shí)例為Bragg反射器腔體，環(huán)形諧振器，微盤和微球體。光學(xué)諧振器最好與激光源相耦合。腔體的改變影響光學(xué)諧振器中的諧振器條件從而影響系統(tǒng)的激光信號(hào)。如果激光源是一個(gè)模式鎖定激光器，則脈沖系列的重復(fù)率隨可測(cè)量參數(shù)的變化而變化。如果激光源是一個(gè)CW源，則激光信號(hào)的頻率取決于可測(cè)量參數(shù)。
文檔編號(hào)H01S5/183GK1488068SQ01822313
公開日2004年4月7日 申請(qǐng)日期2001年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月28日
發(fā)明者R·L·弗里克, R L 弗里克 申請(qǐng)人:柔斯芒特股份有限公司