专利名称：光纤干涉传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物医学和其它用途的光纤传感器系统。更具体地说，本发明涉及其利用了一束光与另一束光进行相位比较的光纤传感系统，其中一束光对分析物敏感，另一束光用作为参考。通过干涉技术实行该相位比较。
在常规的光纤传感系统中，一个或多个波长的光通过光纤光导从光电基本单元传输到远端的传感元件。远端的传感元件位于将要被分析的环境中。该传感元件调制与该环境中出现的一个或多个分析物成已知比例的入射光。然后调制光通过同样的输入光纤或通过一根或多根其它光纤返回基本单元。分析物的含量可通过相对于传输到传感器的光强对从传感器返回到基本单元的光强进行定量估算而得知。使用定量光强估算的系统在这里称之为强度调制传感系统。
在一个光强调制传感系统的现有技术中，传感元件包括基本完全置于形成在多模光纤本身远端内的孔中的化学反应物质。一个或多个波长的光从光纤的近端传输到有孔的远端，在那里光与可由荧光或光衰减物质组成的化学反应物质相互作用。荧光发射的大小、或由衰减物质进行光衰减的程度通过与光纤远端接触的特定分析物的浓度成正比。荧光强度或光衰减程度可由位于光纤近端的仪器测出。
与这种类型常规强度调制传感系统有关的一个问题是光的调制可能受该分析物浓度以外的因素影响。如果在传导期间多模光纤弯折，由于在光纤内导模转换为辐射模，要损失一些传输到传感器上的光。另外，由于同样机制还可能损失一些从传感器返回的光。由于分析物含量和光调制程度间的相互关系已定，这种光损失可能作为分析物浓度的变化而被错误理解。事实上，影响在光纤中传输的光能量绝对大小的所有因素都可能被系统错误地理解为分析物浓度的变化。这些因素包括，但不限于此，照明强度的变化、在光纤耦合点传输的变化以及在传感器内诸如发光材料光学漂白的内部变化。
与某些强度调制传感系统有关的另一问题是非常低的总工作效率，经常低于10-10。这样极端低的工作效率在该系统上附加了严厉的约束。为了在这些不利条件下保持充分的信噪比，必须使用高强度照明(例如激光或电弧灯)和高效率检测器(例如电子倍增管)。为使照明与传感材料最佳匹配通常需要复杂和昂贵的波长选择装置。由于光源和检测器所需要的光谱能量和效率特性，将常规强度调制传感系统元件转变为固态光学装置的努力在生物医学传感领域尚没有特别的成功。
与某些强度调制传感系统有关的一些问题可通过使用单模保偏光纤波导形成诸如在美国专利第4，697，876号中所述的干涉传感系统加以克服。在这样的系统中，将来自诸如激光器的相干光源的光引导通过一个分束器，它将一半光送入参考光纤，将另一半光送入传感器光纤。将传感器光纤与试图检测的环境相耦合以致于光的相位由环境信号所调制。然后由第二分束器将两光纤中的光重新汇合并馈给只对该综合信号的幅度敏感的光电探测器。调节该系统在无零信号中对所反映的环境条件中的任何变化产生一个锐零。在这样的系统获得大大增强的对强度调制传感系统的环境信号的灵敏度的同时，该系统作为整体还由于系统的马赫-伦德尔结构诸如所需要的位于光纤远端的光学检测器和用以提供对非零信号进行所希望的量化的非常复杂的信号处理算法而呈现其它问题。
因此本发明的一个目的是提供不依靠强度调制的光纤传感系统以确定一个或多个分析物的浓度。
本发明的另一个目的是提供对环境和其它噪声源不敏感的光纤传感系统。
本发明还有一个目的是提供其效率充分大于常规光纤传感系统的光纤传感系统。
本发明还有一个目的是提供使用非常简单的信号处理算法对所检测的变化定量处理的光纤传感系统。
根据本发明，提供一种用于检测流体介质中一个或多个物质或分析物浓度变化的装置。该装置包括第一和第二单模光纤，至少第一光纤具有允许由其周围的介质通过该波的瞬逝分量对在光纤内传输的导光波进行相位调制的传感部分。该装置还包括将已知特性的光导入第一和第二光纤两者中的装置。另外，提供用于将从第一和第二光纤出射的光进行光学混合的装置以形成以两光纤中光之间相互相位为特征的条纹图样。提供观察该条纹图样的装置以致于可将该图样中可再现的特性变化与分析物浓度中的变化相联系。原则上本发明的焦点是在体内对一个或多个物质或分析物的浓度进行探测和测量，但该装置也可用来检测物理作用诸如压力、温度和张力，该装置预期的用途不应被认作为对本发明范围的限制。
不象常规的强度调制传感系统，本发明的光纤传感系统不依赖由分析物或任何中间化学反应物质对光纤中的光波的幅度调制。代之以，本发明通过相互比较两束特性满足的光束的相位来测量分析物浓度。携带光束之一的光纤对分析物以及噪声源敏感，携带另一束光的光纤只对噪声源敏感。分析物的含量可通过将两束光进行光学叠加以获得仅根据分析物浓度的干涉图样来得知。噪声贡献作为公共模信号在两光束中出现，对干涉图样没有影响。
通过将干涉图样导向一个检测器或检测器阵列上，以及与带有提供分析物含量指示的相位的混合光束间的相位相互关联的条纹相对空间位置来实行相位比较。借助于通过与导波瞬逝分量的相互作用对其进行相位调制，可将光衰减降低到任意低的水平。通过使用相位而不是强度测量，使对分析物含量的测量变得对由于光纤的弯折和其它强度调制作用所引起的能量损失变得不敏感。
根据本发明的系统的总效率充分高以允许完全使用廉价和可靠的固态元件。该干涉方法在接近已知技术极限的水准上提供灵敏度。这取消了对传感器大功率照明设备的要求。只要所选择的波长不接近分析物的吸收峰值该测量方法对波长(至少对第一级)不敏感，因此允许使用红外二极管激光器作为光源，使用锗或硅为基底的光传感器作为检测器。因为这种类型的固态元件广泛地用于包括远程通讯工业的各种工业中，这些元件的低成本和已经具有的可用性使它们在本发明的系统中很值得使用。
在诸如使用在本发明的干涉仪中，当光纤的光程长度变化时，传感光纤中光束的相位将变化。光程长度将理解为折射率和物理路径长度的乘积。折射率或物理路径的变化产生光程长度的变化。干涉传感器必须能对光程长度进行调制作为分析物含量的函数。可由对光纤臂之一改变物理路程长度即物理延伸的传感器来实行光程长度调制。通常，这样的物理延伸是通过改变压力、温度等获得的。然而最佳传感器是由于外部介质折射率的改变来变化光程长度的。
本发明系统的一个特征是第一光纤包括一个允许在其中传输的导波的瞬逝部分与这个传感部分周围的介质相互作用的传感部分。该光波的瞬逝分量将随着该传感部分周围介质的折射率变化而经历速度变化。这个速度变化有必要作为相对于在第二光纤中传输的未受干扰的光束的总的导光波的相位变化来表达。既然在一定线性范围分析物浓度的变化通常伴随着折射率变化，因此该系统变得对出现在其周围介质中的分析物含量敏感。
这个特征的一个优点是通过只将导光波的瞬逝部分暴露给周围介质，光束仍然封闭在光纤所限制的纤芯几何形状内而不象常规端射几何形状情况那样趋于扩散到介质中。
这个特征的另一个优点是限制了瞬逝波进入周围介质的穿透深度从而减小了与光穿过任何介质有关系的光学衰减，这样便允许低功率的原始照明系统。
该特征另一个优点是减小的能量流和浅的穿透深度使周围介质的光致衰变较小，所述周围介质的光致衰变作用通常归咎于发荧光过程期间游离基的形成，一般称之为光致漂白。光致漂白系数的减小允许使用低浓度指示器物质并延长传感器化学物质的使用寿命。
本发明的一个主要优点是既然吸收率的改变引起折射率的变化，则也可使用分析物化学物质呈现的吸收率变化而不是荧光变化。吸收型化学物质比发荧光型化学物质普通得多，因此更易与系统设计相配合。另外，在与光谱吸收峰值有关的波长上，随着在反常色散区化学物质的微小改变，折射率可大幅度变化。
本发明的系统的另一特征是提供将已知特征的光导入两个单模光纤的装置，原则上每束光是从同一相干光源例如激光获得的。该特征的一个优点是相位的任何变化不会是由于光源的扰动而一定是由于与分析物浓度有关的传感部分周围的介质中的变化。
在本发明的最佳实施例中，至少第一光纤含椭圆形纤芯和非旋转对称包层。上述结构的一个特性是借助于所提供的椭圆形纤芯，在光纤内保持导波的偏振态。上述结构的另外一个特性是借助于所提供的非旋转对称的包层，将该包层以对称方式逐渐脱去，该方法暴露纤芯的一侧而仍维持纤芯周围剩余部分的包层部分以保持必要的光纤结构完整性。
也根据本发明，提供一种检测流体介质中分析物浓度变化的方法。该方法包括下列步骤
将光纤的一部分浸没在流体介质中;
将已知特性的光导入该光纤;以及观察光纤中光的相位以检测由于流体介质中分析物浓度的变化而引起的相位变化。
这样，本发明通过使用依赖相位比较来确定分析物浓度的光纤传感系统提供了一种用于确定分析物浓度的装置和方法。该系统使用导波的瞬逝波部分使导波对外部介质中折射率变化敏感。因此瞬逝波与介质相互作用以产生被用来分析以确定分析物浓度的导波相位差。
本发明另外的目的、特征和优点将根据下面举例说明作为现在所理解的实现本发明的最好模式的量佳实施例的详细描述，对本领域技术人员变得清楚。
图1是根据本发明的光纤干涉传感器的示意图;
图2是带有图示出与其有关的光波的被蚀刻的光纤放大图;
图3是图2所示光纤被蚀刻部分的详细图;
图4是使用在本发明中传感器的一个实施例的横截面图;
图5a是具有未示出厚聚合物缓冲垫或保护层的最好使用在本发明中的光纤的透视图;
图5b是可用来改进图5a所示光纤的蚀刻技术的透视图;
图5c是在蚀刻过程后图5a所示光纤的透视图;
图6是根据本发明使用了多个波长的光纤干涉传感器的示意图;
图7是具有图示出带有与其有关的两个光波的被蚀刻光纤的放大图;
图8是根据本发明使用多个波长的光纤干涉传感器的示意图;
图9是根据本发明使用了光源光学隔离装置的光纤干涉传感器的示意图;
图10是根据本发明使用了另一种光源光学隔离装置的光纤干涉传感器的示意图;
图11是根据本发明使用了又一种光源光学隔离装置的光纤干涉传感器的示意图;
图12a是用于产生从中可确定相位变化方向的干涉场的光纤系统的示意图;
图12b是用于产生从中可确定相位变化方向的另一个干涉场的光纤系统的示意图;
图13是根据本发明使用了马赫-伦德尔和迈克尔逊干涉信号以测定光源和分析物两者的光纤干涉传感器的示意图。
图1示意性地示出根据本发明的基本光纤干涉传感器系统10。该系统10是基于迈克尔逊干涉仪的原理。该系统10包括一个在最佳实施例中可以是固态红外激光二极管的激光二极管光源12。这样的红外激光二极管一般可用在远程通讯工业中，某些可适用于本系统10的应用。这样的红外激光二极管一般具有高效率、低功率要求、长寿命、某些波长可调、光学相干性、本征偏振、高亮度、紧凑轨迹和低成本的特性。
单模光纤16是提供用来接收激光二极管光源12的输出。该光源光纤16与在市场上可获得的光纤耦合器20连接，象本领域技术人员所理解的，该耦合器将输入光束分配到两个或多个输出光纤。耦合器20保持输入光束的相位和频率信息，但由于输入光束在每个输出光纤间分束故其幅值减小。在图示的实施例中，有两根输出光纤24和26。具体地说，光纤24称作为传感光纤，光纤26称作为参考光纤。光纤24和26都是与第一光纤16相似(尽管不要求结构上一样)的单模光纤。另外，所有光纤16、24和26最好都是保偏光纤，即其中保持激光束的偏振态的光纤。一个用于使光纤16、24和26获得这种保偏特性的特定结构将在下面参照图5a加以讨论。
传感光纤24有一位于其远端的传感元件30。从广义上说，传感元件30可以是位于邻近传感光纤24远端的某类传感介质，它以已知方式与分析物作用使传感介质中折射率变化。另外，传感元件30可以是具有以已知方式随分析物浓度变化而变化的折射率的液体的邻近体积。在这两种情况下，通过将光束的瞬逝部分暴露给传感介质可检测出传感介质或传感元件30中折射率的变化。有关波的瞬逝部分的使用和其特性将参照图2和3在下面加以讨论。
参考光纤26有一位于其远端的参考元件32。参考光纤26和传感光纤24一般与端面反射器(未示出)端接，该反射器使各光纤内所携带的光束反向重新返回耦合器20。在耦合器20处，两束返回光束混合，或更正确地说是相互叠加，以致于可以进行相位比较。相位关系以由两束返回光束的自相关产生的干涉场为特征。既然两束返回光束受限于单模光纤中，在两束光间没有相对倾斜，所产生的干涉呈现一个“复合点”(“recombinant spot”)而不是“平行条纹”状态。
提供一个检测单元36由光纤34连接到耦合器20的输出端，光纤34不需要是保偏的。光纤34和检测器单元36接收通过传感和参考光束在耦合器20产生的复合光波。在任何时刻由检测器单元36测出的叠加波的振幅代表对于每束光的给定偏振角传感和参考光束间的相对相位。如果其中一束光移动的光程平滑地变化二分之一波长，两束光间的相对相位将以正弦波形式从0移到2π弧度。这将引起由检测器单元36检测到的叠加波振幅的变化，类似于在倾斜波干涉中所观察到的由垂直移动正弦条纹场所检测到的。该半波长重复周期是由于迈克尔逊干涉仪的双程性质的原因。
对于在同一偏振角下等能量的完全相干的传感和参考光束，“完全”相消和相长干涉将随着叠加波的合成强度作为相位的函数在零和光源的输入强度间移动而发生。常用的可见系数用作为叠加效率或“完美性”的度量。对于完全相长和相消干涉可见系数为1并随着效率降低减少到零。叠加效率的任何降低一般可归因于两光束间偏振角未对准、能量不相等或相干性不平衡。
光纤34上所携带的输出光束代表传感和参考光束的光学叠加，照射到检测器36上，检测器36产生一个正比于检测器上输入叠加光束光强度的输出电信号38。其中一束光束的光程长度的变化导致检测单元36的输出38的变化，该输出也是反映干涉仪半波长相位关系的正弦变化值的信号。如前面所指出的，传感光束所经历的光程变化是传感单元30的折射率任何变化的结果。这样，从信号输出38可获得折射率的变化以及接着的分析物的含量或存在的测量。
图1所示的迈克尔逊干涉仪设计优越于其它类型的干涉仪。首先，具有使光束传导反向并重新返回光源的端面所射器允许将光纤端放置于分析物处而光电基本元件(例如激光二极管12和检测器36)可位于较远的位置。这与马赫-伦德尔结构成对比，在其结构中光学检测器必须位于在光纤的远端。第二，由于在迈克尔逊型干涉仪中光束通过同一光纤长度两次，与马赫-伦德尔干涉仪的单程设计相比，光路对干扰比其灵敏两倍。第三，耦合器20与传感元件30或参考元件32间光纤整个长度分别是或可制成干涉灵敏，使双绕传感器设计与其它设计的短法布里-珀罗多通腔相比展示改进的灵敏度。第四，由迈克尔逊结构产生的干涉图样具有好的正弦特性。其它类型的干涉仪结构导致更复杂的图样，它需要使用更复杂的信号处理算法以提供所希望的测量。
如前面所指出的，可以构造一种用在本发明中的传感器，其中光程长度的变化可通过物理路径长度的变化来获得。例如，将酶添加到光纤干涉仪的一个臂中的光纤上，该酶使被酶作用物转变为生成物，该通常发热反应将使局部温度上升。这种温度上升将使光纤膨胀从而改变物理路径长度。这例如伴随着添加到光纤上的葡萄糖氧化酶中游离葡萄糖氧化成氢过氧化物和葡萄糖酸而发生。然而，如可从前面讨论中所知道的，仅依赖于物理路径长度变化的干涉传感器限于检测物理特性的变化，诸如压力、温度以及弯折或拉应力。基于折射率调制的传感器不限于周围环境中绝对物理特性的变化，也能用于测量化学物质或分析物的浓度。因此，可测出任何导致传感介质折射率变化的分析物含量变化。
一种特别有益的设计是基于使用导光波瞬逝部分的折射率调制的干涉传感器。已知单模导波的瞬逝部分包括延伸到纤芯/包层边缘外进入较低密度介质的行波，该行波象在光纤纵向的行波一样传播。该瞬逝部分具有在横向的一到两个波长内渐近零的K阶贝塞尔或马蒂育函数电场振幅。这是与现有技术和阶跃折射率多模波导有关系的离散瞬逝场相比较，其中瞬逝强度在每一包层反射处以指数规律下降进入到较低密度介质，并且除了小的限定的Goos-Hanchen位移，不象在纵向的行波一样传播。
能不进入光纤芯而到达利用瞬逝波的目的。图2图示了包括外包层46和内芯48的单模光纤44的截面。图示的蚀刻区50，将大部分包层46蚀刻掉只留下一小层包层围绕在纤芯48周围。示意性地示出光波的单个波前52以图示出由光纤44所传输的光能量在光纤模断面上的分布。
图3更详细地示出图2所示的蚀刻区50的一部分。具体地说，图3示意性地图示出光波52内的光能量分布。纤芯48外面的能量部分定义为瞬逝场并由标号58标志。导波场60是包含在纤芯48内的光波部分。根据对稳定导波模式、光纤数值孔径、截止波长和V参数的拟定，一般认为在单模光纤中流动的光能量的约30%出现在瞬逝场58中而约70%的光能量包含在导波场60中。瞬逝场的穿透深度由许多因素控制，包括波长、外部折射率、选择性反射膜层、光源能量等。
如在图2和3中可见的，可以使用光纤44内光波的瞬逝波部分，必须将光纤44蚀刻为暴露纤芯本身，或者蚀刻到将大部分包层除去的程度以致瞬逝波延伸通过剩余的包层因此可以利用。由于进入瞬逝部分58，周围介质中折射率的变化会影响光波52的瞬逝波部分58。由于周围介质折射率变化因此导致波的瞬逝部分光程长度的变化，影响光纤44内整个光波52从而产生可由图1中示出的系统10测出的相位差。既然折射率对光程长度具有本征作用，系统10比诸如先前讨论的与葡萄糖氧化酶传感器相关的热膨胀的非直接或非本征作用更灵敏因而测量更可靠。
图4图示出典型的可用于图1中所示的系统10的内部传感器结构。具体地说，图4图示了压力传感器84，它将理解为代表图1的传感器元件30。压力传感器84包括一个附加在光纤24端部86的传感元件88。如在图4中所见，光纤端部86周围的大部分包层90已通过蚀刻或其它方法被除去，将传感元件88放在包层90被除去的区域中。将会知道已除去足够的包层90部分以暴露光纤24所携带的导波的瞬逝波分量。在图示的实施例中，将光弹性元件96放置在蚀刻区周围以形成传感元件88。将反射器98置于纤芯92的端部以将光束反射回耦合器20。提供一个填充物端100以构成压力传感器84的结构完整性，保护反射器98，并为血液动力学流动参数的优化提供平滑变化的横截面。
说明性地，例如由诸如磷化镓(GaP)材料构成的光弹性元件96一旦遭受压力便经历一个传播恒定变化。由光纤24所携带波的瞬逝部分穿透到光弹性元件96中，在那里它受材料的本征传播常数的控制。在没有所施加的压力时，传感器部分30的有效折射率由纤芯92折射率、剩余包层90折射率和周围的光弹性元件96的折射率的综合贡献所决定。因此在光纤24传输的传感波相对于在光纤26中传输的参考滤呈现稳定的相位。一旦在该传感器上施加压力，传感材料的光弹性常数受到正比于所施加压力大小和方向的数值的调制。传感波所通过的综合折射率因此改变，在传感和参考波间的相对相位中产生相应的变化。如前面所讨论的当两个波在耦合器20中混合后可在单元36检测出相位关系的变化，相位的变化与所施加的压力相互关联。
元件96也可选择为对诸如二氧化碳的一种或多种有益气体是可渗透的。在诸如聚丙烯酰胺的聚合体中体折射率可变为气体浓度或局部压力的函数。可将离子渗透膜或对所选择的物质半透膜加到传感元件96上。在温度传感器情况中最好是完全不可渗透膜层，例如金属层，这里元件96由为随着所施加的温度有大的折射率变化所选择的混合物组成。具体地说，该元件可由一种或多种如二氯甲烷、三氯乙烯或四氢呋喃的有机溶液组成，它们都具有相当大的折射率/温度系数。
已知各种其它使可用在本发明的中材料的体折射率发生变化的化学和生物化学反应。通常，可选择所使用的与任何这样的传感器有关的光波长位于正常或反常色散光谱区，但不应正好与吸收率峰值对应，因为在该波长反常色散系数对于吸收系数几乎不变化。最佳工作波长位于相对于波长化学吸收率变化速率最大处，一般出现在光谱吸收峰值任一侧1到25毫微米间。
与如在图2-4所示的蚀刻光纤有关的一个问题是当包层46被蚀刻而展示出纤芯48时，光纤基本上失去其所有强度而易于折断。将会知道纤芯48的尺寸非常小，当没有支撑时几乎没有强度。因此，一般不希望如图2所示的蚀刻，特别在将蚀刻光纤44用在人体内测量身体流体成分含量等时。获得进入在光纤内传输的波的瞬逝部分的一个方法是从如图5a所示的D形光纤开始。
具体地说，图5a图示了一个D形光纤64，它包括外层66和椭圆形纤芯68。光纤64有一平面侧面70，它比其对面弯曲侧面72更靠近纤芯68。因为在纤芯68和平面侧面70间出现的包层材料66较少，在诸如氢氟酸蚀刻槽的蚀刻槽中对光纤64的蚀刻导致纤芯的非对称暴露。将平面部分70蚀刻到纤芯68，以致于可以暴露一部分导波的瞬逝部分，同时光纤的剩余部分在该蚀刻过程中没有很大的削弱。D形光纤可从Andrew公司(Orland Park，Illinois)获得，它适合于该应用。
图5b图示了蚀刻过程，具体地示出含在一个非陶瓷容器76中的蚀刻溶剂74。说明性地，该蚀刻溶剂74是10%～40%的氢氟酸溶液。为完成蚀刻，将一段D形光纤64浸在蚀刻溶液中一段时间，根据酸的浓度和温度等，该段时间可在5到45分钟之间。这段时间由将包层66从光纤64的平面侧面蚀刻掉直到暴露足够的纤芯68部分，或者到至少除去包层66直到可获得所希望的导波的瞬逝部分所需要的时间所确定。
一种确定将光纤64保持在蚀刻溶液74中准确时间量的方法是使用如前所述的在图1中所示出的干涉传感器系统10。这样，如果将被蚀刻的光纤64用作为图1的传感光纤24，在瞬逝波显露前，光纤24和26两者中的光束具有固定的相位关系。一旦通过蚀刻过程显露出瞬逝波部分，该相位关系将变化。该相位关系的变化由所显露的、受由蚀刻溶液74产生的折射率变化影响的瞬逝波部分引起。因此，一旦发现相位关系发生变化，立刻从蚀刻溶液74中移出光纤64并通过将其浸入诸如碳酸氢钠水溶液的稀释的碱中以停止蚀刻过程再随后浸入蒸馏水中。以这种方式可从任意深度开始蚀刻过程，确保显露所需要的瞬逝波部分。
图5C图示了根据上述过程已蚀刻的蚀刻光纤78。虽然图5C示出已显露纤芯68，但会知道有一小部分包层66可留在纤芯68上并仍可进入瞬逝波部分。可将前面结合图4讨论的类型的传感器加到D形光纤上。另外，在加了反射器98后，可将蚀刻D形光纤仅侵入预计要经历体折射率变化的有益的环境中，从而可由显露的导波的瞬逝部分直接检测出该变化。
尽管上述实施例涉及能用来测量体内或许多其它类型环境中的分析物浓度或含量的可用传感器系统，但存在一些与这样的传感系统有关的问题。与单模光纤相关的一个问题是由于传导是通过比较两个超高频光束的相位完成故对光程长度的变化非常敏感。各种环境作用，包括大气压力和温度的变化、光耦合器的移动以及不希望的光源变化，都可能引起附加相位变化。这些附加相位变化统称为“相位噪声”。
大部分相位噪声可通过将图1所示的干涉仪的臂24和26两者暴露到相同环境而减至最小。这可通过将最好是长度相同的臂24和26两者封装在公共套或包皮中，或者通过将臂24和26两者的包层粘接在一起来实行。再者，相对于传感臂24进行的所有物理变更也相对于参考臂26进行。这包括任何应对两个臂所进行的化学铣削或蚀刻以显露导波的瞬逝部分。将两个铣削或蚀刻部分封闭在具有相同的稳定折射率的材料中，该材料对有兴趣的分析物、温度、折射率系数等具有相同的色散系数。只应将传感臂24上的材料处理成具有该分析物所要求的特定活性以在有该分析物时增强折射率的变化。这通常确保将两个臂暴露到诸如压力和温度变化的相同环境作用中。
这不能消除在可预期光纤弯折场合中的相位噪声问题，例如，在用光纤将光电基本单元与病人相连的医院床边监测装置中。干涉仪臂内光纤的弯折可使相位噪声足够大以遮蔽分析物所致的光程长度的变化。尽管将两个臂粘接或封装在公共套中，光纤在其变形时对弯折噪声敏感。几乎在任何弯折应力下，因为每根光纤相对于弯折的曲率中心位于稍微不同的半径位置，弯折光纤必然受到不同的应力。在相同弯折条件下对于每根光纤不同的应力转变为不同的光程长度变化，导致相位噪声。仅通过机械构造有效地从光纤干涉仪消除所有机械所致相位噪声是不可能的，甚至在将臂相互拧绕或形成共挤压共轴波导的时候。
补偿环境所致相位噪声的一种方法是使用多个照明光源，为实现比率测量(ratiometric measurement)将每一个光源多路传输到干涉仪上。在耦合器20叠加后根据波本身各种不同特征多路解调成不同波。电磁波的三个主要特征是振幅、频率和偏振角，在某种意义上从这三个主要特征可导出所有其它特征(例如，波长、在给定介质中的速度等)。因此，可将多路传输到干涉仪上带有一个或多个特征的单个波或复合波用于比率测量稳定系统，通过所设计的光学或电子元件进行多路解调以根据所定义的波的特征提取一个特定的波。电磁波的任何特征可用来对相关干涉图进行选择性多路传输和多路解调，只要可用光电系统或装置能根据其特征在各种多路传输波间识别。
例如，可通过光源光纤16将两个不同频率(“颜色”，直接与波长有关)的光源一起引入同一干涉仪。两束光在端反射器98进行反射并如前在耦合器20中重新结合，其中每一频率下发生干涉导致每个在各自照明光源的波长的两个叠加、共线的干涉图。然后通过光纤34将两个共线干涉图传递到检测器单元36。如果将一个名义上具有位于两光源之一的波长中心的通带的波长选择滤光器置于检测器单元36的前面，于是检测器变得只对由相关光源得到的干涉图敏感而对共线干涉图不敏感。
叠加原理保证两束在干涉仪中传导的波之间不会发生相互干涉。因此，在检测器前放置波长选择滤光器消除了共线干涉图的共同影响。如果改变滤光器通带使第二波长可传导到检测器而第一波长受阻，则对第二干涉图有同样情况。
如图6所示，通过由耦合器单元42将光纤34分束为光纤33和35，分别照明分离的检测器单元37和36可获得可使用的比例测量系统。检测器单元36和37分别装有设计成接收一个波长、截止另一波长的波长选择滤光器41和43。通过耦合器单元22和光纤14和15分别将来自光源12和13的波耦合于源光纤16。来自这两个光源的波以不同波长在系统中传导，从而在这些波长上形成干涉图。每个通过滤光器41和43只接收两个干涉图之一的检测器36和37产生表示一个特定波长干涉图的电信号38和39。环境相位噪声(理想地相等地)影响两个干涉图，而可构成传感器部分30只对干涉图之一有差动影响。在公共模环境相位噪声受到抑制时，两个干涉信号的瞬时比率导致该差动分析物所致信号的复元。因为共线波此刻在同一光纤芯中传播，保证它们有相同的弯折曲率半径，可达到对弯折噪声几乎精确的抑制。
事实上，发现相位灵敏度(即对于给定光程变化相位的变化)与波长成线性关系。一个波长相对于另一个的不同灵敏度部分地由该特定波的瞬逝部分的穿透深度控制。对于给定的折射率变化，穿透较深的瞬逝波部分比较浅的瞬逝波部分将引起更大的相位移动。如前面所指出的，瞬逝波的穿透深度可由包括实际波长、外部折射率失配、选择性反射膜层、光源功率等因素控制。
图7示意性地示出一个在光纤截面150中有差别的瞬逝穿透深度的实例。光纤截面150包括纤芯152和已在蚀刻部分156中蚀刻的包层154。为说明的目的，所示第一波前160有浅的瞬逝穿透深度，所示第二波前162具有相对深的瞬逝穿过深度。将知道第二波162用作为分析波并对给定的折射率变化比浅的穿透波前160经历较大的相位移动。
由于不同的波长给予不同的灵敏度，基于两个不同波长光源的比率测量系统不能始终如一地产生环境相位噪声的完全抵消。因此为消除该误差最好使用同一波长的光源并根据其它特征识别。用于在同样波长的波间识别的一种方法是其偏振态。如果每个波的偏振角相差可测量的数量并且贯穿该干涉系统保持该差值，则能从同一光源得到两个可多路传输到一个干涉仪和从该一个干涉仪中多路解调的波。
已知前面讨论的D形光纤能传导沿纤芯椭圆长轴和短轴两者对准的光波。如果将从单一激光源发射的光分裂成两束相互偏转90°的偏振光，该D形光纤将传播沿两个正交轴偏振的光波而不发生正交偏振干涉。即使在很不利的弯折条件下，在两个正交偏振方向沿这样的光纤传播的光的混合可忽略不计。分离趋向如此强以致于光纤本身将对任一轴45°取向发射的单光束分为两个相等的、独立传播的、对准长轴和短轴的偏振组元。这取消了对任何用以从激光光源产生两束正交偏振输入光束的分离装置的需要。除了滤光器单元41和43此刻是对偏振态灵敏而不是对波长灵敏，可使用两个如图6中所示的检测器单元。再者，两个偏振光对波长及与波长有关环境的灵敏度一样。
如前所述，必须构造传感器部分30以对两个偏振光有不同的影响。这因为对准短轴的偏振光的瞬逝穿透深度在两束偏振光能量相等时大于另一束偏振光的瞬逝穿透深度而容易实现。通过改变初始发射角不是45°可得到两束偏振光相对强度的变化。因此，将对准短轴的光束用来检测分析物所致信号，该信号通过比较代表两束正交偏振光的干涉图的电信号38和39的相位来测出。由于两束偏振光的波长相同，消除了前面讨论的波长的不同比率问题。
另外，可使用三个照明光源，每一个光源在所选择的不同波长上补偿在每个波长上的不同相位灵敏度。图8示意性地示出使用从三个激光源112、114和116得到的三个不同波长的干涉测量系统110的一个实例。在这个实施例中，第一激光源112产生第一波长λ-的光，第二激光二极管114产生第二波长λo的光，第三激光二极管116产生第三波长λ+的光。将这三个波长λ-、λo和λ+的光通过光纤光耦合器126确定路线，再通过耦合器20进入传感光纤24和参考光纤26。尽管将所有三个波长λ-、λo和λ+限制在单模光纤24和26中，但由于不相互相干三个不同波长的光自身之间没有相互作用。
由于弯折和其它环境因素每个波长的光在光纤24、26内易发生应力所致的相位移动。提供一个光纤耦合器128，它能保证三个波长λ-、λo和λ+的光的多路解调，将分离波长的光分别导入第一检测器单元132、第二检测器单元134和第三检测器单元136。多路解调可在其本身为波长分离多路解调器的耦合器128上发生，或也可在每个带有合适的如前讨论的带通滤光器的检测器132、134和136上发生。分别由第一、第二和第三检测单元132、134和136提供输出信号D1、D3和D5。然后可使用比率技术计算在光纤24和26中应力所致扰动的补偿因子。
为有效地消除包括弯折误差的应力所致误差，必须将所有三个波长的光暴露给诸如由弯折产生的噪声所致路径长度的变化，而只将一个波长的光暴露给分析物所致的路径长度变化。一般，应控制图示在图8的方法中使用的三个波长光的特征，以致于使中心波长“λo”的瞬逝波穿透深度大于其它两个波长“λ+”和“λ-”光的每一个幅度。例如，可选择中心波长的光的偏振特性为正交于其它波长的光，以致于将中心波长光的传输限制于电保偏纤芯的第二长轴上，而其它两个波长的光沿第一轴传输。计算补偿也需要所有三个波长相互等间隔分离，尽管对波长的绝对值没有限制。通过在光纤148的末端放置光检测器142、144和146可获得对波长的监测和自动校正。为确保能保持三光源的正确波长关系，通过反馈控制回路149，将光检测器至少耦合到光源114。
假定所有各种用于处理相位噪声的系统其光源发射已知的、特性稳定的光。然而，图示在图1、6和8的每个装置使干涉图返回光源以及各个检测器。返回干涉图在由外部相位噪声以及分析物所致相位调制所确定的相位和幅度的任意条件下进入光源。一般，这样任意能量输入激光源使光源不稳定而导致模跳跃、谱线增宽或收缩以及大的幅度波动。这特别对一般在本发明中最好是的窄带光源成立，其中光波传输的光纤总长远短于光波本身的纵向相干长度。为避免这个不希望的状态，必须使用一些隔离装置来保护光源的光谱成分。
图9示出了其中激光源能隔离来自图1的干涉测量系统的任意返回能量的实施例。在该最佳实施例中，激光源12是激光二极管。为避免反射能量的任何部分进入光源，使用一个隔离器单元170，它包含一个磁光装置174和偏振器172和176，它们一起具有在一个方向低损耗地传输光而在相反方向有效地阻碍光的能力。对于这种类型单个或串接隔离器单元可能有-30dB到-70dB的衰减系数。因此，激光源一般好象没有光从干涉测量系统中返回一样运行。
将激光二极管源与返回辐射隔离的其它方法是使用脉冲激光器或提供一些能将能量在激光器12和输入光纤16间选通的装置。在图10所示的实施例中，通过一根长的作为延迟元件180的单模、保偏光纤182的长度将激光能量在激光器12和干涉仪间选通。激光器12脉动或选通以致于在激光能量在向前和返回两个方向通过延迟线和干涉仪之前，激光器回到“断路”状态。因此，即使返回能量撞击到二极管12的激光发射腔，激光器对返回辐射不敏感。对于0.1微秒的脉冲长度，这是典型的常规通讯级二极管，约10米的延迟线长度足够避免向后反射进入该激活二极管。
图11示出使用了一种超快光电调制器或开关184的另一种方法。这种类型调制器一般由一系列在铌酸锂或其它光电基体中插入的波导组成。通过这种允许使用短延迟线元件类型的调制器可得到微微秒开关时间。可将有几厘米长度的输入光纤16作为延迟元件。图9-11每幅图示出一种单频率系统，但将会知道使用任何图示原理可构成多频系统。各种不是结合图9-11所讨论的用于隔离光源的方法对于本领域熟练技术人员也是明显的。
由本发明传感器系统造成的另一个问题涉及发生在迈克尔逊干涉仪中的内部双向信息流。由诸如气体激光器或激光二极管窄带相干光源产生的干涉图包含如前讨论的恒定的幅度正弦强度变化。如果允许该输出照射到单个检测器上，只能得到相位信息的标量表示，即代表传感和参考波间相对相位差的值。为获得相位信息的矢量表示，即相对相位差和相位变化的方向，必须将第二检测器加到系统上。这允许在可从稳态值增大或减小的变量间测量或鉴别。为正确获得方向信息，当将第二检测器象第一个一样暴露给同一干涉图时，必须将其置成与第一检测器相位相差90°。这90度相位分离一般称作为“90°相移”条件。然而，只要这两束返因传感和参考光束在单模光纤中组合，所产生的干涉场呈现一个“复合点”而不是“平行条纹”状态，并且90°相移解调是不可能的。
图12a图示了一种形成可从中获得方向信息的干涉图的方法。由两根一般相隔小于1mm的光纤200和202相互平行地引导返回的传感和参考光束。从光纤200和202发射的返回相干光束空间组合以形成在其中能放置检测器204和206以检测相位变化方向的三维干涉场。对于条纹间距为δmm的正弦干涉图，90°相移条件对应于条纹场中nδ/4的检测器间距，这里n是整数倍1，2，……。当干涉条纹的宽度和间距可通过变化光纤端面间的间距和倾斜来调制时，在相位移动较小时，由于环境干扰，该自由空间混合区降低一些信息精度。
另外，可通过放置两根光纤200和202使其端面发射光束在如图12b中所示的部分反射镜210处交叉从而形成两个迈克尔逊干涉场A和B来产生三维干涉图。可将检测器204和206放置在任一场中以检测相位变化的方向。在这两种方法中，相对于对方及干涉场放置两个检测器使它们有如上详细说明的相互90°相移相位关系。在只示出两个检测器的同时，可在干涉场中包括另外检测器以改善测量的分辨率和精度。也将会知道可从光源以及分析物获得方向相位信息。
图13示出一个迈克尔逊/马赫-伦德尔混合干涉仪186，其中使用三维干涉图来获得光源12以及返回信号的光谱特征。在图示装置中，在耦合器20处分裂光源12的信号，而在耦合器190和192处提取光源和返回信号两者。在激光二极管光源12的情况下，在干涉仪中传播的传感和参考波间的相对相位可由注入电流和温度调制所控制。然而，这种调制以已知和可重现的方式影响光源的光谱特征。该光谱特征的特点完全在于在输出M3和M4取自马赫-伦德尔干涉场194的90°相移相位信号的付里叶变换。由于自动校正和光谱密度函数是如Wiener-Khintchine原理所描述的付里叶变换对，该技术与在付里叶变换红外光谱学(FTIS)中使用的类似。当必须在线调整干涉测量相位时，关于光源光谱连续的信息是重要的。
在相反方向，在传感和参考部分30、32反射后，传输回第一级耦合器20的波被耦合器190和192部分提取以形成第二干涉场196，从中可获得90°相移相位信号M1和M2。这些波形成双通道通过传感和参考部分30、32，因此信号M1和M2反映该双通道状态。信号M1和M2可用于使用加到如前所述的环境相位噪声抑制系统上的比率测量装置进行高分辨率方向解调。沿传感和参考臂传输回光源的能量剩余部分在耦合器20中相干混合，在检测器36上形成初级“复合点”迈克尔逊干涉图。该初级干涉图用于和上面所述的方向信息一起提供对分析物所致相位调制进行高分辨率鉴定。
除了传感和参考臂24和26，整个干涉测量系统10可使用插入式波导技术用激光二极管光源、检测器、耦合器，和其集成在同一底板上的元件组合。这种光电“片”然后连接到传感和参考光纤，光纤只与那些光源和检测器所需要的电输入和输出端相连。同样，只在图12和13中示出了根据本发明使用90°相移解调以确定所传感的由于折射率变化而引起的光程长度变化的方向的一种系统，其它系统也能使用同样技术获得这个和其它信息。另外，参照图12和13所描述的90°相移解调可与参照图8所描述的三波长相位噪声衰减相耦合以隔离和精确测量由在光纤系统中传输的导光波的瞬逝部分所传感的分析物折射率变化。
尽管本发明是参照一定的最佳实施例和特定的实例加以详细描述的，但在如后面权利要求书中所描述和定义的本发明的范围和实质内存在变形和改进。
权利要求
1.一种检测样品中变化的方法，它包括下列步骤a)提供一根具有一段允许瞬逝波耦合到邻近介质的单模光纤，b)使该段光纤与样品连接允许瞬逝波与其相互作用，c)将已知特性的光导入该光纤并通过该段光纤由反射器反射，再次通过该段光纤，d)当光波再通过该段光纤后，用其构造一个干涉图，以及e)观察干涉图以检测由于样品中光程变化引起的光的相位调制。
2.如权利要求1所述的方法还包含下列步骤将已知特性的光导入第二光纤，以及将两光纤中的光进行光学叠加以形成干涉图。
3.如权利要求2所述的方法还包括下列步骤将第一和第二光纤两者封闭在一个外壳中，以及将第一和第二光纤两者暴露给相同环境以实现最小相位噪声。
4.如权利要求1所述的方法还包括下列步骤将具有公共特征的两个不同值的光导入光纤，观察所述公共特征两个值所形成的干涉图以检测光的任何相位调制，以及以比率测量方式分析所观察到的相位调制以发现样品中光程长度的变化。
5.如权利要求1所述的方法还包括下列步骤将具有公共特征三个不同值的光导入光纤，观察该公共特征所有值所形成的干涉图以检测光的任何相位调制，对光纤中所观察到的任何应力所致扰动计算补偿因子，以及以比率测量方式将所计算的补偿因子应用于所观察到的相位调制以发现样品中光程长度的变化。
6.如权利要求1所述的方法还包括下列步骤将已知特性的光导入光纤以形成两个独立传播、正交偏振的分量，让所述分量之一的瞬逝波与样品相互作用，以及将来自该两分量的光与参考光束的两分量进行光学叠加以形成干涉图。
7.如权利要求1所述的方法还包括下列步骤将该段光纤浸没在含有分析物的流体样品中;以及观察干涉图以检测由于流体样品中分析物浓度的变化所引起的相位变化。
8.如权利要求7所述的方法还包括下列步骤将该光纤段穿过表皮地导入样品流体以对分析物浓度的变化进行内部检测。
9.一种在用于检测流体介质中分析物浓度的光纤干涉测量系统中抑制噪声的方法包括下列步骤a)提供具有多个波长的光的系统，所述波长相互充分分离以许可将一个波长的光从其它波长的光中光学分离，b)在将所有波长的光暴露给系统中噪声所致路径长度变化的同时，只允许将一个波长的光的瞬逝部分与介质相互作用，c)对每一波长的光产生干涉图，以及d)比较这些干涉图的不同移动以检测分析物所致的路径长度变化。10、如权利要求9所述的方法，其特征在于所选择的波长基本由一个中心波长λo和两个相等分离在中心波长两侧的波长λ+和λ-组成。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于所选择的中心波长λo的光波在周围介质中其瞬逝部分的能量比其它波长λ-和λ+的大。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于所选波长的幅度是这样的，即中心波长“λo”光的幅度大于其它两个波长“λ+”和“λ-”光的幅度。
13.一种准备干涉测量系统中使用的光纤的方法，它包括下列步骤a)选择一根具有非对称包层的单模、保偏光纤，b)将已知特性的光导入该光纤并观察该光纤中的光，c)将光纤的所选择部分引入能蚀刻其包层的介质中，以及d)在测得导入光纤的光与介质间有相互光作用后从该介质中取出该光纤。
14.如权利要求13所述的方法还包括使光纤一端具有反射其传导的光的表面的步骤。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于步骤b)进一步包括将已知特性的光导入第二光纤的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于步骤b)还包括下列步骤将两光纤中的光进行叠加以形成干涉区，以及观察该干涉区以检测出由于导入光纤的光与介质间相互光作用引起的任意相位变化。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于步骤d)中将光纤从介质中取出是从初始测得相互光作用延迟一个足够长时间以获得纤芯一侧的包层最佳蚀刻而不影响纤芯本身。
18.如权利要求13所述的方法还包括将所述光纤所选择部分封装在含已知折射率材料的外壳中的步骤。
19.用于检测介质中变化的装置包括a)一根第一和一根第二光纤，至少第一光纤具有允许在光纤中传输的光波的瞬逝部分与其周围的介质相互作用的部分，b)将已知特性的光导入光纤的装置，c)在光纤末端部分用于从该末端部分将光反射回导入装置的装置，d)用于在两根光纤中使反射光叠加以形成干涉区的装置，以及e)用于观察该区以检测由于流体介质中变化所引起的任意相位变化的装置。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于至少第一光纤基本由单模光纤构成。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于该单模光纤包括保偏光纤。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于该保偏光纤含有椭圆纤芯和非旋转对称的包层。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于该包层包括一个具有连接柱面部分的平面部分以形成D形横截面的外壁，所述椭圆纤芯与外壁平面部分更接近。
24.如权利要求19所述的装置，其特征在于第一光纤的所述部分具有减小的横截面尺寸。
25.一种用于确定流体介质中分析物浓度的传感装置，它包括a)至少产生一个特定波长光信号的光源，b)与光源耦合用于接收和传输来自光源的光信号的第一单模光纤元件，c)沿第一光纤元件安置用于与分析物相互作用以调制光信号相位的传感器部分，d)与光源相耦合用于传导来自光源的光信号的第二单模光纤元件，e)在光纤元件末端用于从该末端将光反射回光源的装置，以及f)用于在与分析物相互作用后将第一光纤所携带的光信号相位与第二光纤所携带的光信号相位进行比较以确定分析物浓度的装置。
26.如权利要求25所述的传感装置，其特征在于所述光源包含至少具有两个通过第一光纤单元和第二光纤单元传输的明显特征的光信号源。
27.如权利要求25所述的传感装置还包含用于耦合所述光源到第一单模光纤以致于将光分裂成两束相互偏转90°偏振的光束的装置。
28.如权利要求27所述的传感装置，其特征在于第一光纤元件的传感部分含有用于只许可单个偏振光束与分析物相互作用以调制光信号相位的装置。
29.如权利要求27所述的传感装置，其特征在于耦合装置含有用于改变光进入第一单模光纤的初始发射角以改变两偏振光相对能量强度的装置。
30.一种光纤干涉测量系统，它包含;a)一根具有非对称包层的单模、保偏光纤，将包层所选择部分除去至少暴露纤芯一侧，b)将所述选择部分封装在具有已知折射率的材料中的装置，c)一根第二单模、保偏光纤和用于将已知特性的光导入光纤的装置，d)在光纤的末端用于从该末端将光反射回光导入装置的装置，e)用于在两根光纤中使反射光叠加以形成干涉区的装置，以及f)用于观察该区域以检测所述材料任意折射率变化的装置。
31.如权利要求30所述的光纤干涉测量系统，其特征在于这样选择在所述选择部分周围形成封装装置的材料，即封装装置环境中的物理变化导致所述材料的折射率变化。
32.如权利要求31所述的光纤干涉测量系统，其特征在于将光的波长选择落在形成封装装置材料的反常色散光谱区。
33.如权利要求31所述的光纤干涉测量系统，其特征在于选择光波长使其对应于形成封装装置材料的随波长化学吸收率变化的最大速率。
34.一种用于确定流体介质中分析物浓度的传感装置，它包含a)包括纤芯和其周围的包层、并除去了一部分包层以暴露部分纤芯的第一光纤，b)第二光纤，c)用以将已知特性的光导入第一和第二光纤以致于第一光纤中的光受分析物浓度影响的装置，以及d)在光纤末端用于从该末端将光反射回光导入装置的装置，e)用于在第一光纤中反射光的相位受分析物浓度影响后将其与第二光纤中光的相位相比较以确定分析物浓度的装置。
35.如权利要求34所述的装置还包含用于阻碍反射光进入导入装置的装置。
36.如权利要求35所述的装置，其特征在于所述阻碍装置包含一个磁调整光的偏振特性的磁光隔离单元以防止反射光进入导入装置。
37.如权利要求35所述的装置，其特征在于导入装置包含一个激光二极管。
38.如权利要求37所述的装置，其特征在于导入装置还包含将激光二极管与第一光纤相耦合的光纤耦合器单元。
39.如权利要求37所述的装置，其特征在于阻碍装置含有用于在激光二极管发射光后而光进入第一光纤前延迟光的装置。
40.如权利要求37所述的装置，其特征在于阻碍装置还包含光纤光学开关，其作用是控制激光二极管发射的光。
41.一种光纤干涉测量系统，它包含a)一对单模、保偏光纤，将光纤之一的包层中所选择部分除去以使在光纤中传输的光波的瞬逝部分与光纤周围的任意介质相互作用，两光纤具有远端和近端，b)用于产生已知特性光的光源和将光源与两光纤近端相连接的光纤耦合器，c)在光纤远端用于从远端将光反射回光源的装置，d)使反射光在两光纤中光叠加以形成干涉区的装置，以及e)用于观察干涉区以检测所选择部分周围所述介质折射率任意变化的装置。
42.如权利要求41所述的装置，其特征在于光源包含发射多个所选择波长的光的装置。
43.如权利要求42所述的装置，其特征在于用于观察光的装置包含一个将光多路解调到各个所选择波长的装置。
44.如权利要求43所述的装置，其特征在于所选择的波长基本由中心波长λo和两个在中心波长两侧距其相等间隔的波长λ+和λ-组成。
45.如权利要求44所述的装置，其特征在于这样选择中心波长λo，使其在周围介质中的瞬逝部分能量比其它波长λ+和λ-的大。
46.如权利要求44所述的装置，其特征在于这样选择每个波长的可测量特征，即使中心波长“λo”的特征大于其它两个波长“λ+”和“λ-”的特征。
47.一种光纤干涉测量系统，它包含a)一对单模、保偏光纤，将光纤之一的所选择包层除去以允许在该光纤中传输的光波的瞬逝部分与光纤所选择部分周围的任意介质相互作用，该对光纤有远端和近端，b)用以产生已知特性光的光源，c)将光源与该对光纤近端相连接以将光源信号导入该对光纤的第一光纤耦合器，d)在所述光纤远端用以将光从远端反射回光源的装置，以及e)用以观察第一光纤耦合器中的返回信号以检测所述选择部分周围的所述介质的折射率任意变化的装置。
48.如权利要求47所述的装置还包含一个第二光纤耦合器和一根将光源与第一光纤耦合器相连接的光纤。
49.如权利要求48所述的装置还包含连接到第二光纤耦合器用以监测光源发射特性的装置。
50.如权利要求48所述的装置还包含连接到第二光纤耦合器用于提取90°相移信号以检测所述选择部分周围介质折射率变化的方向的装置。
51.如权利要求47所述的装置，其特征在于光源还包含用于将光源与来自该对光纤远端的反射光相隔离的隔离装置。
52.如权利要求47所述的装置还包含位于每个所述光纤对中用以分离光源信号和返回信号的附加光纤耦合器。
53.如权利要求52所述的装置还包含耦合到两个所述附加光纤耦合器用于形成光源信号干涉图的装置。
54.如权利要求53所述的装置还包含耦合到两个所述附加光纤耦合器用以形成返回信号干涉图的装置。
全文摘要
一种光纤干涉测量系统包括一对具有远端和近端的单模、保偏光纤。将该光纤之一所选择部分的包层除去以允许在该光纤内传输的光波的瞬逝部分与该光纤所选择部分周围的任意介质相互作用。将用以产生已知特性光的光源与该对光纤的近端相耦合以将光源信号导入该对光纤。在光纤远端的反射器将光从远端反射回光源。返回信号构成用来进行观察以检测对光信号相位任意调制的干涉图。以比率测量方式分析该调制从而基本没有环境所致相位噪声地获得在所选择部分周围的介质的折射率变化。
文档编号G01N21/41GK1055061SQ9110180
公开日1991年10月2日 申请日期1991年3月18日 优先权日1990年3月19日
发明者戴维·利普森, 尼古拉斯·加斯顿洛贝尔 申请人:伊莱利利公司