1.2.1 間接耦合型光學聲傳感器

間接耦合型光學聲傳感器按光學調制原理可以分為光強調制型光學聲傳感器、波長調制型光學聲傳感器和相位調制型光學聲傳感器等類型。

1.光強調制型光學聲傳感器

光強調制型光學聲傳感器利用聲波振動影響光傳輸特性，從而實現聲場對光強的調制，最終達到聲檢測的目的。光強調制型光學聲傳感器主要包括彎曲波導型光學聲傳感器、耦合波導型光學聲傳感器、懸臂型光學聲傳感器、反射型光學聲傳感器和移動閘門型光學聲傳感器。

彎曲波導型光學聲傳感器[36]、耦合波導型光學聲傳感器和懸臂型光學聲傳感器的聲敏感單元多為光纖材料，聲波擾動使光纖產生微小變形從而影響光纖輸出端的光強，通過探測光強的變化實現聲檢測。1980年，Spillman等提出一種可移動的光纖水聽器，將一根固定、一根可移動的光纖末端進行耦合，聲波振動引起光纖運動，改變了兩根光纖末端之間耦合的光量，從而產生光強調制，如圖1-4（a）所示。該光纖水聽器實現了100Hz～10kHz的探測頻率范圍，最小可檢測壓力為1.26mPa＠500Hz，并能夠分辨小至4.3×10-3?的光纖位移[37]。2004年，Chen等基于熔融錐形光纖耦合器提出一種低成本的光纖超聲傳感器，如圖1-4（b）所示。聲波引起熔融錐形區的有效應變場變化，改變了光纖耦合器內的耦合比，通過分析光纖耦合器內耦合比的變化，根據其振幅和頻率含量來確定應用的超聲場特性。該傳感器的頻率響應可達數百千赫，適用于探測材料和結構的聲發射，性能可與傳統的壓電式聲傳感器相媲美[38]。然而，空氣與光纖包層和纖芯耦合存在聲阻抗匹配不良的問題，導致光纖聲傳感器只能實現較低的靈敏度。通過使用薄膜等材料匹配聲阻抗可以改進上述缺點，常見的方法有在光纖末端黏貼聲敏感膜片、改變光纖涂覆層等。

在反射型光學聲傳感器和移動閘門型光學聲傳感器中，光纖只作為傳光媒質，采用薄膜直接敏感聲音。這兩類光學聲傳感器結構簡單，多采用MEMS技術來提升器件的響應靈敏度和線性度。2014年，于洪峰等基于MEMS工藝制作了具有低應力波紋結構的聲敏感薄膜[40]，將敏感膜片與光纖耦合封裝，得到傳感器樣品，其原理示意圖如圖1-5所示。聲性能測試得到靈敏度為80mV/Pa，頻率響應為20～2000Hz。以色列的Opto Acoustics公司制成了移動閘門型光學聲傳感器產品，它是基于一個微小的MEMS膜片和兩根光纖制作的，其原理及產品示意圖如圖1-6所示。當聲波沖擊薄膜時，會引起膜的振動，從而改變從輸入到輸出光纖反射的光的強度。這種聲敏感機制檢測膜位移的微小變化，分辨率可達幾分之埃。

2.波長調制型光學聲傳感器

波長調制型光學聲傳感器的一種典型聲敏感單元是光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）。當聲波振動作用于FBG時，會導致光纖內部光柵常數發生變化，從而使光柵的反射光和透射光的中心波長也發生改變，通過解調光纖的輸出光信息即可實現聲探測，原理示意圖如圖1-7（a）所示。該類型的光學聲傳感器可以克服光強調制型光學聲傳感器容易受強度波動影響的缺點。

1998年，Fisher等演示了光纖布拉格光柵可用于監測高頻超聲場，并通過使用短光柵和適當的光纖脫敏顯著提高其性能，實現了約4.5×10-3atm/Hz1/2的噪聲限制壓力分辨率[41]。2005年，香港理工大學的Guan等利用雙偏振分布布拉格反射器（DBR）光纖激光器作為聲敏感單元，其工作原理是利用高頻超聲調制光纖激光器的雙折射，成功驗證了DBR光纖激光器對聲壓具有線性響應，可探測至少40MHz的聲頻[42]。2012年，Wu等采用相移光纖布拉格光柵（PS-FBG）作為傳感器，通過調制可調諧激光器的輸出來直接檢測超聲應變，實現了寬帶高靈敏度的聲檢測。該系統不受激光強度噪聲的影響，可以實現高信噪比和靈敏度，系統檢測靈敏度為9nε/Hz1/2[43]。2016年，Sarkar等將兩對具有部分重疊頻譜的光纖光柵以全橋組合的方式放置在設計合適的高介電常數材料彈性元件的相對兩側，通過彈性元件的振動來調制反射光的強度，基本原理圖如圖1-7（b）所示。該基于光纖布拉格光柵（FBG）的波長調制型光學聲傳感器被設計成放置在高壓設備內部，可以探測由于部分放電而發出的高頻聲波，并具有良好的動態響應、信噪比、靈敏度和溫度不敏感性[44]。2018年，Zhao等建立了相移光學布拉格光柵的理論模型，詳細研究了對稱聲場和非對稱聲場中相移光柵的有效折射率引起的波長漂移趨勢，然后，分別設計并測試了非對稱和對稱兩種結構的光纖激光聲傳感器。研究結果表明，非對稱封裝結構的分布式反饋光纖激光器的波長聲響應比對稱封裝結構的分布式反饋光纖激光器的波長聲響應更敏感，在低頻段（0～500Hz）靈敏度平均提高約15dB，最大提高32.7dB[45]。然而，由于光譜邊帶的限制，FBG型光學聲傳感器相對其他類型的光學聲傳感器靈敏度要稍低。

3.相位調制型光學聲傳感器

相位調制型光學聲傳感器的聲探測原理為光纖干涉儀探測聲波擾動引起其光路中光程的微小變化，進而實現聲探測，主要有四種類型：邁克爾遜干涉儀型[46，47]（Michelson Interferometer，MI）光學聲傳感器、薩格納克干涉儀型（Sagnac Interferometer，SI）、馬赫-增德爾干涉儀型[48]（Mach Zehnder Interferometer，MZI）光學聲傳感器和法布里-珀羅干涉儀型[49-51]（Fabry Pérot Interferometer，FPI）光學聲傳感器。

MI光學聲傳感器的傳感結構多采用單個耦合器將入射激光分為兩束，兩根末端具有反射率的光纖分別作為參考臂和傳感臂，參考臂和傳感臂的反射光發生干涉，通過對干涉光的探測實現傳感信息測量，原理圖如圖1-8所示。聲波振動會對由光纖大量纏繞或機械振動結構組成的傳感臂的傳輸激光進行調制，從而產生一定的相位變化。對參考臂和傳感臂末端的反射結構進行優化，可以提升MI光學聲傳感器的靈敏度和頻率響應。

2011年，國防科技大學的Zhang等將MI系統中的雙反射鏡替換為只反射雙側光的FBG，在簡化了MI光學聲傳感器結構的基礎上實現了在100Hz～2kHz內波動低于0.3dB的頻率響應和0.99994的線性響應[52]。華中科技大學的Liu和Fan等先后在2016年和2020年分別將聚合物（PP/PET）膜和金膜作為MI系統中的反射鏡，目的是提高光學聲傳感器的靈敏度。在基于PP/PET膜的MI光學聲傳感器的光路中，聲信號引起的膜片變形將被放大2倍，因此該傳感器在90～4000Hz的頻率范圍內靈敏度超過-128dB re 1rad/Pa，在600Hz處信噪比達到42dB[53]。基于大面積金膜片的MI光學聲傳感器的相位靈敏度約為-130.6dB re 1rad/＠100Hz。在0.8～250Hz的響應范圍內，靈敏度波動小于0.7dB[54]。在響應帶寬為5Hz時，該傳感器的信噪比（SNR）為57.9dB，最小檢測壓力（MDP）為10.2mPa/Hz1/2。2021年，大連理工大學的Zhang等采用圓柱形聚氟乙烯管包裹光纖作為無膜片聲學換能器[55]，提高了MI光學聲傳感器對微弱聲信號的響應能力，并在響應帶寬為1kHz時測得靈敏度為315.3nm/Pa，最小可探測聲壓級（MDSPL）為20.4dB/Hz1/2（1.9μPa/Hz1/2）。

SI光學聲傳感器的結構與MI光學聲傳感器類似，也采用單個光纖耦合器構成。與MI光學聲傳感器不同的是，SI光學聲傳感器中不存在參考臂，它是通過對存在光程差的光纖線圈傳播方向相反的兩束光進行干涉從而實現聲探測的，原理圖如圖1-9所示。SI光學傳感器的優點是MI光學聲傳感器中低頻信號干擾的問題可以被改善。

為了提高SI光學聲傳感器的相位調制能力，研究者找到兩種可行的技術方案。一種技術方案是在光纖線圈中加入一段高雙折射率光纖或保偏光纖。2013年，Markowski等在SI的光纖線圈環中加入一段熊貓（PANDA）保偏光纖，在空氣中實現的平坦頻率響應范圍為300Hz～4.5kHz[56]。然而，這種結構的SI光學聲傳感器的聲探測頻率取決于光纖線圈的尺寸，很難實現寬頻帶響應。另一種技術方案是在SI系統中引入膜片式聲敏感探頭。2015年，香港理工大學的Ma等基于這種方案提出了一種新型的SI光學聲傳感器，并在空氣中實現了1～20kHz的頻率響應范圍[57]。2016年，華中科技大學的Fu等結合上述兩種技術方案，將長周期光纖光柵插入基于SI的保偏光子晶體光纖（PM-PCF）中，又引入PET薄膜敏感聲音，所提出的聲傳感器系統實現了331.9μPa/Hz1/2的最小可探測聲壓和40mV/kPa的靈敏度[58]。

MZI光學聲傳感器用到兩個光纖耦合器，耦合器之間的兩根光纖，一根作為傳感臂，另一根作為參考臂，兩根光纖的輸出光疊加后進行干涉，原理圖如圖1-10所示。從圖中可以看出，MZI光學聲傳感器的工作原理與MI光學聲傳感器類似，只不過MZI光學聲傳感器屬于透射式光學聲傳感器，而MI光學聲傳感器則是反射式光學聲傳感器。而且，相比MI光學聲傳感器，MZI光學聲傳感器的結構要復雜一些。

1977年，Bucaro等首次提出MZI光纖水聽器，實現了40～400kHz的頻率響應范圍，最小探測聲壓為0.1Pa[59]。2009年，Gallego等提出基于單模聚合物光纖的超聲寬帶MZI光學聲傳感器，由于聚合物光纖的楊氏模量相比傳統的單模二氧化硅光纖較低，可以在水中與聲場更好地耦合，因此，相位靈敏度提高了12倍以上，實驗測得相位靈敏度為13.1mrad/kPa，響應帶寬高達5MHz。該方法在實現寬頻帶的同時減小了MZI光學聲傳感器的結構尺寸，可用于生物醫學應用[60]。2016年，Pawar等在MZI中使用了保偏光子晶體光纖，其由兩個單模光纖拼接而成，工作波長為1550nm。所得到的MZI光纖水聽器可以實現5～200Hz的低頻聲探測[61]。2021年，Dass等提出了一種新型的光纖水聽器系統。它由在傳統的單模光纖（SMF）中創建兩個錐形的直列MZI（IMZI）結構組成。SMF的錐形被一小段長度的未錐形SMF分開。為了獲得更好的靈敏度，IMZI被附著在天然橡膠（NR）的圓形膜片上。該水聽器在水下的測試結果為：頻率響應范圍為15～350Hz，靈敏度為27.93nm/Pa，最小可檢測壓力為5.53mPa/Hz1/2，說明其可用于低頻聲學應用，如海底地震測量[62]。

與上述三種干涉儀型光學聲傳感器不同的是，FPI光學聲傳感器不需要耦合器和參考臂，具有結構緊湊和高靈敏度的優點。FPI光學聲傳感器的核心聲敏感單元為由兩個反射面構成的法珀腔，聲場振動引起法珀腔腔長的變化，從而引起干涉光場變化，通過解調出光場的變化實現聲探測[63]，原理圖如圖1-11所示。FPI光學聲傳感器分為本征型FPI光學聲傳感器和非本征型FPI光學聲傳感器。

1）本征型FPI光學聲傳感器

本征型FPI光學聲傳感器是指光纖既是光傳輸元件，也是聲敏感元件，由于不需要復雜的外部敏感元件，該類傳感器具有結構簡單的優點。早在20世紀90年代，Alcoz等就提出一種由連續長度的單模光纖組成，本征型FPI光學聲傳感器，如圖1-12所示，并實現了100kHz～5MHz的超聲波探測，可用于現代復合材料的無損檢測[64]。

之后，基于單模光纖、實芯光子晶體光纖和空心光子帶隙光纖制成的FPIs陸續被提出[65-67]。其中，許多設備用于靜態測量，如高溫、高壓和折射率測量，而動態響應包括超聲檢測的報道則很少。直到2018年西北大學的Shao等提出了一種基于葡萄柚光子晶體光纖的微全光纖懸芯傳感器[68]，如圖1-13所示，微米級懸浮核形成本征FPI對大范圍的超聲波頻率具有很高的信噪比和空間分辨率。

2019年，重慶郵電大學的Wang等提出一種用于光學聲傳感的超細光纖FPI光學聲傳感器[69]。5μm超細光纖FPI光學聲傳感器在35MHz帶寬上實現了18Pa的噪聲等效壓力，其測試系統如圖1-14所示。該研究成果說明較薄的超細光纖更容易實現強倏逝場，對今后在光聲成像等相關傳感領域的應用具有重要意義。

2019年，渥太華大學的Fan等提出了一種基于超緊湊光纖的多模雙腔FPI超聲波傳感器[70]，利用壓電陶瓷的高次諧波作為超聲源，實現了5kHz～45.4MHz的寬帶頻響，其實驗裝置示意圖如圖1-15所示。這種簡單、經濟的超聲設備為無損檢測和先進的生物醫學應用提供了新的機會。

2）非本征型FPI光學聲傳感器

非本征型FPI光學聲傳感器指光纖只起到導光的作用，聲敏感元件為薄膜[71]或其他可以隨敏感聲壓變化的探測器件[72]。目前，科研人員研究最多的典型FPI光學聲傳感器核心聲敏感結構為采用光纖末端端面和薄膜構成的法珀腔，容易實現大帶寬和高靈敏度。其中，聲敏感薄膜有聚合物薄膜、光子晶體薄膜[73]、石墨烯薄膜和金屬膜[74-76]等。

（1）聚合物薄膜

1996年，Beard等基于由透明聚合物薄膜和多模光纖末端組成的低精細法珀腔，實現了一種非本征光纖超聲傳感器[77]。該傳感器實現了高達25MHz的頻響帶寬和61mV/MPa的探測靈敏度，其性能可與PVDF膜式水聽器媲美，其超聲探測示意圖如圖1-16所示。2000年，他們又通過直接在單模光纖末端沉積聚合物薄膜作為低精細法布里-珀羅干涉儀，實現了一種小孔徑寬帶超聲光纖水聽器[78]，其聲學性能優于PVDF膜式水聽器，在25MHz測量帶寬內峰值等效噪聲壓力為10kPa，寬帶響應為20MHz，動態范圍為60dB，線性檢測上限為11MPa。

2009年，Beard課題組的Morris等又研制了一種可同時測量聲壓和溫度的雙傳感光纖水聽器[79]，用于表征超聲場和超聲致熱。其傳感機制是基于對沉積在單模光纖頂端的聚合物膜法布里-珀羅干涉儀中聲和熱誘導厚度變化的檢測，FPI傳感結構的原理圖如圖1-17（a）所示。該傳感器在20MHz的測量帶寬下實現了15kPa的峰值等效噪聲壓力，頻響帶寬為50MHz。除了聲壓的測量，該傳感器還表現出良好的熱性能，可以測試高達70℃的溫度，分辨率為0.34℃。封裝好的光纖水聽器如圖1-17（b）所示。

Parylene-C是Parylene高分子聚合物系列中具有較大商業價值的一種。2017年，大連理工大學的Gong等基于大面積Parylene-C薄膜提出了一種新型光纖針尖法布里-珀羅聲傳感器[80]，實物圖如圖1-18所示。該傳感器對外界聲壓具有良好的低頻響應，在頻率為20Hz時聲壓靈敏度為2060mV/Pa，可用于低頻微弱聲壓檢測。此外，由于Parylene-C是一種生物相容的光子材料，所提出的傳感器在生物醫學領域有很大的應用潛力。

（2）光子晶體薄膜

2007年，斯坦福大學的Kilic等提出一種緊湊型光纖法布里-珀羅聲學傳感器[81]，如圖1-19所示，該傳感器由單模光纖和外部硅光子晶體反射鏡形成，在空氣中實現了50kHz的頻率響應，最小可探測聲壓低至18μPa/Hz1/2，比相似類型的光纖聲傳感器低4個數量級。

2013年，斯坦福大學的Jo等討論了利用在光纖尖端制作光子晶體薄膜所得到的微型FPI進行光纖聲學傳感的最新進展[82]，聲傳感器的橫截面圖如圖1-20所示。該傳感器的頻率響應在600Hz～20kHz之間是平坦的，歸一化靈敏度高達0.17Pa-1；在1kHz～30kHz之間，其平均最小可探測聲壓為2.6μPa/Hz1/2。這類穩定、緊湊型光學傳感器具有在可聽范圍內進行高靈敏度檢測的潛力。

2021年，Lorenzo等基于光子晶體薄膜FPI水聽器，描述了一種能夠測量心肌細胞聲信號的小型水聽器的設計、特性和測試[83]。該水聽器可以在小于5mm深的小液體體積中工作，并在浸泡過程中引入一個微通道來排氣，從而使帶寬和靈敏度得到優化。組裝好的小型水聽器截面圖和實物圖如圖1-21所示。在水中的建模和實驗結果顯示，帶寬為50Hz～18kHz，最小可檢測壓力為3μPa/Hz1/2。

（3）石墨烯薄膜

2013年，香港理工大學的Ma等報道了一種基于約100nm厚的多層石墨烯膜片的光纖法布里-珀羅聲傳感器[84]，原理圖和實物圖如圖1-22所示。它在空氣中表現出0.2～22kHz的平坦頻率響應、60μPa/Hz1/2的噪聲等效聲壓級和1100nm/kPa的聲壓靈敏度的聲性能，可用于高靈敏度的聲探測。

2015年，北京航空航天大學的Li等通過采用更薄的多層石墨烯膜片，將該光纖法布里-珀羅聲傳感器的聲壓靈敏度提高為2380nm/kPa，證明了使用納米厚石墨烯膜片設計超高靈敏度聲傳感器的有效性[85]。圖1-23為基于超薄13層石墨烯薄膜的光纖法布里-珀羅聲傳感器的實物圖。

2018年，華中科技大學的Ni等提出了一種基于10nm厚石墨烯膜片的超寬帶光纖聲傳感器[86]，原理圖和實物圖如圖1-24所示。經實驗驗證，該聲傳感器頻率響應范圍為5Hz～0.8MHz，覆蓋了從次聲到超聲的范圍，同時實現了噪聲限制最小可探測聲壓為0.77μPa/Hz1/2＠5Hz和33.97μPa/Hz1/2＠10kHz。由于所制備的EFPI具有封閉的空腔，可以在空氣和水下進行測量。

雖然石墨烯具有超薄厚度、超低質量和高機械彈性等優異性能，但它在空氣中易碎，在傳遞過程中容易破裂。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的衍生物，具有與石墨烯相似的結構，因此具有與石墨烯相似的光學性質。此外，氧化石墨烯薄膜具有制備路線可靠、厚度可控等優點。因此，氧化石墨烯薄膜也可以作為聲敏感膜片[87]。

2020年，重慶大學的Wang等介紹了一種由單模光纖和氧化石墨烯薄膜組成的FPI光纖聲傳感器[88]，聲探測原理圖如圖1-25所示。該傳感器在200Hz～20kHz范圍內保持線性聲壓響應和平坦頻率響應，同時是一種全向傳感器，在10天的測試期內具有很高的工作穩定性。

2021年，南京郵電大學的Wang等提出了一種基于氧化石墨烯法布里-珀羅微腔（GOFPM）的多頻光纖聲傳感器[89]。圖1-26（a）是玻璃管末端的氧化石墨烯薄膜，圖1-26（b）是封裝好的氧化石墨烯法布里-珀羅微腔。單頻聲信號檢測時，信噪比（SNR）可達65.2dB，頻率響應范圍較寬，為400Hz～20kHz，線性度約為1。雙頻和三頻聲信號檢測的信噪比分別為65.1dB和61.8dB。提出的多頻光纖聲傳感器在結構健康監測、光纖水聽器、管道泄漏檢測、生物醫學等領域具有潛在的應用前景。

（4）金屬膜

2016年，哈爾濱工業大學的Liu等采用磁控濺射的方法制備銀薄膜，能更好地控制膜厚，并利用基于正性光刻膠的犧牲層工藝很好地保持了膜片的平整度[90]，實物圖如圖1-27（a）所示。該基于大面積銀膜的光纖FPI聲學傳感器的聲靈敏度為-124.8dB re 1V/μPa，線性壓力響應范圍為2.5～268mPa，在0.2～2.8kHz范圍內表現出平坦的頻率響應，噪聲等效聲信號電壓為83μPa/Hz1/2＠1kHz。上述聲性能表明，其有望用于微弱聲傳感領域。2018年，該課題組又提出一種基于波紋銀膜片的非本征型FPI光纖傳聲器[91]，實物圖如圖1-27（b）所示。這種波紋銀膜片雖然可以提高傳感器的靈敏度，但是相對于同參數的平面銀薄膜，頻率響應平坦范圍較小。

2020年，天津大學的Qi等研制了一種基于飛輪狀不銹鋼膜片的FPI光纖聲傳感器[92]，傳感器結構及封裝如圖1-28所示。該膜片突破了邊緣夾緊圓結構增加厚度和減小半徑所帶來的靈敏度限制。該傳感器在4.5kHz頻率下的聲壓靈敏度為1.525nm/Pa。獲得的噪聲限制最小可探測聲壓為13.06μPa/Hz1/2＠4.5kHz，聲壓信噪比為70.42dB＠4.5kHz。在整個頻率范圍內，可以獲得腔長變化的平均信噪比為62.43dB。高成本效益和小巧的尺寸使該聲學傳感器具有競爭優勢，這對商業應用至關重要。

2021年，廈門大學的Xiang等提出了一種基于金膜片的高靈敏度光纖法布里-珀羅干涉儀傳感器[93]，其由140nm厚的金膜片和光纖準直器端面組成，兩者都被封裝在一個由玻璃管制成的結構中。圖1-29所示為聲傳感實驗系統的原理圖。實驗結果表明，該傳感器具有400Hz～12kHz的平坦響應范圍，壓力靈敏度和最小可探測聲壓級分別為175.7dB re 1rad/μPa＠150Hz和95.3μPa/Hz1/2＠2kHz。該傳感器具有靈敏度高、頻率響應寬、成本低、制作簡單等優點，在實際應用中具有作為高靈敏度、高音質光纖傳聲器的潛力。

此外，基于二氧化硅膜片[94，95]、膠黏膜片[96]、二硫化鉬膜片[97]和硅膜[98]的非本征型FPI光纖聲傳感器也被陸續研制出來，并可用于定向聲學測量、極低頻聲傳感等聲探測領域。然而，膜片作為聲敏感材料，要想實現高靈敏度，則需要膜片的厚度非常薄，但膜片過薄的話又會容易破損而導致聲探測動態范圍較小。同時，頻率響應特性也受膜片的尺寸、類型、厚度等的限制。總之，基于膜片的FPI光纖聲傳感器存在靈敏度、頻率響應和動態范圍之間的權衡，所能實現的聲傳感性能有限。

雖然間接耦合型光纖聲傳感器是目前較為成熟且被廣泛應用的光纖聲傳感技術，但其性能參數在一定程度上受到聲耦合材料的限制。比如，其可以在水中實現大帶寬、高聲壓下的低靈敏度聲探測；在空氣環境中具有高靈敏度聲探測性能，但難以實現大帶寬和動態范圍。