一种激光传音方法及装置的制造方法

一种激光传音方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电传感技术领域，尤其是指一种激光传音方法及装置。
【背景技术】
[0002]传音器，俗称麦克风（英文Microphone )，也称话筒、微音器等，是一种将声音信号 转换为电信号的能量转换器件。它作为一种常见而重要的器件，被广泛应于需要进行声波 传感、记录及保存等的各种重要场合，譬如日常生活中的录音、会议、演出、侦查、窃听等，科 学研究及工程实践领域中的声波测量，W及军事领域的水声测量等。我国古代神话故事中 的"顺风毕'即是人们对于传音器的最初认识；2500年前，我国便出现应用于军事领域的高 灵敏度传音器"听瓷"。20世纪W来，传音器技术发展迅速，由最初通过电阻转换声电发展为 电感、电容式转换，大量新的传音器技术逐渐发展起来，运其中包括侣带、动圈等麦克风，W 及当前广泛使用的电容麦克风和驻极体麦克风。此外，近些年来MEMS(微型机电系统)麦克 风发展迅速，它是实质上是一种基于MEMS技术制造的麦克风，简单的说就是一个电容器集 成在微娃晶片上。
[0003] 人们对于高品质传音器的研究从来没有停止。近些年来，一些新型的传音器方案 不同被提出。运些方案中，基于光学原理的传音器方案因灵敏度高、抗干扰能力强、性能稳 定性好等优点而备受关注，其公开发表或申请专利的方案也较多。光学传音器主要可W分 为光纤传音器和激光传音器两种，其中光纤传音器研究较多，如2005年李军等人申请的一 种光纤麦克风（申请号200520060813.6)、2009年郑丹奎等人申请并已授权的基于多模干设 的声光转换方法(专利号化200910311675.7),?及2010年张文涛等人申请的一种光纤激光 麦克风（申请号201010111340.3)。此外，公开报道的光纤传音器研究也较多，如2007年，吴 东方等人公开的一种基于MZ干设仪的光纤麦克风方案;2008年，张红菊等人发表的一种光 纤麦克风探头(应用光学，第29卷第5期，2008)、2009年，王静等人报道的一种光纤bragg光 栅麦克风(仪表技术及传感器，第10期，2009);激光传音器方案近些年W来研究也较多，如 200 5、20 12年，由潘龙、L ·卢斯特等人分别申请的光学麦克风专利（申请号 200810126739. U201210253247.5) ,2011年，由金子由利子等人申请并授权的二氧化娃多 孔体及使用其的光学麦克风专利(专利号化201180040135.5) ,2012年寒川潮、岩本卓也等 人申请的光学麦克风专利（申请号为201280003760.7、201280003195.4)等等。
[0004] 综合研究分析现有的光学传音器方案及装置可发现:现有的高灵敏度光学传音器 方案绝大多数基于光纤传感或光学干设技术(如半导体激光器自混合干设测量、迈克尔逊 干设测量W及光纤化agg光栅传感等技术)进行高灵敏度振动测量，将声波引起的振动转换 为光强信号，并由此实现声波到电信号的转换。运些方案灵敏度较高、动态响应范围大，但 普遍存在结构较复杂、稳定性较差，受环境影响较大的弊端。

【发明内容】

[0005] 本发明针对现有光学传音器方案及装置在结构复杂程度、功能稳定性能W及环境 适应能力等方面存在的不足，基于激光腔内增强技术及光学隧穿效应，提出一种激光传音 方法及装置，该方法及装置具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强等特点，有望在传统传音器领 域W及其他需要进行高灵敏度声波测量领域得到广泛应用。
[0006] 本发明为解决其技术问题提供的技术方案:一种激光传音方法，包括W下步骤：
[0007] S1:搭建一个包含有全反射棱镜的激光器，使得激光器腔镜与全反射棱镜全反射 面组成折叠型或者环形谐振光路，且激光器谐振光在全反射棱镜全反射面上全反射；
[0008] S2:在距离全反射棱镜全反射面外侧的激光波长量级处放置晓性形变体，激光器 谐振光在晓性形变体与全反射棱镜全反射面之间形成光学隧穿通道；
[0009] S3:声波引起晓性形变体产生形变，引起全反射棱镜全反射面与晓性形变体之间 的光学隧穿距离发生改变，使得激光器谐振光在全反射棱镜全反射面处的隧穿光功率发生 改变，将激光器增益保持恒定，测量激光器输出光功率，实现激光传声功能。
[0010] 本发明还提供了一种激光传音装置，主要由高反射率镜片1、激光器腔体2、光学增 益介质3、累浦源4、全反射棱镜5、摆片6、光电探测器7及信号处理电路8组成，其中，高反射 率镜片1、激光器腔体2、光学增益介质3、累浦源4及全反射棱镜5构成一个激光器，全反射棱 镜5的全反射面与高反射率镜片1构成激光器谐振光路，所述激光器谐振光路在全反射棱镜 5全反射面上实现全反射，摆片6为晓性形变体，作为声波敏感元件固定在全反射棱镜5全反 射面上，且摆片6内侧中屯、区域与全反射棱镜5全反射面之间的距离为激光波长量级，由此 在摆片6内侧中屯、区域与全反射棱镜5全反射面之间形成光学隧穿通道，摆片6感受沿垂直 于摆片侧面方向的声波，将声波转换为摆片沿垂直于其侧面方向的形变，引起全反射棱镜5 全反射面与摆片6内侧中屯、区域之间的光学隧穿距离发生改变，使得激光器谐振光在全反 射棱镜5全反射面上的隧穿光功率发生改变，恒定激光器增益，利用光电探测器7测量激光 器输出光功率的变化，所述光电探测器7输出信号经信号处理电路8后，实现激光传音。
[0011] 进一步地，所述高反射率镜片1可W为多片，与全反射棱镜5全反射面组成的光学 谐振腔为折叠型或者环形谐振光路；
[0012] 进一步地，所述全反射棱镜5的一个非全反射面锻制高反射率膜，与全反射棱镜5 的全反射面及高反射率镜片1组成折叠型或者环形谐振光路；
[0013] 进一步地，所述全反射棱镜5的非全反射面均锻有增透膜或者设计成布鲁斯特角 度，W减少激光能量损耗；
[0014] 进一步地，所述光学增益介质3为气体、半导体、染料、固体等各种能提供光学增益 的物质；
[0015] 进一步地，所述摆片6为光学材料平行薄片，在垂直于侧面方向容易因外部压力发 生形变；
[0016] 进一步地，所述摆片6的光学折射率大于介于摆片6与全反射棱镜5全反射面之间 空气的折射率；
[0017] 进一步地，所述摆片6两侧面具有较好的光学质量，其表面粗糖度达到甚至优于纳 米量级；
[0018] 进一步地，所述摆片6 W涂胶或者铜封方式或者锻膜光胶方式固定在全反棱镜5全 反射面外侧的激光波长量级处；
[0019]本发明具有W下优点：
[0020] (1)原理直观，结构较为简单，易于实现；
[0021] (2)结构紧凑、集成程度交高，抗恶劣环境条件能力强；
[0022] (3)利用激光腔内增强技术及光学隧道效应，探测灵敏度高；
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的结构示意图。图中，1高反射率镜片、2激光器腔体、3光学增益介质、 4累浦源、5全反射棱镜、6摆片、7光电探测器及8信号处理电路组成。
[0024] 图2为摆片实施例一的俯视图及剖面图；
[0025] 图3为声波激励下全反射棱镜透射损耗及氮氛激光器输出光功率模拟仿真曲线。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步介绍。
[0027] 如图1所示，一种激光传音装置主要由高反射率镜片1、激光器腔体2、光学增益介 质3、累浦源4、全反射棱镜5、摆片6、光电探测器7及信号处理电路8组成。全反射棱镜5、摆片 6均为石英玻璃材料，各元件表面均经过抛光处理，为光学表面，其中全反射棱镜5为直角等 腰棱镜，摆片6为圆形薄片。图2为摆片实施例一的俯视图及剖面图。
[0028] 为清楚阐述本发明，结合图1和图2详细说明本发明系统结构及其工作过程。如图1 所示，光学全反射棱镜5-侧直角面锻有增透膜，在其另一侧直角面锻有高反射率膜，高反 射率镜片1、全反射棱镜5全反射面（即斜面)与全反射棱镜5锻有高反射率膜的直角面组成 折叠型光学谐振腔，谐振光在全反射棱镜上全反射，在高反射镜片1与全反射棱镜5锻有增 透膜的直角面之间有激光器腔体2,激光器腔体2中屯、有小孔，孔内密封有光学增益介质3-氮氛气体，累 浦源4为高压电源，为氮氛气体提供增益，由此组成一个氮氛激光器，氮氛激光 器谐振光在全反射棱镜5全反射面上实现全反射。在距离全反射棱镜5全反射面外侧的激光 波长量级处固定有石英摆片6,其厚度接近甚至小于20μπι，为晓性形变体，石英摆片6内侧中 屯、区域与全反射棱镜1全反射面之间形成光学隧道通道，石英摆片6作为传感元件感受声波 声压变化，改变石英摆片6内侧中屯、区域与全反射棱镜5全反射面之间的光学隧穿距离。光 学隧道距离的变化导致氮氛激光器在全反射棱镜全反射面处的隧穿光功率改变，直接引起 氮氛激光器腔内损耗的变化，恒定氮氛激光器增益，腔内损耗的变化直接导致氮氛激光器 输出光功率出现相应变化，利用探测器7实现氮氛激光器输出光功率的光电转换后，由信号 处理电路8完成激光传音器功能。
[0029] 本发明源对光学隧穿效应原理的学习 W及对于激光腔内增强效应的理解，其本质 是利用摆片形变感应外界压力变化，并由光学隧道效应引起的激光器腔内损耗的变化，最 终通过检测激光器功率的波动实现声波信号的拾取。为清楚阐述本发明的测量原理，先来 了解光学原理中一个重要的概念，即光的全发射现象及消逝波(又称为隐失场或者倏逝波） 概念【下德金，"光学隧道效应，"《大学物理》，1991，37~38】。如图1所示，当光波在从折射率 为化的光密介质1入射到折射率为化的光疏介质2,且入射角度大于全反射角Θ。时【0c = sirTi (化/Ni)，Ni>化】，光波在全反射面的外侧并不立即消失，而是透入到光疏介质2约波长量级 的深度其振幅随着Z按指数规律衰减，并且在入射面内沿着界面方向传播一段距离后，再返 回到光密介质1【季家镑，"高等光学教程-光学的基本电磁理论，"科学出版社，2007,74~ 83】。若在折射率为化的光疏介质2的外侧放置另一种折射率为化的光密介质3(化〉化），并使 得光疏介质2与光密介质3的界面平行且距离为波长量级时，光波能从光密介质1通过光疏 介质2进入光密介质3,运种现象即被称为光学隧道效应，此时光学全反射条件被破坏。假设 光疏介质2为空气，光密介质1与光密介质3为同等玻璃材料，即化=化=N，则可得到如下公 式：
[0030]
[0031] 式中的δ*为全反射棱镜全反射面的透射率，It为隧穿光(透射光)功率，1〇为总入射 光功率，Z为两光密介质2与3间的距离（即光疏介质2的厚度），λ为空气中的光波长、Θ为入射 角。从公式（1)可知，当全反射棱镜全反射面作为作为激光器的其中一个反射镜时，光学隧 道效应的存在直接导致激光器腔内损耗的增加（即全反射棱镜全反射面的透射损耗），在激 光器增益保持恒定的情况下，其输出光功率也随之变化【周炳瑕等，激光原理(第6版），国防 工业出版社，2010，169-174】，对于非均匀加宽单模激光器而言（如氮氛激光器），其对应关 系如下公式：
[0032]
[0033] 式中，Ρ为激光器输出光功率，A为激光束的有效截面面积，Is为激光饱和光强，gm为 激光器增益系数，1为增益长度，δ为激光器腔内损耗。结合式(1)，从式(2)可W看出：当全反 射棱镜的透射率St受到外界声波调制时，其激光器的输出光功率也相应变换，即实现激光 传音器的功能。
[0034] 为进一步清楚阐述本发明，对外界声波引起的摆片振动所引起的氮氛激光器功率 变化情况进行计算机模拟仿真，仿真中设定高反射率镜片1、全反射棱镜2高反射率膜面反 射率的反射率均为99.995%，摆片3与全反射棱镜2全反射面之间的初始距离设为2. Ομπι，外 界声波频率为1000化，引起的摆片振幅为lOnm;设定氮氛激光器的阔值为2mA，饱和功率3mw (饱和电流10mA)，当工作电流恒定为6mA。如图3所示，图3(上)为外界声波引起摆片振动导 致的全反射棱镜全反射面处的透射损耗变化曲线，即光学隧道信号透射导致的氮氛激光器 腔内损耗；图3(下）为由此导致的氮氛激光器功率变化曲线，可W看出，本发明可实现对外 界声波的高性能探测，其探测灵敏度可通过进一步减少腔内损耗大小、增减薄摆片底部厚 度等措施来进行优化。
[0035] W上是发明人给出的本发明一个实现的具体例子，但本发明并不局限于该实例。 只要是在本发明技术方案结构上做的简单变化，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种激光传音方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： S1:搭建一个包含有全反射棱镜的激光器，使得激光器腔镜与全反射棱镜全反射面组 成折叠型或者环形谐振光路，且激光器谐振光在全反射棱镜全反射面上全反射； S2:在距离全反射棱镜全反射面外侧的激光波长量级处放置挠性形变体，激光器谐振 光在挠性形变体与全反射棱镜全反射面之间形成光学隧穿通道； S3:声波引起挠性形变体产生形变，引起全反射棱镜全反射面与挠性形变体之间的光 学隧穿距离发生改变，使得激光器谐振光在全反射棱镜全反射面处的隧穿光功率发生改 变，将激光器增益保持恒定，测量激光器输出光功率，实现激光传声功能。2. -种激光传音装置，其特征在于：所述装置主要由高反射率镜片（1)、激光器腔体 (2)、光学增益介质(3)、栗浦源(4)、全反射棱镜(5)、摆片(6)、光电探测器(7)及信号处理电 路(8)组成，其中，高反射率镜片（1)、激光器腔体(2)、光学增益介质（3)、栗浦源(4)及全反 射棱镜(5)构成一个激光器，全反射棱镜(5)的全反射面与高反射率镜片（1)构成激光器谐 振光路，所述激光器谐振光路在全反射棱镜(5)全反射面上实现全反射，摆片(6)为挠性形 变体，作为声波敏感元件固定在全反射棱镜(5)全反射面上，且摆片(6)内侧中心区域与全 反射棱镜(5)全反射面之间的距离为激光波长量级，由此在摆片(6)内侧中心区域与全反射 棱镜(5)全反射面之间形成光学隧穿通道，摆片(6)感受沿垂直于摆片侧面方向的声波，将 声波转换为摆片沿垂直于其侧面方向的形变，引起全反射棱镜(5)全反射面与摆片(6)内侧 中心区域之间的光学隧穿距离发生改变，使得激光器谐振光在全反射棱镜(5)全反射面上 的隧穿光功率发生改变，恒定激光器增益，利用光电探测器(7)测量激光器输出光功率的变 化，所述光电探测器(7)输出信号经信号处理电路(8)后，实现激光传音。3. 根据权利要求2所述激光传音装置，其特征在于:所述高反射率镜片（1)为多片，与全 反射棱镜(5)全反射面组成的光学谐振腔为折叠型或者环形谐振光路。4. 根据权利要求2所述激光传音装置，其特征在于:所述全反射棱镜(5)的一个非全反 射面镀制高反射率膜，与全反射棱镜(5)的全反射面及高反射率镜片（1)组成折叠型或者环 形谐振光路。5. 根据权利要求2所述激光传音装置，其特征在于:所述全反射棱镜(5)的非全反射面 均镀有增透膜或者设计成布鲁斯特角度，以减少激光能量损耗。6. 根据权利要求2所述激光传音装置，其特征在于:所述光学增益介质(3)为气体、半导 体、染料、固体等各种能提供光学增益的物质。7. 根据权利要求2所述激光传音装置，其特征在于:所述摆片(6)为光学材料平行薄片， 在垂直于侧面方向容易因外部压力发生形变。8. 根据权利要求2所述激光传音装置，其特征在于:所述摆片(6)的光学折射率大于介 于摆片(6)与全反射棱镜(5)全反射面之间空气的折射率。9. 根据权利要求2所述激光传音装置，其特征在于:所述摆片(6)两侧面具有较好的光 学质量，其表面粗糙度达到甚至优于纳米量级。10. 根据权利要求2所述激光传音装置，其特征在于:所述摆片(6)以涂胶或者铟封方式 或者镀膜光胶方式固定在全反棱镜(5)全反射面外侧的激光波长量级处。
【专利摘要】本发明公开了一种激光传音方法及装置，属于光电技术领域。本发明基于激光腔内增强技术技术及光学隧穿效应，提出的一种激光传音方法及装置主要由高反射率镜片、全反射棱镜、光学增益介质、泵浦源、挠性形变体、光电探测器及信号处理电路组成。本发明灵敏度高，性能稳定，环境适应能力强，有望在传统传音器领域以及其他需要进行高灵敏度声波测量领域得到广泛应用。
【IPC分类】H01S3/08, H04R23/00
【公开号】CN105490142
【申请号】CN201510955730
【发明人】谭中奇
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月17日