1.2.1 间接耦合型光学声传感器

间接耦合型光学声传感器按光学调制原理可以分为光强调制型光学声传感器、波长调制型光学声传感器和相位调制型光学声传感器等类型。

1.光强调制型光学声传感器

光强调制型光学声传感器利用声波振动影响光传输特性，从而实现声场对光强的调制，最终达到声检测的目的。光强调制型光学声传感器主要包括弯曲波导型光学声传感器、耦合波导型光学声传感器、悬臂型光学声传感器、反射型光学声传感器和移动闸门型光学声传感器。

弯曲波导型光学声传感器[36]、耦合波导型光学声传感器和悬臂型光学声传感器的声敏感单元多为光纤材料，声波扰动使光纤产生微小变形从而影响光纤输出端的光强，通过探测光强的变化实现声检测。1980年，Spillman等提出一种可移动的光纤水听器，将一根固定、一根可移动的光纤末端进行耦合，声波振动引起光纤运动，改变了两根光纤末端之间耦合的光量，从而产生光强调制，如图1-4（a）所示。该光纤水听器实现了100Hz～10kHz的探测频率范围，最小可检测压力为1.26mPa＠500Hz，并能够分辨小至4.3×10-3Å的光纤位移[37]。2004年，Chen等基于熔融锥形光纤耦合器提出一种低成本的光纤超声传感器，如图1-4（b）所示。声波引起熔融锥形区的有效应变场变化，改变了光纤耦合器内的耦合比，通过分析光纤耦合器内耦合比的变化，根据其振幅和频率含量来确定应用的超声场特性。该传感器的频率响应可达数百千赫，适用于探测材料和结构的声发射，性能可与传统的压电式声传感器相媲美[38]。然而，空气与光纤包层和纤芯耦合存在声阻抗匹配不良的问题，导致光纤声传感器只能实现较低的灵敏度。通过使用薄膜等材料匹配声阻抗可以改进上述缺点，常见的方法有在光纤末端黏贴声敏感膜片、改变光纤涂覆层等。

在反射型光学声传感器和移动闸门型光学声传感器中，光纤只作为传光媒质，采用薄膜直接敏感声音。这两类光学声传感器结构简单，多采用MEMS技术来提升器件的响应灵敏度和线性度。2014年，于洪峰等基于MEMS工艺制作了具有低应力波纹结构的声敏感薄膜[40]，将敏感膜片与光纤耦合封装，得到传感器样品，其原理示意图如图1-5所示。声性能测试得到灵敏度为80mV/Pa，频率响应为20～2000Hz。以色列的Opto Acoustics公司制成了移动闸门型光学声传感器产品，它是基于一个微小的MEMS膜片和两根光纤制作的，其原理及产品示意图如图1-6所示。当声波冲击薄膜时，会引起膜的振动，从而改变从输入到输出光纤反射的光的强度。这种声敏感机制检测膜位移的微小变化，分辨率可达几分之埃。

2.波长调制型光学声传感器

波长调制型光学声传感器的一种典型声敏感单元是光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）。当声波振动作用于FBG时，会导致光纤内部光栅常数发生变化，从而使光栅的反射光和透射光的中心波长也发生改变，通过解调光纤的输出光信息即可实现声探测，原理示意图如图1-7（a）所示。该类型的光学声传感器可以克服光强调制型光学声传感器容易受强度波动影响的缺点。

1998年，Fisher等演示了光纤布拉格光栅可用于监测高频超声场，并通过使用短光栅和适当的光纤脱敏显著提高其性能，实现了约4.5×10-3atm/Hz1/2的噪声限制压力分辨率[41]。2005年，香港理工大学的Guan等利用双偏振分布布拉格反射器（DBR）光纤激光器作为声敏感单元，其工作原理是利用高频超声调制光纤激光器的双折射，成功验证了DBR光纤激光器对声压具有线性响应，可探测至少40MHz的声频[42]。2012年，Wu等采用相移光纤布拉格光栅（PS-FBG）作为传感器，通过调制可调谐激光器的输出来直接检测超声应变，实现了宽带高灵敏度的声检测。该系统不受激光强度噪声的影响，可以实现高信噪比和灵敏度，系统检测灵敏度为9nε/Hz1/2[43]。2016年，Sarkar等将两对具有部分重叠频谱的光纤光栅以全桥组合的方式放置在设计合适的高介电常数材料弹性元件的相对两侧，通过弹性元件的振动来调制反射光的强度，基本原理图如图1-7（b）所示。该基于光纤布拉格光栅（FBG）的波长调制型光学声传感器被设计成放置在高压设备内部，可以探测由于部分放电而发出的高频声波，并具有良好的动态响应、信噪比、灵敏度和温度不敏感性[44]。2018年，Zhao等建立了相移光学布拉格光栅的理论模型，详细研究了对称声场和非对称声场中相移光栅的有效折射率引起的波长漂移趋势，然后，分别设计并测试了非对称和对称两种结构的光纤激光声传感器。研究结果表明，非对称封装结构的分布式反馈光纤激光器的波长声响应比对称封装结构的分布式反馈光纤激光器的波长声响应更敏感，在低频段（0～500Hz）灵敏度平均提高约15dB，最大提高32.7dB[45]。然而，由于光谱边带的限制，FBG型光学声传感器相对其他类型的光学声传感器灵敏度要稍低。

3.相位调制型光学声传感器

相位调制型光学声传感器的声探测原理为光纤干涉仪探测声波扰动引起其光路中光程的微小变化，进而实现声探测，主要有四种类型：迈克尔逊干涉仪型[46，47]（Michelson Interferometer，MI）光学声传感器、萨格纳克干涉仪型（Sagnac Interferometer，SI）、马赫-增德尔干涉仪型[48]（Mach Zehnder Interferometer，MZI）光学声传感器和法布里-珀罗干涉仪型[49-51]（Fabry Pérot Interferometer，FPI）光学声传感器。

MI光学声传感器的传感结构多采用单个耦合器将入射激光分为两束，两根末端具有反射率的光纤分别作为参考臂和传感臂，参考臂和传感臂的反射光发生干涉，通过对干涉光的探测实现传感信息测量，原理图如图1-8所示。声波振动会对由光纤大量缠绕或机械振动结构组成的传感臂的传输激光进行调制，从而产生一定的相位变化。对参考臂和传感臂末端的反射结构进行优化，可以提升MI光学声传感器的灵敏度和频率响应。

2011年，国防科技大学的Zhang等将MI系统中的双反射镜替换为只反射双侧光的FBG，在简化了MI光学声传感器结构的基础上实现了在100Hz～2kHz内波动低于0.3dB的频率响应和0.99994的线性响应[52]。华中科技大学的Liu和Fan等先后在2016年和2020年分别将聚合物（PP/PET）膜和金膜作为MI系统中的反射镜，目的是提高光学声传感器的灵敏度。在基于PP/PET膜的MI光学声传感器的光路中，声信号引起的膜片变形将被放大2倍，因此该传感器在90～4000Hz的频率范围内灵敏度超过-128dB re 1rad/Pa，在600Hz处信噪比达到42dB[53]。基于大面积金膜片的MI光学声传感器的相位灵敏度约为-130.6dB re 1rad/＠100Hz。在0.8～250Hz的响应范围内，灵敏度波动小于0.7dB[54]。在响应带宽为5Hz时，该传感器的信噪比（SNR）为57.9dB，最小检测压力（MDP）为10.2mPa/Hz1/2。2021年，大连理工大学的Zhang等采用圆柱形聚氟乙烯管包裹光纤作为无膜片声学换能器[55]，提高了MI光学声传感器对微弱声信号的响应能力，并在响应带宽为1kHz时测得灵敏度为315.3nm/Pa，最小可探测声压级（MDSPL）为20.4dB/Hz1/2（1.9μPa/Hz1/2）。

SI光学声传感器的结构与MI光学声传感器类似，也采用单个光纤耦合器构成。与MI光学声传感器不同的是，SI光学声传感器中不存在参考臂，它是通过对存在光程差的光纤线圈传播方向相反的两束光进行干涉从而实现声探测的，原理图如图1-9所示。SI光学传感器的优点是MI光学声传感器中低频信号干扰的问题可以被改善。

为了提高SI光学声传感器的相位调制能力，研究者找到两种可行的技术方案。一种技术方案是在光纤线圈中加入一段高双折射率光纤或保偏光纤。2013年，Markowski等在SI的光纤线圈环中加入一段熊猫（PANDA）保偏光纤，在空气中实现的平坦频率响应范围为300Hz～4.5kHz[56]。然而，这种结构的SI光学声传感器的声探测频率取决于光纤线圈的尺寸，很难实现宽频带响应。另一种技术方案是在SI系统中引入膜片式声敏感探头。2015年，香港理工大学的Ma等基于这种方案提出了一种新型的SI光学声传感器，并在空气中实现了1～20kHz的频率响应范围[57]。2016年，华中科技大学的Fu等结合上述两种技术方案，将长周期光纤光栅插入基于SI的保偏光子晶体光纤（PM-PCF）中，又引入PET薄膜敏感声音，所提出的声传感器系统实现了331.9μPa/Hz1/2的最小可探测声压和40mV/kPa的灵敏度[58]。

MZI光学声传感器用到两个光纤耦合器，耦合器之间的两根光纤，一根作为传感臂，另一根作为参考臂，两根光纤的输出光叠加后进行干涉，原理图如图1-10所示。从图中可以看出，MZI光学声传感器的工作原理与MI光学声传感器类似，只不过MZI光学声传感器属于透射式光学声传感器，而MI光学声传感器则是反射式光学声传感器。而且，相比MI光学声传感器，MZI光学声传感器的结构要复杂一些。

1977年，Bucaro等首次提出MZI光纤水听器，实现了40～400kHz的频率响应范围，最小探测声压为0.1Pa[59]。2009年，Gallego等提出基于单模聚合物光纤的超声宽带MZI光学声传感器，由于聚合物光纤的杨氏模量相比传统的单模二氧化硅光纤较低，可以在水中与声场更好地耦合，因此，相位灵敏度提高了12倍以上，实验测得相位灵敏度为13.1mrad/kPa，响应带宽高达5MHz。该方法在实现宽频带的同时减小了MZI光学声传感器的结构尺寸，可用于生物医学应用[60]。2016年，Pawar等在MZI中使用了保偏光子晶体光纤，其由两个单模光纤拼接而成，工作波长为1550nm。所得到的MZI光纤水听器可以实现5～200Hz的低频声探测[61]。2021年，Dass等提出了一种新型的光纤水听器系统。它由在传统的单模光纤（SMF）中创建两个锥形的直列MZI（IMZI）结构组成。SMF的锥形被一小段长度的未锥形SMF分开。为了获得更好的灵敏度，IMZI被附着在天然橡胶（NR）的圆形膜片上。该水听器在水下的测试结果为：频率响应范围为15～350Hz，灵敏度为27.93nm/Pa，最小可检测压力为5.53mPa/Hz1/2，说明其可用于低频声学应用，如海底地震测量[62]。

与上述三种干涉仪型光学声传感器不同的是，FPI光学声传感器不需要耦合器和参考臂，具有结构紧凑和高灵敏度的优点。FPI光学声传感器的核心声敏感单元为由两个反射面构成的法珀腔，声场振动引起法珀腔腔长的变化，从而引起干涉光场变化，通过解调出光场的变化实现声探测[63]，原理图如图1-11所示。FPI光学声传感器分为本征型FPI光学声传感器和非本征型FPI光学声传感器。

1）本征型FPI光学声传感器

本征型FPI光学声传感器是指光纤既是光传输元件，也是声敏感元件，由于不需要复杂的外部敏感元件，该类传感器具有结构简单的优点。早在20世纪90年代，Alcoz等就提出一种由连续长度的单模光纤组成，本征型FPI光学声传感器，如图1-12所示，并实现了100kHz～5MHz的超声波探测，可用于现代复合材料的无损检测[64]。

之后，基于单模光纤、实芯光子晶体光纤和空心光子带隙光纤制成的FPIs陆续被提出[65-67]。其中，许多设备用于静态测量，如高温、高压和折射率测量，而动态响应包括超声检测的报道则很少。直到2018年西北大学的Shao等提出了一种基于葡萄柚光子晶体光纤的微全光纤悬芯传感器[68]，如图1-13所示，微米级悬浮核形成本征FPI对大范围的超声波频率具有很高的信噪比和空间分辨率。

2019年，重庆邮电大学的Wang等提出一种用于光学声传感的超细光纤FPI光学声传感器[69]。5µm超细光纤FPI光学声传感器在35MHz带宽上实现了18Pa的噪声等效压力，其测试系统如图1-14所示。该研究成果说明较薄的超细光纤更容易实现强倏逝场，对今后在光声成像等相关传感领域的应用具有重要意义。

2019年，渥太华大学的Fan等提出了一种基于超紧凑光纤的多模双腔FPI超声波传感器[70]，利用压电陶瓷的高次谐波作为超声源，实现了5kHz～45.4MHz的宽带频响，其实验装置示意图如图1-15所示。这种简单、经济的超声设备为无损检测和先进的生物医学应用提供了新的机会。

2）非本征型FPI光学声传感器

非本征型FPI光学声传感器指光纤只起到导光的作用，声敏感元件为薄膜[71]或其他可以随敏感声压变化的探测器件[72]。目前，科研人员研究最多的典型FPI光学声传感器核心声敏感结构为采用光纤末端端面和薄膜构成的法珀腔，容易实现大带宽和高灵敏度。其中，声敏感薄膜有聚合物薄膜、光子晶体薄膜[73]、石墨烯薄膜和金属膜[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纤末端组成的低精细法珀腔，实现了一种非本征光纤超声传感器[77]。该传感器实现了高达25MHz的频响带宽和61mV/MPa的探测灵敏度，其性能可与PVDF膜式水听器媲美，其超声探测示意图如图1-16所示。2000年，他们又通过直接在单模光纤末端沉积聚合物薄膜作为低精细法布里-珀罗干涉仪，实现了一种小孔径宽带超声光纤水听器[78]，其声学性能优于PVDF膜式水听器，在25MHz测量带宽内峰值等效噪声压力为10kPa，宽带响应为20MHz，动态范围为60dB，线性检测上限为11MPa。

2009年，Beard课题组的Morris等又研制了一种可同时测量声压和温度的双传感光纤水听器[79]，用于表征超声场和超声致热。其传感机制是基于对沉积在单模光纤顶端的聚合物膜法布里-珀罗干涉仪中声和热诱导厚度变化的检测，FPI传感结构的原理图如图1-17（a）所示。该传感器在20MHz的测量带宽下实现了15kPa的峰值等效噪声压力，频响带宽为50MHz。除了声压的测量，该传感器还表现出良好的热性能，可以测试高达70℃的温度，分辨率为0.34℃。封装好的光纤水听器如图1-17（b）所示。

Parylene-C是Parylene高分子聚合物系列中具有较大商业价值的一种。2017年，大连理工大学的Gong等基于大面积Parylene-C薄膜提出了一种新型光纤针尖法布里-珀罗声传感器[80]，实物图如图1-18所示。该传感器对外界声压具有良好的低频响应，在频率为20Hz时声压灵敏度为2060mV/Pa，可用于低频微弱声压检测。此外，由于Parylene-C是一种生物相容的光子材料，所提出的传感器在生物医学领域有很大的应用潜力。

（2）光子晶体薄膜

2007年，斯坦福大学的Kilic等提出一种紧凑型光纤法布里-珀罗声学传感器[81]，如图1-19所示，该传感器由单模光纤和外部硅光子晶体反射镜形成，在空气中实现了50kHz的频率响应，最小可探测声压低至18μPa/Hz1/2，比相似类型的光纤声传感器低4个数量级。

2013年，斯坦福大学的Jo等讨论了利用在光纤尖端制作光子晶体薄膜所得到的微型FPI进行光纤声学传感的最新进展[82]，声传感器的横截面图如图1-20所示。该传感器的频率响应在600Hz～20kHz之间是平坦的，归一化灵敏度高达0.17Pa-1；在1kHz～30kHz之间，其平均最小可探测声压为2.6μPa/Hz1/2。这类稳定、紧凑型光学传感器具有在可听范围内进行高灵敏度检测的潜力。

2021年，Lorenzo等基于光子晶体薄膜FPI水听器，描述了一种能够测量心肌细胞声信号的小型水听器的设计、特性和测试[83]。该水听器可以在小于5mm深的小液体体积中工作，并在浸泡过程中引入一个微通道来排气，从而使带宽和灵敏度得到优化。组装好的小型水听器截面图和实物图如图1-21所示。在水中的建模和实验结果显示，带宽为50Hz～18kHz，最小可检测压力为3μPa/Hz1/2。

（3）石墨烯薄膜

2013年，香港理工大学的Ma等报道了一种基于约100nm厚的多层石墨烯膜片的光纤法布里-珀罗声传感器[84]，原理图和实物图如图1-22所示。它在空气中表现出0.2～22kHz的平坦频率响应、60μPa/Hz1/2的噪声等效声压级和1100nm/kPa的声压灵敏度的声性能，可用于高灵敏度的声探测。

2015年，北京航空航天大学的Li等通过采用更薄的多层石墨烯膜片，将该光纤法布里-珀罗声传感器的声压灵敏度提高为2380nm/kPa，证明了使用纳米厚石墨烯膜片设计超高灵敏度声传感器的有效性[85]。图1-23为基于超薄13层石墨烯薄膜的光纤法布里-珀罗声传感器的实物图。

2018年，华中科技大学的Ni等提出了一种基于10nm厚石墨烯膜片的超宽带光纤声传感器[86]，原理图和实物图如图1-24所示。经实验验证，该声传感器频率响应范围为5Hz～0.8MHz，覆盖了从次声到超声的范围，同时实现了噪声限制最小可探测声压为0.77μPa/Hz1/2＠5Hz和33.97μPa/Hz1/2＠10kHz。由于所制备的EFPI具有封闭的空腔，可以在空气和水下进行测量。

虽然石墨烯具有超薄厚度、超低质量和高机械弹性等优异性能，但它在空气中易碎，在传递过程中容易破裂。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的衍生物，具有与石墨烯相似的结构，因此具有与石墨烯相似的光学性质。此外，氧化石墨烯薄膜具有制备路线可靠、厚度可控等优点。因此，氧化石墨烯薄膜也可以作为声敏感膜片[87]。

2020年，重庆大学的Wang等介绍了一种由单模光纤和氧化石墨烯薄膜组成的FPI光纤声传感器[88]，声探测原理图如图1-25所示。该传感器在200Hz～20kHz范围内保持线性声压响应和平坦频率响应，同时是一种全向传感器，在10天的测试期内具有很高的工作稳定性。

2021年，南京邮电大学的Wang等提出了一种基于氧化石墨烯法布里-珀罗微腔（GOFPM）的多频光纤声传感器[89]。图1-26（a）是玻璃管末端的氧化石墨烯薄膜，图1-26（b）是封装好的氧化石墨烯法布里-珀罗微腔。单频声信号检测时，信噪比（SNR）可达65.2dB，频率响应范围较宽，为400Hz～20kHz，线性度约为1。双频和三频声信号检测的信噪比分别为65.1dB和61.8dB。提出的多频光纤声传感器在结构健康监测、光纤水听器、管道泄漏检测、生物医学等领域具有潜在的应用前景。

（4）金属膜

2016年，哈尔滨工业大学的Liu等采用磁控溅射的方法制备银薄膜，能更好地控制膜厚，并利用基于正性光刻胶的牺牲层工艺很好地保持了膜片的平整度[90]，实物图如图1-27（a）所示。该基于大面积银膜的光纤FPI声学传感器的声灵敏度为-124.8dB re 1V/μPa，线性压力响应范围为2.5～268mPa，在0.2～2.8kHz范围内表现出平坦的频率响应，噪声等效声信号电压为83μPa/Hz1/2＠1kHz。上述声性能表明，其有望用于微弱声传感领域。2018年，该课题组又提出一种基于波纹银膜片的非本征型FPI光纤传声器[91]，实物图如图1-27（b）所示。这种波纹银膜片虽然可以提高传感器的灵敏度，但是相对于同参数的平面银薄膜，频率响应平坦范围较小。

2020年，天津大学的Qi等研制了一种基于飞轮状不锈钢膜片的FPI光纤声传感器[92]，传感器结构及封装如图1-28所示。该膜片突破了边缘夹紧圆结构增加厚度和减小半径所带来的灵敏度限制。该传感器在4.5kHz频率下的声压灵敏度为1.525nm/Pa。获得的噪声限制最小可探测声压为13.06μPa/Hz1/2＠4.5kHz，声压信噪比为70.42dB＠4.5kHz。在整个频率范围内，可以获得腔长变化的平均信噪比为62.43dB。高成本效益和小巧的尺寸使该声学传感器具有竞争优势，这对商业应用至关重要。

2021年，厦门大学的Xiang等提出了一种基于金膜片的高灵敏度光纤法布里-珀罗干涉仪传感器[93]，其由140nm厚的金膜片和光纤准直器端面组成，两者都被封装在一个由玻璃管制成的结构中。图1-29所示为声传感实验系统的原理图。实验结果表明，该传感器具有400Hz～12kHz的平坦响应范围，压力灵敏度和最小可探测声压级分别为175.7dB re 1rad/μPa＠150Hz和95.3μPa/Hz1/2＠2kHz。该传感器具有灵敏度高、频率响应宽、成本低、制作简单等优点，在实际应用中具有作为高灵敏度、高音质光纤传声器的潜力。

此外，基于二氧化硅膜片[94，95]、胶黏膜片[96]、二硫化钼膜片[97]和硅膜[98]的非本征型FPI光纤声传感器也被陆续研制出来，并可用于定向声学测量、极低频声传感等声探测领域。然而，膜片作为声敏感材料，要想实现高灵敏度，则需要膜片的厚度非常薄，但膜片过薄的话又会容易破损而导致声探测动态范围较小。同时，频率响应特性也受膜片的尺寸、类型、厚度等的限制。总之，基于膜片的FPI光纤声传感器存在灵敏度、频率响应和动态范围之间的权衡，所能实现的声传感性能有限。

虽然间接耦合型光纤声传感器是目前较为成熟且被广泛应用的光纤声传感技术，但其性能参数在一定程度上受到声耦合材料的限制。比如，其可以在水中实现大带宽、高声压下的低灵敏度声探测；在空气环境中具有高灵敏度声探测性能，但难以实现大带宽和动态范围。