专利名称:自振荡光谐振传感器的制作方法本发明涉及以光纤为基础的通信和测量装置的领域，更详细地说，涉及采用沿光纤传输的未调制光作为低电平能源的光激励振荡谐振元件装置和方法。单根光纤将光能载送到一个换能器，在该换能器中将被测量加到一个谐振元件，用干涉测量法结合光动力效应检测和驱动该谐振元件。随着以光纤为基础的通信和生产过程的控制的优越性日益为人们所周知，各种通过光纤将低电平的光能传输到传感器处以进行规定的测量并将测量信息通过光纤通路送回到控制和测量地点的简单、开销不大、可靠的方法愈来愈受到重视。这类过程控制系统的设计人员所面临的许多问题中包括需要有数量不多的低亮度级光路，和这样一种准确可靠的测量方法，使得所获得的测量信息可借助于光纤信号准确传递。在应用谐振元件传感器时，特别重要的一点是要研制出低功率、高效率的传感器、以便调制可利用的光。其中一个问题是为降低将谐振器驱动到适当的电平所需要的光功率阈值获取光机械环路高增益的问题。那种受力作用的谐振元件其谐振频率为加到该谐振器的拉力(或压力)的函数的仪器是大家所熟悉的。测力仪即可基于这种关系进行测力，具体作法是令谐振器振动，同时往其上加一个拉力或压力，然后测量量其振动频率;这是迄今公认的事实。这个原理在振动金属丝谐振器的应用，在美国专利4，329，775中有介绍。为了进行这个篇幅有限的介绍，“过程控制”一词包括涉及大量能表示诸如加速度、流体流量、流率、温度、压力、压差、液面以及它们的等效值和导数等物理参数或“被测量”受控制过程各条件的单变量过程和复合多变量过程。这里使用的“谐振机械结构”、“谐振器”和“谐振元件”等词通常是指梁(空心梁、悬臂梁和悬臂空心梁和双梁元件或其它多梁元件)和带材、金属丝或其它制品，以及它们的同等物，所有这些制品都可在特定振荡频率下使其谐振。具体地说，包括单端和双端式品种的音叉结构以及多叉式音叉结构。“光纤”、“光学纤维”和“光能”通路或通路装置及其等效术语是指单模或多模光纤通信通路，这些通路可以是由单根或多根玻璃纤维制成的单根光能导体。这里使用的“光能”、光或光通量包括波长在0.1和100微米之间的电磁辐射能，尤其包括红外、紫外和可见电磁辐射能。为简单计，这类电磁辐射能概括起来而且毫无限制地可以指“光”光通量或光能。这类光能还可以说成是“稳定的”或“连续的”或“未调制的”，以区别于经变换用以传递信息用的光能信号。“光能”一词具体包括相干和非相干光能。“调制”一词在这里用得很多，它用以表示改变光束的一些特性，使其随另一信号的瞬时值同步变化，在这里可具体用以表示调幅和调频。“未调制的光能”是指在这种意义上未经调制的光能。“单色的”一词是指由单个波长组成的光能。“准直光”是指具有大致上使其平行于某一线或方向的光线的光能。“流体”一词包括气体和/或液体。“力”一词用以表示能使一个物体移动或改变其运动的任何物理参数或现象，具体包括作用于单位面积上的力(压力)和任何能转换成压力的参数或现象。“换能器”一词用以表示将能量从一种形式转换成另一种形式的器件。这里使用的“光电换能器”、“电光换能器”、“光动能换能器”等词具体表示用以将光能转换成电能、电能转换成光能或光能转换成动能用的器件的类别。应该指出的是，在能量转换过程中，可能会出现能量在转换成目的形式中先转换成中间形式的情况。
这里使用的“光热效应”和“光动力效应”二词是指冲击着适当表面或表面涂层的光子引起局部发热，这种发热足以使涂层或衬底局部膨胀，从而产生运动的现象。
本发明涉及一种安置在生产环境中具有能检测诸如压力、压差、力、加速度或温度等欲测定的被测量的结构的自振荡光激励谐振传感器。光能由一个未调制的光能源最好经由光纤传递到传感器处。光能源与检测装置一起安置在例如控制室等远地适当场所，以经由光纤和光纤分路器接收背反射的调制过的光能。就是说，与被测量有关的调制能沿同一根光纤被反射回远地处。
本发明的自振荡谐振换能器采用干涉测量技术，其中，振动谐振机械结构的动作有效地调制所收到的部分光能，而且有利地将部分调制光转换成谐振器振动的机械能。这是以这样一种方式进行，使其可以通过局部的反馈提高振动谐振元件的谐振动作，从而使它保持振荡。谐振元件自振荡结构的这些功能可以联合应用到一系列实用的设计中。本发明的公开内容包括两具体实施例第一最佳实施例应用法布里-珀罗光腔干涉仪的原理作为自振荡谐振器的一个主要部分。在第二最佳实施例中，采用了米切尔森干涉测量技术达到自振荡谐振传感器所需要的灵敏的光调制。本发明的一个重要优点在于维持振荡所需的正反馈环路封闭件可完全安置在传感器处。这里还介绍了这些实施例的其它方案。
仔细研究作为本发明一部分的若干附图即可清楚了解这里所公开的本发明的许多特点。图中，各实线箭头用以表示稳定光在线路中传播的方向，虚线箭头用以表示脉冲或调制光的方向。准直光通常以例如偏离光源的方式表示，光到达一个透镜后大体上被会聚在平行路线上。在各图中，相同的编号表示相应各部件
图1是本发明简化的方框图。
图2是法布里-珀罗干涉测量法应用于入射到一个透明腔上的单束平行单色光的示意图。
图3通过曲线表示了本发明出现高效调制过程的各个时刻。
图4是本发明第一最佳实施例光动力机构的示意图。
图5是若干与图4所示的装置工作情况有关的值随时间变化的曲线图。
图6是双音叉谐振换能器。
图7是图6自A-A部分截取的视图。
图8表示了为图6和7实施例提供正反馈的腔宽的若干适当静止值。
图9展示了本发明的一个实施例，其中调制了的透射光束从一个音叉叉杆外部表面出来，通过一个光电管驱动一个谐振器。
图10是又另一个有关的实施例，其中，双音叉的一个或两个内腔表面有一层光热性活性涂层。
图11用曲线表示了适合图10实施例的静止腔宽。
图12是一个简单的普通米切尔森干涉仪的示意图。
图13是在单色平行光的场合图12目标反射镜移动时透射光通量的调制过程。
图14展示对与一个微谐振器配用的基本米切尔森干涉仪所作的改进。
图15是图14的目标反射镜移动时透射光通量的变化情况。
图16是米切尔森干涉仪的平面图，其中，谐振换能器代替了图14所示的米切尔森的可动镜面。
图17为图16装置的立视图。
图18至21为适宜与本发明的米切尔森干涉仪实施例配用的棱镜分束器和谐振器的多向视图。
图22是棱镜分束器的另外一个视图。
图23是采用四端口耦合器的另一个米切尔森驱动系统示意图。
图1的方框图展示了自振荡谐振传感器系统10。从图中可以看到光驱动谐振传感器20、光源22、光纤通路24、光纤分路器25、检测装置26，还包括产生输出信号30用的输出装置28。
自振荡光驱动谐振元件传感器20系安置在生产环境中，它具有适宜检测诸如压力、压差、力、加速度或温度等欲测定的被测量的结构，并最好通过光纤24接到未调制光能的光源22上。光能源可和检测装置26一起安置在远处诸如控制室等里面，以通过光纤24和光纤分路器25接收经调制和背反射的光能。普通检测装置26和输出装置28可用以接收光调制频率，并将其转换成被测量的值，以发出输出信号30。
自振荡光驱动谐振传感器20除检测被测量并返回光频信号外，还兼有若干新功能。振动结构的运动采用干涉测量技术藉反射有效地将所收到的部分光能加以调制。接着，一部分调制过的光藉上述光热效应被转换成谐振器的振动机械能。这是通过正反馈的方式来提高谐振运动进行的。振动环路在测量现场闭合。
众所周知，为了要起光驱动的机械谐振器的作用，(图1所示的)光机械环路的环路增益应等于或大于1。参看下面的方程Ⅰ，后面将予以介绍。
假设光调制和谐振器的运动具有正反馈所需的正确相位，则当G1＝(Imod/Io)(1/△x)和G2＝(△x)/(Imod)时，这时，对自保持振荡来说G＝IoG1G2≥1 方程Ⅰ其中
G为光机械环路的总增益G1为采用振动谐振器时未调制光对调制光的增益或传递函数G2为调制光对谐振器振动运动的增益或传递函数Io为未调制光通量或入射到谐振结构上的光能△x为谐振结构的运动幅度从方程Ⅰ可以看出，为保持振荡继续进行，光机械环路增益应至少等于1。
值得注意的是，为获得正反馈，光机械驱动应与调制光具有正确的相位关系。
要使总增益(G)大于1，一定要超过光源或未调制光通量或光能(Io)的一个阈值。本发明的设备最好应具有足够的未调制光对调制光的增益值(G1)和调制光对机械运动增益值(G2)，这样才能使光通量(Io)可减少到几微瓦的程度。这最好与廉价的光源及光纤通路装置加以协调。
激励光能源一旦加上，传感器中就会因偶然环境噪音的小漂移而产生相干谐振，直到振幅增加到总环路增益降到1的一点为止。振动在高振幅下进行是会出现过量耗损的，再加上干涉测量调制系统固有的自我限制特性，因而是不会无限增大的，从下面的说明中即可理解这一点。
后面即将详细谈到如何将谐振结构的这些功能结合到若干实际设计中去，但仅仅是举例说明而已。本发明包括这些实例及其等效实例。第一最佳实施例采用了法布里-珀罗光腔作为自振荡谐振器的一个主要部分。
在图2中可以看到未调制的入射光束40(该光束包括光通量(Io))、部分反射界面42、形成法布里-珀罗光腔43的光腔、部分反射界面44和形成透射光通量(It)一部分的毗邻透射光线46、48。
图2示意画出了未调制光通量(Io)的光束40，入射到部分反射的界面42上。该光束分两路走透射光线(It)和反射光线(Ir)。
图2和图3是周知的法布里-珀罗干涉测量原理的示意图，这在赫克特·E和萨杰克(Zajac)·A合著的《光学》(艾迪生-韦斯利公司出版读物MA，1979)第306至311页有更详尽的介绍。在图2中，大致平行和大致单色的光束入射到以两部分反射界面42和44为界的透明腔43中。于是发生多次反射和透射，产生复合反射光束(Ir)和复合透射光束(It)。诸如46和48的两毗邻透射光线之间的光程差方程Ⅱ中所示。
△＝(4πxnc/λ)cosθOPD＝2xnccosθ 方程Ⅱ其中△为毗邻各透射光线之间的相位差OPD为两毗邻透射光线之间的光程差(还应参阅图2，光线46和48)λ为在真空中的波长nc为空腔内介质的折射率θ为空腔内光线的入射角x为腔宽方程Ⅱ表示了图2所示各毗邻透射光线之间的光程差和相位。
随着腔宽的增大，个别反射和透射波Ir和It产生干涉，因而使复合反射和透射光束中的光能发生变化，如图3所示。发射功率用爱里函数(方程Ⅲ)表示，上述《光学》一书中论述了爱里函数。
方程Ⅲ其中F＝4R/(1-R)2，费内歇系数R为隔离取得的各腔界面(42和44)的反射系数
为爱里函数图3表示透射和反射的光能如何随毗邻光线(例如图2中的光线46和48)之间的相位差而变化。图3中诸点P1′、P2′表示相位差值△，在此场合下，△只要发生很小的变化，It或Ir就以最快的速度变化，因而对应于使光达到最大调制程度的所希望相位差的工作值。
对方程Ⅲ进行微分即可求出这些△值，这时调制效率最大，或△最大斜率于是可从方程Ⅳ求出相应的腔宽x的期望值。It在P1点随△而减小，但在P2点随△而增加。利用对光调制相对于腔空间x在符号方面的这个选择以确保在自振荡谐振环路中的正反馈，这在下面即将谈到。
X(最大斜率)＝ (λ)/(4π) ·△(最大斜率)- (Nλ)/(2nCcosθ)方程Ⅳ其中N＝0，1，2…方程Ⅳ说明如何选用腔宽x(最大斜率)使调制灵敏度达最大值。
上述有关法布里-珀罗干涉的简介可推广应用到不完全平行或非单色的入射光。空腔内部可涂以涂层以提高其反射性，从而增加干涉条纹的对比度或“技巧”。这些内腔涂层可采用吸收性材料，在这种情况下，推导方程Ⅲ所用的一般理论的推论表明，腔宽x变化时，被吸收的光发生变化。在下面的讨论中在适当时候将谈到这些附加性能。内腔表面最好在光学上是扁平而平行的，最好在使用中的光波长的几分之一的范围内。
自振荡谐振器值得推荐的光机械驱动机构是基于与此有关的待批美国专利申请书06/755，646(见图4和5)中公开的光动力效应，下面即将介绍。
从图4中可以看到，金属膜50处在固定在端部支撑54之间的固定梁谐振器衬底52的表面上。
光动力效应是一个复杂的现象，目前尚未完全搞清楚。下面谈谈该效应的一些主要特点。调制光(Imod)经例如适当安置在谐振器衬底52上的金属膜50所吸收，促使金属膜膨胀，从而使衬在底下的衬底因膨胀程度不同而产生弯曲或剪切力。这是应力产生振动的作用原理。谐振器就是如在这里所示的固定端部的梁谐振器衬底52，它由支撑54紧紧地夹住。当调制光的频率与相位相当于谐振结构的自然频率时，谐振器就会吸收能量并将其作为所增加的动能储存起来。总之，梁振动。
入射到金属膜50上的调制光与谐振器因谐振而引起的运动之间的相位关系是在光机械振荡环路中获取正反馈的一个因素。例如，该相位关系最好是这样，使得当光通量最大时，梁处在其朝下的最大振幅，且涂层(金属膜)50处在最大压缩应力作用下。
这种合适的相位关系可以取如下方式(见图5)。金属膜中的温升(以温度的变化△T表示)为光通量的积分值，滞后光通量90度。金属膜与光所引起的温度变化同相位膨胀和收缩，从而使梁运动。梁的最大振幅会滞后最大应力90度。因此，在图4中，当入射到金属膜50上的光通量处于最大值时，梁处于朝下的最大振幅。
在此实例中，光强度与运动之间具有这样的相位关系，使得谐振器振幅最大值与光通量最大值相当。重要的一点是，在谐振器运动量最大时产生最大光通量的干涉测量调制技术还可用以灵活选择使正反馈量最大所需要的在干涉条纹任一侧的工作点。
上面是实现作为本发明一种所谓光热或光动力效应的物理现象的基础。还有其它的实施方案。例如，视乎谐振器的材料，可以使光-热-动能的转换无需使用金属膜。
现在谈谈将这些功能综合在一起的自振荡谐振结构。图6至11画出了一般叫双音叉(DTF)式的谐振换能器61。授予埃尼斯(EerNisse)的美国专利4，372，173是这类换能器的一个例子。DTF是以具有高Q值(这里Q是作为谐振锐度或谐振器频率选择性的量度)的平衡式机械结构而知名的。在基本模式下谐振时，两叉臂反相位迂曲移动，最大振幅处于中心位置。若往DTF上纵向地施加轴向拉力F，频率就提高。
从图6中可以看到第一叉臂62内表面的部分反射界面42、空腔43、第二叉臂64内表面的部分反射界面44、金属膜50、端部支撑54(至少其中一个在正常情况下可随被测量而运动，该被测量可以是改变谐振器60的压缩力和/或拉力的作用力或等效力)、双音叉谐振器60、谐振元件61、叉62的外表面66和叉64的外表面68。
从图7可以看到空腔43、金属膜50、第一叉62和第二叉64。
图6至11是DTF的示意图，其中各梁的宽度(w)厚度(t)比小，这减小了在弯曲方向上的刚度。这连同高Q值一起有利于梁在某一给定量所吸收的机械能下较大的漂移。
本发明的DTF谐振器60系制成具有透明的叉62、64。叉62、64之间空间的内表面(部分反射界面42和44)形成象图2所示和介绍的那一种法布里-珀罗光腔43。腔宽(“x”)可选得接近x(最大斜率)，这时x有很小的振荡，光调制程度就最大。参看方程Ⅳ和上面对法布里-珀罗干涉仪的介绍。
在图6和7中，金属膜50系淀积在叉64的外表面68上。在叉62的外表面66上淀积上一层防反射的涂层(图中未示出)可能有利。金属膜50吸收透过腔43透射的调制光束(It)，并按结合图4和5在前面所作的介绍那样将光能转换成机械能。从图中还可以看到未调制光通量Io和反射光线Ir。
从图8中可以看到对应于x(最大斜率)的静止腔43的间距x(即It/Io对x的关系曲线上的最大斜率点)，前面已经谈过，在x(最大斜率)下能有正反馈。
从图9中可以看到空腔43、端部支撑54、双音叉谐振器60、谐振换能器61、第一音叉叉62、第二音叉叉64、叉64的外表面68、光电探测器70和变压器67。
图9是本发明另一个实施例，其中调制透射光束(It)从叉64的外表面出来，为光电探测器70或其它光电换能器(例如光电管)所吸收。表面66和68可以涂上防反射层，这样做有好处。光电探测器70所产生的电能可用以通过阻抗匹配变压器67驱动谐振器60。这可用普通的方法付诸实施，例如，若谐振器60是由压电材料(例如石英晶体或其等效材料)制成的则可应用压电效应，或对压电性能差的衬底则可采用诸如氧化锌(ZnO)等压电淀积膜(图中未示出)。后者在待批美国专利申请书06/726，455中有介绍。
光电探测器70可直接结合到叉64的下部表面68上。若衬底材料为(例如但不局限于)硅或其类似材料，则更应这样做。
当然，还有其它熟悉本专业的人士所熟知的机电驱动机构。
从图10可以看到叉62的内表面-部分反射界面42、空腔43、叉64的内表面-部分反射界面44、端部支撑54、部分反射涂层或膜53、55、谐振器60和谐振换能器61。
在图10另一个可供选择的实施例中，内腔43的叉表面(部分反射界面)42和44可以只在一个表面或两表面上涂上部分反射薄膜53、55，它们之中至少有一个可以是具有部分吸收性能而且光热性能强的。适用材料的例子有钼。这种钼层的厚度可以在(例如但不局限于)1和1000毫微米之间。
例如若熔凝石英谐振器叉60的各腔表面部分反射界面42和44上涂上10毫微米厚的钼层53、55，则当腔宽43的尺寸x变化时，吸收进薄膜中的光发生很大的变化。钼膜温度上升时，谐振器就会因光热作用而被驱动。
从上述结合图4和5所作的介绍中，显然在这种情况下静止腔43的宽度应选得能得出正反馈。图8用曲线表示了x(最大斜率)最大的那些位置。
为了解极低电平的光能是如何导致产生自振荡，上面参照图6至11所介绍的各结构的增益系数符号G1和G2，在这里也适用。作为第一个实例但不因此而限制了本要求保护的发明的范围，双音叉(DTF)可由两个在各端彼此间隔一定距离而结合在一起的在光学上平直的熔凝石英板构成，如图6和7所示。这种板或叉62、64的尺寸范围可以是，W∶10-6至10-2米，t∶10-6至10-2米，m∶(m为DTF谐振器60上槽的长度，见图6)10-4至10-1米。更详细地说，w可以约为5×10-5米，t可以约为5×10-4米，m可以约为10-2米。该器件的总长约为m的1至4倍，而为了使其安装得合适，最好为m的2倍。这种结构的基谐模谐振可以在100赫至1兆赫的范围内。在上述由熔凝石英制成的谐振器所给定的特殊尺寸下，当所加的轴向力(F)接近零时，基谐模谐振接近3千赫。当力(F)增到4.4牛顿(约为1磅力)左右时(这可能会是该器件断裂点的一半)，频率增加。在该具体实例中，频率可能超过10千赫，提供了适宜作为力传感器的大的变化范围。
若在图6、7和9所示的DTF中，在表面(部分反射界面)42和44上真空淀积有四分之一波长层或折射率较高的介电材料薄膜53、55，则各表面的反射率(R)增加。这类折射率较高的材料包括硫化锌(ZnS;折射率约为2.30)和二氧化钛(TiO2，折射率约为2.33)。四分之一波长硫化锌层涂在熔凝石英衬底上时，会使在830毫微米下的反射率为0.32(R＝0.32)。也可以采用高折射率材料和低折射率材料相间的交替层。这类低折射率材料包括氟化镁(MgF2，折射率约为1.38)和二氧化硅(SiO2，折射率约为1.45)。一系列三个四分之一波长层(例如硫化锌、氟化镁、硫化锌)淀积在熔凝石英衬底上会使在大约830毫微米的光波长下的反射率达0.67。
这些都是光学薄膜领域中的公知技术。在一个特殊实例中(但并不局限于此实例)，选取了0.5的折射率(R)的结果值、830毫微米波长、空腔43采用空气或真空，折射率nc等于1，入射角为零。参看方程Ⅲ，将爱里函数与方程Ⅳ一起微分，结果表明，x(最大斜率)等于0.026加上0.415N毫微米时会得出正反馈。这里，N为正整数或零，是腔中的干涉级。
在上述x(最大斜率)举例值下，单色平行光理想情况下的增益G1等于13.6/微米。若N＝0，则即使采用具有中心波长的波长展开度为4%的发光二极管(LED)源和一个100微米芯线多模光纤(这会使入射到空腔上光线的角度充分展开)，也会达到该调制效率。当N(干涉级)增加时，由于级数较高的条纹变得模糊，这些系数会降低光的调制效果。采用激光二极管光源和单模光纤可扩大腔43宽度(x)的范围，从而使光有效地加以调制。
自振荡可用极低的光功率电平引发。要想例如在G1＝13.6/微米的情况下用传递到上述器件的10微瓦光功率达到自振荡的阈值，显然调制增益或传递函数(G2)至少应为7.4毫微米/微瓦(方程Ⅰ)。谐振器将所储存的机械能转换成振动运动的设计(和得出的Q值)与将调制过的光能转换成机械能的光动力驱动机构，两者结合在一起应超过此调制增益值(G2)。这可用上面谈过的双音叉(DTF)谐振器付诸实施。实际上，为确保谐振器从静止状态可靠启动，有必要超过在极小幅度运动的自振荡阈值一个约为2的因数。应该指出的是，要提高谐振器的Q值，应使谐振器在真空中而不是在空气中工作。
作为另一个实例，可采用硅(或以硅为基础的材料)作为谐振器的衬底。在此情况下，采用约1.3微米的波长可能是极其合适的。硅在波长为1.3微米时传输的光能高。这也是适宜进行低损耗光纤通信的波长，光纤通信就可以采用现成的价廉的光纤通路和元件。一个裸的无涂层的硅与空气的界面或硅与真空的界面，其折射率在1.3微米下接近0.3，当按方程Ⅲ和Ⅳ选择x(最大斜率)＝0.071+0.65N微米的腔宽时，图6中的换能器会产生每1微米约为4.6的光机械环路增益(G1)。
上面在介绍装有法布里-珀罗组合空腔的谐振元件时强调了需要精确控制空腔空间x(最大斜率)。为简化制造过程，图6和7的两个叉62和46可这样制造，使得空腔43略呈楔形。就是说，一岔口处的腔宽稍大于另一岔口的。通过调节照明光纤和准直装置的位置以选取空腔具有所希望的分离的照明区，可以补偿x(最大斜率)，使制造容差小。
本发明的第二最佳实施例举了一个米切尔森干涉测量原理的例子，该原理可用以达到自振荡光谐振传感器所需要的灵敏性光调制。
从图12中可以看到光纤24、第一准直仪透镜76、第一输出透镜78、分束器80、第一(或固定)反射镜82、第二(或目标)反射镜84和透射光通量86。
图12是简化了的普通米切尔森干涉仪。来自光源(图中未示出)未经调制的光能经由光纤24进行供应，再由透镜76准直。此输入光束(这里以光通量(Io表示)由分束器80分离，分束器简便地可以是一个普通的立体分束器。为适应本实施例的目的，光通量(Io)分为两个无侧重偏振(polarization preference)的相等部分。反射镜82和84将光能反射回分束器。于是产生两输出光束。一个光束为透镜78所收集，作为透射光通量86光束(It)，从透镜78出来。另一光束(反射光束Ir)经由光纤24通路反回。设想(仅为进行本说明的目的而巳)第一反射镜82是固定的，第二反射镜84是可动的或具有反射性能的振动面。对目前实际应用来说，此装置可视为谐振传感器单元的一部分。
在平行通过干涉仪的准直单色光的场合，透射光通量(It)系按图13所示进行调制。目前为说明问题起见可以忽略不计反射镜和分束器的损耗。在分束器将光等分为无侧重偏振的场合，It随第二反射镜84的运动而变化的情况用方程Ⅴ表示。当干涉仪的两臂相等时，就产生建设性干涉作用，且处在最高峰。当反射镜84朝两方向中的一个方向移动四分之一波长的距离，干涉作用是破坏性的，且处于最低潮。在理想的情况下，输出光束的调制范围是从Io到零，且反射光能(Ir)和透射光(It)是互补的。
It＝Io/2〔1+COS(4 πx/λ)〕 方程Ⅴ方程Ⅴ表示了透射光随图12和13所示的一个理想的米切尔森干涉仪光程差而变化的过程。
但图13所示的普通简单的米切尔森干涉仪的构型并不能很理想地适宜作为移动的反射镜与谐振元件配用。该系统可加以改装以与各谐振元件配用，用以检测被测量，如本发明所做的那样，这样做有利。
从图14中可以看到光源22、光纤24、分束器25和检测装置26以及第一准直器透镜76、第一输出透镜78、分束器80、第一固定反射镜82、目标反射镜84和透射光通量86。
在图14所示的改进部分，透镜76经过调整，使其将通过干涉仪的光束集中到两反射镜82、84上的焦点。这时在反射镜84上的小光束焦点与谐振换能器的小面积反射表面相适应。此外，会聚光束米切尔森干涉仪对反射镜82和84的倾斜失调要不敏感得多。
图15是(会聚光束米切尔森干涉仪的)干涉图样和所选择的工作点100、102、104和106的示意图。
图15例示了第二“目标”反射镜84移动时透射光通量(It)所产生的变化。当反射镜84大大偏离零程长差(zero path length difference)时，明暗条纹图样失去对比度。
在接近零程长差(ZPD)时，系统实质上是与图12和13所示的普通米切尔森干涉仪一样有效的光调制器。此外，即使采用宽带光源，靠近零程长差的条纹调制实质上并不退化，这里又可利用方程Ⅴ计算调制效率。操作过程最好局限于接近零程长差的区域，因为本发明容易满足该区域的条件。
对方程Ⅴ进行微分的结果表明，对调制的敏感性产生可与上面谈过的在同波长下反射率R＝0.3的理想的法布里-珀罗谐振器的调制效率媲美的光机械环路增益(见方程Ⅵ)。即，这里介绍的基于改进过的米切尔森干涉仪的本发明的干涉仪是具有同样的灵敏度的，而且与前面介绍的法布里-珀罗干涉仪一样可行。
G1＝1/Io(dIt/dx)最大＝
2π/λ 方程Ⅵ当x＝±λ/8时，对λ＝830毫微米来说，λ/8＝0.104微米，G1＝7.6/微米。方程Ⅵ显示了可利用足够的光机械环路增益使振荡保持下去。
因此以会聚光束米切尔森干涉仪为基础的技术适宜在自振荡谐振元件换能器中灵敏的光调制。与第一实施例的法布里-珀罗空腔技术(该技术结合到谐振器本身)相比，以米切尔森干涉仪为基础的技术可与各种各样的谐振结构配用，例如在扭力或弯曲振动下的带状物、音叉、双音叉、空心梁、悬臂梁及其代用品和等效品。
为使自振荡环路形成通路，应采用调制过的输出光束驱动谐振元件。这可以通过将调制光照射到例如谐振器上的一个金属膜来实现，在该情况下金属膜可借助于光热效应将光能与谐振器的运动配合起来。不然也可以将光通量照射到光电管上，由光电管吸收并转换成电能。这时可以机电的方法或电磁的方法用该电能驱动谐振器。相位应选择得使正反馈达到最佳情况。得出的辅助性调制光束返向光源承载着调制频率，因而与所检测到的被测量信息有关，返回到设于远地的控制室。
图16和17是采用会聚光束米切尔森干涉仪的一个自振荡式光传感器111的两个视图(平面图和正视图)。
从图16中可以看到光纤24、第一准直仪透镜76、分束器80、固定反射镜82、谐振元件的反射表面或反射镜84、球面镜88、谐振换能器90、第一叉94和第二叉96。
从图17中可以看到目标反射镜84、球面镜88、谐振换能器90、端座92、第一叉94、第二叉96和光热性活性涂层98。
叉94和96支撑在座92之间，因而可以施加与被测量有关的一个轴向力(F)，第二叉96的外部边缘最好涂上反射涂层，作为反射镜84，该涂层必要时可以是金属的。在靠近双音叉岔口的叉96外部边缘上可以在所示的位置淀积上光热性活性涂层98，例如钼(及其代用品和等效品)涂在石英(及其代用品和等效品)衬底上。
双音叉可由任何适当的材料制成，例如晶体石英、熔凝石英或硅。也可以采用金属衬底，这时就可以不用光热性活性涂层98或反射镜84反射性涂层。最好用球面镜88代替图14的输出透镜78，以便可以将调制过的光能It集中到在涂层98的光热性活性部位的谐振器上。但也可将输出透镜78和光纤适当配置以提供同样的功能。
从图4和5和12至15的介绍中明显可以知道，要在光机械自振荡环路中取得正反馈，应这样调节干涉仪，使得传递到涂层98部位的输出光束It接近图15所示干涉图样的工作点100上。例如，谐振器90处于其静止情况时可能会比固定反射镜更接近分束器1/8 λ(即1/8波长)。可以采用诸如工作点104或106的位置，但最大调制因而最大增益系数G1可在点100附近获得。
前面介绍的第一最佳实施例采用与机械谐振换能器合为一体的法布里-珀罗光谐振器。这种配置方式对谐振换能器相对于支座结构和光传输系统总的共模式运动具有固有的推斥作用。在以米切尔森干涉仪为基础的技术中，分束器80和固定反射镜82相对于谐振器90的任何运动都会引起对光不必要的调制。
根据本发明的第一实施例，可以采用棱镜分束器来防止环境变化所产生的不希望有的效应和因热引起的尺寸变化。图18至21展示了这一点。所使用的特殊棱镜分束器110是这样设计，以使两米切尔森干涉仪的光束平行，从而使它们可从移动着的谐振器上的两个毗邻位置反射，该位置在所希望的谐振方式下有差动运动。这样，光调制作用是所希望的谐振引起的，该谐振与谐振器相对于分束器棱镜或支座结构的共模式运动不同。
从图18可以看到光纤24、第一准直仪透镜76、输出透镜78、分束器80、端座92、扭带式谐振器108、自振荡式光传感器111，棱镜入口面112、第一45度棱镜屋脊面116、棱镜出口面120和特殊分束器棱镜110。从图19中可以看到棱镜入口面112、第一45度棱镜屋脊面114和棱镜底部表面118。从图20中可以看到第二45度棱镜屋脊面116、棱镜底部表面118和棱镜出口面120。从图21中可以看到扭带式谐振器108、棱镜入口面112、第一45度棱镜屋脊面114和棱镜底部表面118。
图18中所示的谐振元件是一个扭带式谐振器108，使得当反射镜82的反射表面(见图21)移向分束器棱镜110时，反射镜84的反射面移开。反射镜82、84反射表面的共模式运动两者一起同样影响着干涉测量装置的两个臂，使不致引起对光的调制作用。所希望有的扭转模式对干涉仪各臂具有推拉的作用，同时使调制灵敏度比起图16和17的配置方式翻了一番。
图18至21画出了新型棱镜分束器的各种方案。各光程有点复杂，难以设想其三维情况，因而图18至21展示了棱镜分束器的平面图、正视图、侧视图和后视图。入射光通量Io通过面112进入棱镜分束器110，由分束器的半反射涂层80分成几路。光通量的透射部分遇到45度屋脊面114，被往下引，通过棱镜分束器110的底部表面118，以便在镜面部分82集中到谐振器108上。为棱镜110的分束器80所反射的光通量部分冲击45度屋脊面116，同样被往下引，通过棱镜110的底部表面118，以便在涂层84集中到谐振器108上。经调制过的输出光束It从面120出来，可用以以任何本专业人士所熟悉的各种方法驱动谐振器，该方法包括周知的光动力法和包括将光能转换成电能步骤的“光-电”和“电-光”法。
适当选取棱镜面112和120的角度可以(通过折射)使进口(Io)和出口(It)光程沿着谐振器轴线通过，从而使光传感器组件结构紧凑。
至于图18至22所示的棱镜分束器装置的情况，光进入面CDH(112)，同时为涂层BDH(80)所分离，分离后的透射和反射光束在分别从底部ABD(118)和BCD出来冲击到谐振器的后向反射表面之前分别全部在内部为面ABH(114)和BCH(116)所反射。由此得出的复合和调制过的透射光束从面ADH(120)出来，且复合和调制过的反射光束从面CDH(112)出来，返向光源。
在另一个可供选择的实施例中，可采用光纤和光纤分路器制造米切尔森干涉仪，从而无需使用体积庞大的光元件。传输分离后的光束的光纤可以在靠近谐振器上反射位置处终止，从而可以在鉴别共模式不希望有的运动的同时检测出差动运动。
在又另一个可供选择的实施例中，可采用一个集成光分束器。
图23的装置用一个稳定的光源22工作，光源22沿光纤光程24在进口t处给四口耦合器131提供稳定光束，在该耦合器中，输入光在内部被分离成两路，分别经由口v和w照射到镜82和84上。镜82和84是谐振器108上的表面区。谐振器108产生的交替扭转振荡改变着各镜反射回到口v和w的光(即按谐振器振荡频率对光进行调制)。谐振器108的谐振频率可按其与某一个外来值(可以是被测量)的关系予以改变。一部分调制光沿载有谐振器频率的光纤24的通路返回，另一部分则用以藉正反馈经由光纤133的通路驱动谐振器。调制光的该后一部分用以借助诸如前面谈过的光动力效应或熟悉本专业的人士所熟悉的公知方法驱动谐振器108使其谐振。
本发明不受上述诸最佳实施例的限制。可采用其它干涉测量技术制造本说明书所附的各
权利要求
1.一种由光能源驱动机械谐振器的装置，其特征在于，该装置包括a)将所述光能连通到机械谐振器用的装置；和b)将光能转换成谐振器的振动用的光干涉测量装置。
2.如权利要求
1的装置，其特征在于，所述转换的源对调制光增益G1与调制光对机械运动增益G2的乘积乘以入射光能Io至少等于1。
3.如权利要求
1的装置，其特征在于，维持所述谐振器振荡有一个功率阈值，要达到或超出此阈值。
4.如权利要求
3的装置，其特征在于，最好超出维持谐振器振荡的阈值一个大于2的因数。
5.如权利要求
1的装置，其特征在于，谐振器系安置在真空中。
6.如权利要求
1的装置，其特征在于，振动着的谐振器对光起调制作用。
7.一种以光为能源的机械谐振装置，用以在测量现场检测物理参数或被测量，其特征在于，该装置包括a)光能源装置;b)光通路装置，用以将所述光能传输到所述测量现场;c)能振动的谐振器装置，具有振动的谐振频率且系耦合到被测量;d)将谐振器的谐振频率变化与变化着的被测量联系起来用的装置;e)将所述光能的至少一部分转换成所述谐振器的机械运动用的装置;f)光干涉测量装置，用以藉所述谐振装置的运动调制至少一部分所述光能;g)检测装置，用以将一部分所述调制光能转换成与被测量有关的诸信号;和h)将所述调制光能的所述信号部分送回到所述检测装置用的装置。
8.如权利要求
7的装置，其特征在于，所述谐振装置包括一个谐振带状物。
9.如权利要求
7的装置，其特征在于，所述谐振器包括至少一个机械梁元件。
10.如权利要求
7的装置，其特征在于，元件a)和g)系安置在第一位置，元件c)、d)、e)和f)系安置在分开的第二位置。
11.如权利要求
10的装置，其特征在于，所述光源的光能与第二位置连通，所述调制过的光能沿光纤通路装置与第一位置连通。
12.如权利要求
11的装置，其特征在于，所述光通路装置是单个光纤通路。
13.如权利要求
7的装置，其特征在于，所述光干涉测量装置包括一个法布里-珀罗空腔。
14.如权利要求
7的装置，其特征在于，所述法布里-珀罗空腔与可振动的谐振器是一个整体。
15.如权利要求
13的装置，其特征在于，该装置还包括薄膜涂层，用以改善法布里-珀罗光腔的技巧。
16.如权利要求
13的装置，其特征在于，法布里-珀罗光腔中的部分吸收性薄膜涂层用以直接将光能(通过光热效应)转换成谐振器的运动。
17.如权利要求
13的装置，其特征在于，所述法布里-珀罗空腔呈楔形。
18.如权利要求
13的装置，其特征在于，所述法布里-珀罗空腔空间毗邻零或低级干涉，因而可以采用非单色光和多模光纤。
19.如权利要求
7的装置，其特征在于，所述光干涉测量装置包括一个米切尔森干涉仪。
20.如权利要求
19的装置，其特征在于，所述光干涉测量装置是一个会聚光束米切尔森干涉仪。
21.如权利要求
7的装置，其特征在于，所述将所述调制光能转换成机械能的装置包括将光能转换成热能的装置。
22.如权利要求
7的装置，其特征在于，所述将所述调制光能转换成机械能的装置包括将光能转换成电能的装置。
23.一种以光为能源的谐振装置，用以在测量现场检测物理参数或被测量，其特征在于，该装置包括a)光能源装置;b)光通路装置，用以将所述光能传输到所述测量现场;c)与被测量耦合的可振动的谐振装置;d)将谐振器的频率与被测量联系起来用的装置;e)米切尔森干涉测量装置，用以借助于所述谐振装置的运动调制至少一部分所述光能;f)用以产生干涉仪分幅光束并将至少其中一个干涉仪分幅光束引到谐振器并与所述光束复合以产生调制光能用的装置;g)用以将所述调制光能的至少一部分转换成所述谐振器的机械能的装置;h)检测装置，用以将一部分调制光能转换成诸信号;和i)用以将一部分调制光能的所述信号送回到所述检测装置的装置。
24.如权利要求
23的装置，其特征在于，该装置对谐振器振动所希望的方式具有选择性的敏感性。
25.如权利要求
23的装置，其特征在于，所述米切尔森干涉测量装置是一个会聚光束米切尔森干涉仪。
26.如权利要求
23的装置，其特征在于，所述用以产生送到谐振器的分幅光能的装置包括分束装置，使得所述谐振装置对谐振器、分束器支座装置之间的共模式运动，敏感性差一些。
27.一种在测量现场检测物理参数或被测量的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤a)产生一光能束;b)将所述光能传输到所述测量现场;c)将所述被测量与可振动谐振器的频率联系起来，使得谐振器的谐振频率随所述被测量的变化而变化;d)用光干涉测量法调制至少一部分光能;和e)将至少一部分所述调制光能转换成所述谐振器振动的机械能。
28.如权利要求
27的方法，其特征在于，所述光源光能的产生是在与测量现场分开的第一场所进行的，此外还包括将至少一部分调制光能送回到所述第一场所的步骤。
29.如权利要求
28的方法，其特征在于，光源的光能经由光纤通路装置传输到测量现场，和调制光能经由光纤通路传输到第一场所。
30.如权利要求
29的方法，其特征在于，所述光纤通路装置是一个单根光纤通路。

从光源将光传输到被测量现场。光的调制是借助于一个谐振器由安置在被测量现场的干涉测量装置进行的，将谐振器频率与被测量值联系起来，所述谐振器由调制光驱动，以便在被测量现场形成局部谐振器环路。所公开的实施例采用了经改良的法布里-珀罗和密切尔森干涉仪设计。