CN100550544C - 适用于测量物理和材料性能的光学传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种光学媒介，该媒介有一个限定一个可变化间隙的腔体。通过实例的方式，该光学媒介可用于光学传感器，激光器和可变化频率谐振器中。该腔体随可测量参数如压力，温度，力，流率和材料成分的变化而物理改变。在一些实施例中，该光学媒介的特征在于有一个设置在靠近或在一个高Q值光学谐振器中的腔体。该光学谐振器可以由各种结构制成，或其实例为Bragg反射器腔体，环形谐振器，微盘和微球体。光学谐振器最好与激光源相耦合。腔体的改变影响光学谐振器中的谐振器条件从而影响系统的激光信号。如果激光源是一个模式锁定激光器，则脉冲系列的重复率随可测量参数的变化而变化。如果激光源是一个CW源，则激光信号的频率取决于可测量参数。

Description

适用于测量物理和材料性能的光学传感器
本发明的领域
本发明主要涉及光学传感器，更具体地，涉及用于测量通常在工业过程或流体系统中测量的参数的光学传感器，这些参数包括压力，温度，流动速率，应力和材料成分。
现有技术的背景
众所周知，已有很多应用光纤提供传感器动力和/或传送被检测信息的传感器。在常规的用导线传递动力和信息的电传感器因诸如噪声敏感性或电子元件的温度限制等的局限而不能使用的场合，这样的传感器是很有用的。光学传感器也显示出大有发展的前途。不幸的是，在需要高精确度和高分辨率应用中，光学传感器的有效使用一直限制在昂贵的实验室类型的设备中。
例如，传感器设计者一直没能制造出精确测量小尺寸物理位移，尤其是微米和亚微米位移的光学传感器。但是，微米位移的测量在如流体系统的应用中是很重要的，在该系统中基于普通的硅微米机电制造系统(MEMS)的传感器能够测量隔膜中的微米位移。这种传感器采用了各种检测技术，如，半导体应力规或可变电容器。在这类传感器中，探测微米量级的能力使之有可能检测超过0.01％精确度的流动，压力以及其他物理和材料的性能。
和硅传感器相比较，应用光学干涉原理的光学传感器能够测量不超过0.1％精确度的微米位移。不管是激光的还是白光的光学传感器，其光源中的噪声都是一个限制因素，因为在一个单干涉带中的强度变化必须被精确测量以提供一个高精确度的信号。在这些光学传感器的光学干涉仪机构中的不完善也限制了传感器的精确度。用某些精确度例如用干涉条纹的计数可以测量较大的位移，但这些位移和当前用固态传感器检测的位移相比还是太大。而且，即使这样较大的位移，如果干涉条纹计数的记忆丢失的话，光学传感器也不能测量。
很多光学传感器部有Fabry-Perot结结，该结构应用限定一个三维空间谐振器区域的靠近分隔的光学镜。可移动的及高反射的但部分透射的光学镜可用来得到一个检测的信号。其他具有频率调制输出的激光传感器已经作为克服光学传感器缺点的一个可能的方案而提出。一般来说，所有的这些传感器却存在需要克服的上述精度问题。在激光器机构中的频率噪声和低测量规因子(GF)的结合基本上妨碍了小尺寸位移的精确测量。频率噪声，即工作频率的随机漂移，限制了这些激光器的分辨率。测量规因子是一个测量灵敏度，被定义为(fmax-fmin)/fr，式中fmax是检测输入信号在上限时的输出频率，fmin是检测输入信号在最低水平时的输出频率，fr是系统的谐振器频率。低测量规因子产生低分辨率以及不希望的温度依赖性。
用于调制激光器频率的装置被显示为将一部分发射的激光从一个移动目标反射回激光器以实现频率调制。所应用的半导体二极管激光器重现出很大的频率噪声成分，即，基础激光频率在一个大的带宽中随机变化。另外，所应用的外部腔体因来自目标的有限的反射系数的原因而有一个低Q值。因此，这些装置不适合于测量在流体系统和其他应用中的小尺寸位移。
另一类基于激光的应用包括一种应力传感装置，该装置利用一个具有一个由Bragg光栅反射器限定的腔体的光纤激光器。当应力施加于光纤的长度上时，系统的激光发射频率因激光发射部分的长度的变化而变化。能够测量的频率变化限制于光纤所承受的应力，通常比0.1％要小得多。而且，因温度变化引起的激光信号的漂移以及Bragg反射器的损耗导致在应力测量中的精确度的降低。
通过提高确定激光发射频率的机构的Q值来稳定激光器的频率是有可能的。实际上，可以得到一个高度调谐的滤波作用，该滤波作用只允许一个单个的频率被放大。这可以通过提高激光发射腔体本身的Q值或将一个具有一个低Q值腔体的激光器连接到一个高Q值的外部腔体的方法实现。显示了几种低噪声的激光器，在该激光器中，一个高Q值微腔体，诸如一种石英微球体，发射一个稳定的激光信号。但是。这些装置没有适用于测量位移或检测物理或材料参数的机构。
如上所述，现有技术光学传感器的性能落后于用于在例如流体系统中测量小尺寸微米和亚微米位移所使用的常规电子装置。这样，虽然基于有高Q值和高测量规因子的光学谐振器的检测系统在理论上能提供超过常规的基于电子的传感器的性能，但这样的检测系统一直没有出现。
本发明的概述
根据一个实施例，提供一种光学传感器设备，它适用于和传播脉冲激光能量的模式锁定激光源一起使用，该种设备的特征在于重复率以及用于测量可测量参数。该光学传感器设备具有一个为接受至少一部分脉冲激光能量而设置的光学谐振器，该光学谐振器有一个检测表面，该检测表面能对在该检测表面上的可测量参数的变化作出响应，以及该光学谐振器限定一个腔体，该腔体形成一个可变化的间隙，该间隙随检测表面而变化和定位，使得脉冲激光能量的重复率随可测量参数的变化而变化。
根据另一个实施例，提供了一种在测量可测量参数中和一个激光源一起使用的光学传感器。该光学传感器设备具有一个光学谐振器，该光学谐振器有一个检测表面，该检测表面能对在该检测表面上的可测量参数的变化作出响应，该光学谐振器限定一个取决于在检测表面上的可测量参数的谐振频率，该光学谐振器的设置使来自光学传感器设备的激光信号具有该谐振频率的频率，该光学谐振器进一步限定一个腔体，该腔体形成一个随检测表面而变化的可变化的间隙。
根据还有一个实施例，提供了一种设备，该设备可根据测量参数调制产生激光能量的激光源输出。该设备有一个耦合器，通过该耦合器的耦合来接收激光能量。该设备还有一个外部的高Q值谐振器，该谐振器的特征在于其谐振频率随可测量参数的变化而变化，该高Q值谐振器与耦合器相耦合，用于将激光能量调制成携带激光信号的信息，该激光信号具有高Q值谐振器的谐振频率的频率。
根据另一个实施例，提供一种可变化频率的谐振器，该谐振器包括一个具有一个检测表面和一个波导的光学谐振器，其中该波导具有一个限定一个可变化间隙的腔体，该光学谐振器的特征在于谐振频率取决于可变化的间隙，而所设置的变化间隙能根据检测平面上的可测量参数的变化而改动光学谐振器的谐振频率。
根据另一个实施例，提供一个检测可测量参数的方法。该方法包括的步骤：(1)提供一个激光信号；(2)提供一个以谐振频率为特征的谐振器；(3)提供一个随可测量参数的变化而变化的可变化间隙，其中可变化间隙的变化可改变谐振频率；(4)通过谐振器传播至少一部分激光信号，因此该激光信号具有谐振频率的频率；和(5)检测可测量参数的变化，使得所述检测到的可测量参数的变化可改变激光信号的频率。
根据另一个实施例，提供一个检测可测量参数的方法。该方法包括的步骤：(1)提供一个以重复率为特征的脉冲激光信号；(2)提供一个谐振器；(3)提供一个随可测量参数的变化而变化的可变化间隙；(4)通过谐振器传播至少一部分脉冲激光信号；和(5)检测可变化间隙的变化，使得脉冲激光信号的重复率随该可变化间隙的变化而变化。
根据另一个实施例，提供一个和一个光源一起使用的光学谐振器，该谐振器具有一个随可测量参数的变化而变化的可变化间隙，光学谐振器接收来自光源的光能，随可变化间隙的变化而改变光能的特性。
附图的简要叙述
图1是说明根据一个实施例与激光器相耦合的外部高Q值谐振器的方框图。
图2是说明根据一个实施例具有内部谐振器的激光器的方框图。
图3A是说明根据一个实施例具有光学增益媒介的模式锁定激光器的方框图。
图3B是说明根据一个实施例具有光学增益媒介的模式锁定激光器的方框图。
图4是根据一个实施例的光纤的剖面图。
图5是图1所示的光纤在可测量参数在光纤的检测表面变化以后的剖面图。
图6是说明在根据一个实施例的光学传感器中使用图4所示的光纤的示意图。
图7是说明根据一个实施例的环状谐振器的示意图。
图8是说明根据另一个实施例的环状谐振器的示意图。
图9是说明根据一个替代图4和5所示实施例的光纤的剖面图。
图10是说明根据一个替代实施例的微球体谐振器的示意图。
图11是在一个示例的光学传感器中的图10所示微球体谐振器的示意图。
图12是在另一个示例的光学传感器中的图10所示微球体谐振器的示意图。
图13是具有一个微球体的替代的光学传感器的剖面图。
图14A和14B是具有根据一个实施例的第一模块和第二模块的未装配的一体化光学传感器的透视图。
图15是装配后的图14所示一体化光学传感器的剖面图。
图16是替代图15所示一体化光学传感器的剖面图。
图17是采用光子液晶阵列形成图14所示谐振器的第一模块的替代的顶视图。
图18是根据一个实施例的微盘和VCSEL的剖面图。
优选实施例的详尽叙述
下文将叙述处理上述问题的各种设备和方法。总之，提供最好是在脉冲输出模式中工作的激光器，该激光器产生具有由可测量参数调制的重复率或频率的激光信号。通过应用模式锁定的激光器，就能用常规的高速电子元件测量调制后的信号，激光信号的重复率或频率能够以高分辨率进行测量。通过测量激光信号的频率，就可以得到可测量参数的值。
在一些实施例中，高Q值谐振器产生有取决于可测量参数的频率的激光信号。高Q值谐振器可以在激光器的内部或外部。在本技术领域的所有状态中，该装置都具有较低的功率消耗和改进的精确度。该装置可以用于测量可测量参数的变化或可用于进行绝对测量。对于本技术领域熟练的普通人士而言，其它应用和实施例都是显而易见的。例如，所叙述的装置也可用于可调谐的光学滤波器，可调谐的激光源和其他所有的光学应用。
图1和2显示了示例的实施例。图1主要显示了一个激光器100，该激光器通过一个耦合器104与一个外部高Q值谐振器102相耦合。激光器100可以是带有光纤的激光器，红宝石激光器或二极管激光器。也可期待用其他的激光源。激光器100可以是一个放大级，例如一个由一个激光源激励的光学参数放大器或光纤放大器级。激光源100也可以由发光二极管(LED)替代。仅通过示例的方式，所显示的激光源100接受来自电源103的功率，正如在本技术领域熟练的普通人士理解的那样，该能源可以采取光能源或电能源的形式。虽然激光的能量也可以处在远红外和微波区域，但激光功率最好处在可见光或红外区域的波长范围内。
在优选实施例中，耦合器104是一种光纤或光波导，其耦合通过低损耗消散耦合获得的。耦合可以通过部分透射镜，波导分接头或其他已知的用于耦合光学信号的部件获得。
激光源100通过耦合器104向高Q值谐振器102提供激光能量。从激光器100向谐振器102耦合的激光能量处在对应于激光器100内激光器腔体的谐振的波长。但是，这类激光器腔体只有低Q值并产生相对较宽带宽的输出。外部谐振器102的Q值最好实质上比激光器100内部激光器腔体的Q值更大。例如，在优选实施例中，谐振器102的Q值将至少为100。典型的谐振器只具有3到100之间的Q值并且受到形成谐振腔体的光学镜和所需要的功率输出的限制。
众所周知，如果在振荡器和谐振器之间有充分的耦合，如果两个区域的频率范围重叠，则低Q值振荡器系统将锁定在高Q值谐振器的频率上。激光器100的低Q值激光器腔体锁定在高Q值谐振器102的谐振频率上。也就是，在高Q值谐振器102和低Q值激光器100之间的能量交换将把整个系统的激光信号锁定到由谐振器102限定的频率和带宽上。其结果就是，系统产生一个狭窄带宽的激光信号并集中在谐振器102的谐振频率。
激光源100可以是一个连续波(CW)源，或者最好是一个脉冲模式锁定的激光源。如果源100是一个CW源，则来自系统的激光信号就锁定在谐振器102的谐振频率上并且有一个由高Q值谐振器102诱导的狭窄带宽。这里，将用一个光谱仪测量激光信号的频率。如果源100是一个脉冲模式锁定激光源，谐振器102另外确定脉冲系列的重复率。这里，常规的电子检测器能够被用来测量亚100GHz的重复率。
光学谐振器有多重谐振频率。但是所希望的是，只有一个单独的谐振频率位于由激光源提供的激光能量的带宽内。也就是，激光信号存在于一个单独一致的谐振频率上。这样的条件将减少现有激光系统的某些状态中的发生的模式跳变。一种分布反馈激光(DFB)激光器可以用作激光源100以达到允许一个单独谐振频率的带宽。也可以改变谐振器102的物理参数以达到单独谐振。
谐振器102是由一种光学透明材料形成的。该材料可以是激光发射材料或非激光发射材料。适当的材料包括蓝宝石，石英，掺杂石英，多晶硅和硅。这些材料呈现出低光学损耗。这些材料也呈现出良好的机械特性，它们对可测量参数的变化作出精确和一致的反应并且在压力或力的作用下不发生永久性的变形，而在可测量参数回复到一个稳定的状态值以后反而回复到它们的初始形状。最好的是，应用允许在内部全反射下传播的材料。内部全反射和低光学损耗考虑到了甚高Q值谐振器的要求。
谐振器102的特征在于，该谐振器有取决于谐振器102附近的可测量参数的谐振频率。本文中“可测量参数”是指和外部力或压力相关的那些参数。压力(绝对的或差动的)，温度，流率，材料构成，力和应力都是可测量参数的实例。激光源100和高Q值谐振器102共同形成一个光学传感器105，该传感器取决于可测量参数产生一个激光信号或检测的信号。
激光信号通过耦合器108a和108b以及隔离器109主要显示的结构提供到测量设备106。如果激光源100是脉冲模式锁定激光器，测量设备106可以是常规的高速电子检测器。如果激光源100是连续波源，测量设备106最好是测量信号频率的频谱仪或其他适用的装置。
隔离器109阻止了测量设备106的回反射信号进入谐振器102。因为激光信号取决于可测量参数，测量设备106可以通过测量激光信号的频率或重复率以及计算对应于该测量的可测量参数的值另外得到该可测量参数的值。这样的推导采用已知的方式进行。谐振器102和测量设备106之间的耦合可以通过光纤耦合，光学镜耦合，分接头耦合，消散耦合或其他适用的耦合类型达到。
谐振器102有高Q值，因此在激光器100和谐振器102之间耦合的能量可以很低，并且将发生适当地锁定到谐振器102的谐振频率上。使用高Q值外部谐振器102的另一个优点是系统的信/噪(S/N)比得到改进。总之，S/N比和激光系统调制频率的分辨率受到激光发射机构中频率抖动的限制。该抖动有很多起源；模式的跳变，电源供给的噪声，热噪声，量子的涨落以及在激光发射媒介中的增益噪声是其中的几种。振幅噪声涨落调制了激光发射频率本身，以致于一旦产生最终的频率噪声就难以滤去。
通过实例的方式，S/N比和GF成正比，正如以上所意义的，有下面的比例式：S/N＝GF fr/fn。fn值是fr中固有的噪声频率抖动。高GF导致高S/N比。类似于谐振器102，将激光输出耦合到外部高Q值谐振器，意味着激光输出频率将由谐振器确定，因此，fn将变低，S/N比特性将主要由外部谐振器特性确定。本文中显示的谐振器也具有高GF以及高S/N比的特征。
图1的外部谐振器结构对在不利于激光运行的环境中的测量是很有用的，因为激光发射机构(即谐振器102)远离激光源100。还有，在该实施例中，外部谐振器102对由激光源100产生的高温不敏感。
图2是描述光学传感器130的一个替代实施例的框图，图中激光器132由一个内部高Q值谐振器形成。这里，高Q值谐振器形成激光器132以及因此而具有作为激光器增益腔体的功能。高Q值谐振器由一种以受到适当的馈送能量激励为基础而发射激光的材料形成。通过仅作为实例的方式，所显示的激光源132接收来自能源133的功率，如由在本技术领域熟练的普通人士理解的那样，该能源可以采取光能源或电能源的形式。半导体材料，掺杂蓝宝石，掺杂石英以及其他材料也可以被用以形成内部谐振器。掺杂石英尤其有利，因为当石英掺杂稀土元素铒时，可以使石英发射1550nm的激光，该滤波是目前光纤通讯最佳的低损耗波长。该激光信号由激光器132产生并通过耦合器134a和134b及隔离器136提供到测量设备106，和上述情况相似。
在一个优选实施例中提供了一种频率调制的激光源，该激光源产生一个脉冲序列作为激光信号。脉冲的重复率作为作用于谐振器的可测量参数的函数变化，因此整个结构构成一个高分辨率和高精确度的光学传感器。例如，在100GHz信号中1GHz变化的简单计数(由可测量参数诱导的)将在1秒的测量范围中给出1ppb的分辨率。当前技术的激光器状态在约200,000GHz的基频中有几个KHz的噪声带宽，这说明用这样的光学传感器可达到大于30比特的分辨率。
在本技术领域各种已知的方法来建立一个模式锁定的激光器，诸如用无源的模式锁定或有源的模式锁定。已经显示了用氩连续波激光源或用钕：钇铝石榴石连续波激光源激励的钛：蓝宝石模式锁定激光器。其他还显示了用半导体激光器和微机械调谐的其它无源模式锁定的激光器。任何模式锁定的激光器都适合于作为图1的激光源100以及各种模式锁定激光器装置都可以用于图2的实施例。因此，期待脉冲模式锁定的运行的用在外部和内部谐振器的实施例中。
图3A显示了一种示例的模式锁定激光器，图中显示激光器140与外部高Q值谐振器142相耦合以产生一个运行频率与作用到谐振器142的可测量参数有关的模式锁定激光信号144。激光器140包括一个能采取在本技术领域已知的各种形式的模式锁定机构。例如，一种可饱和放大器可被引进激光发射腔体，这样只有短脉冲才能够无衰减地通过。激光信号144是脉冲的激光信号，其重复率取决于作用在高Q值谐振器142的检测表面(即外表面)上的可测量参数。尤其是，锁定到外部高Q值谐振器142的激光器140的脉冲激光信号144具有由F＝Fin(1-h/nL)所确定的重复率，式中h是外部谐振器的往返行程长度，L是模式锁定的激光器的往返行程长度，n是有效折射率，Fin是模式锁定激光器的往返行程频率。(见Katagirie等人所著“无源模式锁定微机械可调谐的半导体激光器”，IEICE Trans.Electron.，Vol.E81-C No.2，1998年2月)。测量设备146测量该重复率并用测量结果得到可测量参数的值。激光器140被示例性地显示为由电源148激励，该电源代表用于模式锁定激光器的任何已知的激励能量的电源。
参考图3B，模式锁定激光器150可以替代地将高Q值谐振器结合到激光发射腔体(类似于图2)以产生模式锁定激光信号152。应用该内部谐振器结构，激光信号152的重复率简单地就是谐振器的往返程时间。如上文所述，激光器150的模式锁定机构可以采用在本技术领域已知的一种技术来完成，诸如将可饱和放大器部分引进环路或应用有源模式锁定。然后，测量设备146测量激光信号152的重复率以得到作用到激光器/谐振器的检测表面上的可测量参数的值。虽然未显示，图3A和3B的实施例可以根据需要用隔离器和其他光学元件(诸如各种光学耦合器)实施。
下面将讨论具有取决于可测量参数的谐振频率特征的一些示例的谐振器结构。
图4和5描绘了可以用于形成谐振器102或132的光纤160的剖面图。光纤160可以用任何用于光纤的标准材料形成并最好是单模光纤。光纤160的特征在于其包覆区域162和高折射率核芯区域164。该结构将传播主要限制到核芯164并且在核芯164内传播的信号是在内部全反射下进行的。
光纤160包含一个限定一个可变化间隙的腔体166，该腔体可以被抽空或包含气体或其他适当的材料。腔体166在光纤160内通过诸如刻蚀或抽吸包括该腔体的空白或预定型的已知的工艺方法形成。在图4中，腔体166整体设置在核芯164中。腔体166也可以部分在核芯164中或全部在核芯164外，如图9的实施例中所示。在优选实施例中，腔体166的形状在剖面上类似于核芯164。还有，在优选实施例中，腔体166可和核芯164对称。虽然腔体166和核芯164用直线剖面显示，应该理解也可应用其他的剖面形状。例如，腔体可以应用的形状有诸如靠近间隔的大量圆孔，其尺寸随检测到的可变化或可测量参数而改变。腔体166和核芯164一起沿光纤160的至少一部分纵向延伸。
腔体166的间隙随可测量参数的变化，例如，作用到光纤160的压力或外力的变化而变化。在工作中，在光纤160的外侧上的压力的增加将力施加到光纤160的外壁或检测表面167，导致径向力能通过包覆区域162并施加到腔体166上。因为腔体166的几何形状，一些径向力将无法改变腔体形状。其他的力，主要由箭头168表示的力(见图2)将作用于压缩腔体166。因此，在光纤160的检测表面167上压力的增加将导致压缩，即腔体166向内的位移。虽然未显示，可以理解的是，压力的减小将导致腔体166的膨胀。
其他可测量参数的变化也将改变腔体166。例如，光纤160可以被放置在一个工艺流程系统内，这样，流率，温度或材料成分的变化都将改变腔体166的几何形状。任何可测量参数的变化都将导致腔体166的可变化间隙的变化。因此，腔体166在传播核芯164内提供了一个可改变的扰动，一个随可测量参数改变的扰动。
最好的是，腔体166具有能随可测量参数的相对小的变化而被压缩或减压的剖面形状。还有，腔体的位移最好相对小，即在微米或亚微米的范围，因此，在核芯164内的传播特性改变一个可探测的数量，但该数量不会有害地影响在核芯164内传播的波的模式剖面。在图4和5的实例中，一个延长的矩形剖面被用于腔体166。该腔体166有一个第一侧面170，该第一侧面长于第二侧面172。腔体166具有在光纤160内传播的波的波长数量级的尺寸。稳定状态的腔体剖面(如在大气压下)可以取决于所需要的灵敏度和被测量的参数而变化。
腔体166形状的变化将改变在核芯164内的传播特性。尤其是，在核芯164内行进的波经历一个在核芯164内的特殊的折射率。通常光纤核芯的特征在于其取决于折射率的材料。在核芯164内传播的波经历的是一个有效折射率，该有效折射率取决于波通过其传播的各种材料。一个传播的波有一个电场，该电场主要通过核芯164和腔体166传播，但实际上也延伸进包覆层162。这样，储存在电场中的能量就取决于三个区域的折射率和几何形状，储存在电场中的能量确定了沿光纤160的长度传播的电磁波的速度。这样，传播中的波的行为好象它在行进中通过一个有一个有效折射率的均匀的材料，该折射率为三个区域的折射率的几何加权平均折射率。传播波经历的有效折射率随几何形状的变化即腔体166的压缩或膨胀而变化。这里叙述的是一些应用示例，在这些实例中，在核芯中传播的波的有效折射率的变化可以用在光学传感器中。
图6显示了在光学传感器176中图4和5所示的光纤160。该结构也可以认为是调制激光信号频率的一种装置。所描述的结构类似于图1的激光系统。光学传感器176有一个光源178，该光源通过隔离器182和耦合器180a和180b从外面提供到光纤160。最好的是，半导体激光器或LED源被用作光源178。光源178可以是一个连续波激光器或一个脉冲模式锁定激光器，虽然在后者场合形成光纤160的光学媒介并不是激光发射媒介。光纤160被掺杂以形成激光发射材料，来自光源178的输出是一个激励能量，其波长充分允许在光纤160中的激光发射作用。
光纤160有一个中间部分184，通过该中间部分可以测量可测量参数的变化。光纤160的第一端有一个Bragg反射器形式的第一反射器188，第二端有一个Bragg反射器形式的第二反射器190。中间部分184在Bragg反射器188和190之间延伸并和检测表面167重合。Bragg反射器188和190限定了在光纤160内的谐振器192。在描绘的环境中，谐振器192沿光纤的长度延伸，和中间部分重合并稍许延伸进Bragg反射器188和190中。在优选实施例中，腔体166(未显示)不延伸进Bragg反射器188和190中。但是如果需要，腔体166可以延伸进Bragg反射器188和190中。虽然是显示为Bragg反射器188和190，但第一和第二反射器可以替代地为光学镜或形成在光纤160上或其外部的其他高反射结构。
在工作中，由光源178产生的激励能量通过部分透射Bragg反射器188提供到谐振器192。激光信号从Bragg反射器190沿耦合器194a和194b并通过隔离器186发射。激光信号具有对应于谐振器192的谐振频率的波长。在耦合器194b上的信号频率由测量设备196测量。
由于在检测表面167上尤其在中间部分184上可测量参数的变化，腔体166将发生改变，从而改变在核芯164中传播的信号经历的有效折射率。有效折射率将确定光波在谐振器192中传播的速度。这依次将确定谐振器192的谐振频率，因此而确定CW运行中耦合器194a上的激光信号的频率。在模式锁定的运行中，重复率是改变的。可测量参数的变化将由检测器196以激光信号频率变化的形式探测。
在传感器176的CW工作中，测量设备196是一个检测器，其中激光信号频率和参考激光的频率进行比较以允许测量能非常细致地变化到激光信号的频率。在脉冲模式的运行中，测量设备196是一个电子检测器，该检测器测量激光信号脉冲序列重复率的变化。在另一种场合，腔体在微米或更小程度上的位移都将导致可由检测器196测量的频率变化。虽然未显示，CPU或其他处理器都可以根据检测到的激光信号频率计算出可测量参数的值。可测量参数的变化是可检测的，也是绝对测量。可以理解的是，一种最初的归一化可以用来对可测量参数的精确测量校正检测器196和/或处理器。例如，在一种不同的可测量参数检测之前可以先进行归一化。可以进一步理解的是，多重传感器可以和一个处理器一起使用以形成多样化的其他测量的种类，例如，在一个流体系统内测量两个分离位置之间的ΔP。以通常的0.01到0.1的测量规因子，160或更大的Q值，用传感器176可以进行0.01％到0.001％分辨率的测量。
期待替代的谐振器。图7显示了一种替代谐振器的实例。图中，波导200形成一个循环谐振器，也即被认为是循环器或环形谐振器，下文也将如此称呼。在优选实施例中，环形谐振器200可以通过用商业化的熔接技术连接光纤的两端来形成。环形谐振器200有一个包覆层，核芯区域和以剖面观察时和光纤160相似的腔体。环形谐振器200具有高Q值和高测量规因子的特征并构成光学传感器202的一部分。如果腔体延伸了环形谐振器200的整个长度，则环形谐振器200的整个外表面将用作为检测表面。
信号耦合进环形谐振器200的闭环通过消散耦合来获得的。在消散耦合中。使主波导204在由参考数字208主要指明的区域上和环形谐振器200接触。波导204是一种光学透明的波导，由例如一种多晶硅材料形成。蓝宝石和石英对创立内部全反射传播也是很有用的，波导也可以是另一种光纤。来自激光源205的激光信号206使其通过波导204传播。
在谐振器200中信号206被锁定到谐振频率并且有一个由耦合进谐振器200诱导的狭窄的带宽。因此信号206取决于谐振器200的性能，即取决于在谐振器200的外表面上的可测量参数。信号206提供到如上所述的测量设备209。应该注意的是，在一个实施例中，环形谐振器200可以用一种激光发射材料形成，这样谐振器构成如在图2的内部谐振器实施例中显示的激光器腔体。
图8显示了一个替代实施例，其中由谐振器200传播的信号210作为信号212耦合到第二级或输出波导214，该波导在由216主要指明的区域和环形谐振器200耦合接触。在谐振器200由非激光发射材料构成的场合，该实施例尤其有用。输出波导214在和波导204的耦合接触的外侧。为了引导信号212，波导214有一个封闭端220并从该端向远端延伸，这样，信号212以和信号206平行的方向传播。信号212耦合到测量装置209。环形谐振器200和波导214和204最好在同一个全面工序中创立以减少装置成本和制作次数。
图8的实施例对来自输入信号的一个波长的滤波特别有用。例如，信号206是一个宽带宽的LED能量或是一个白光能量，谐振器200将移去传播能量中和谐振器200的谐振频率和带宽部分重合的部分。信号212将在被移去的频率上。对于谐振器200，可以获得从信号206几乎完全除去谐振频率。
图9显示一个图4和5的适当的替代实施例光纤300，该光纤有一个包覆层302，一个核芯304和一个腔体306。外表面308是光纤300的检测表面。腔体306限定一个和腔体166所限定的相似的可变化间隙，该间隙的剖面随可测量参数的变化而变化。然而，此处腔体306完全设置在镀覆区域302之内。不过腔体306仍然和核芯302足够接近以改变在其中传播的信号经历的有效折射率。如上述实施例，由可测量参数所诱导的腔体306的变化将改变有效折射率。这样，光纤300可用于谐振器或激光器腔体以产生一个取决于可测量参数的输出信号。光纤300适用于上述Bragg反射器谐振器或环形谐振器的结构，也适用于其他谐振器的结构。如光纤100，核芯304用高光学透明系数材料形成，最好在红外区域透明。核芯304和腔体306可以有不同的剖面，但对可测量参数的变化还能得到合乎需要的谐振频率的依赖性。
本技术所包含另一类谐振器是微球体谐振器，如图10-12所示的谐振器400。光学微球体被认知为有极其高的Q值，其值超过1,000,000,000。因此微球体提供了用于测量可测量参数的非常小变化的理想的谐振器。但是已知的微球体都是由单一结构构成的，没有可以做成可变化的间隙或间隔。
微球体400为空芯的并工作在耳语走廊模式，在该模式中和已知的微球体一样光沿微球体400的外表面行进。在球体的表面光受到内部全反射的限制。微球体400被分为第一半球体402和完全相同的第二半球体404，两个半球体402和404由一个可变化间隙406分隔。间隙406足够小，因此在任一个半球体402，404中传播的信号能耦合进另一个半球体使其在内传播。
微球体400的特征在于由半球体402和404限定的谐振频率。间隙406的间隔以和光纤160上的腔体166的间隙相似的方式影响谐振频率。参考图11，在波导410中传播的激光信号408的一部分被耦合进半球体402。在高Q值谐振器400中激光信号408将锁定在谐振频率上。在运行中，当可测量参数在检测表面413a和/或413b上变化时，可变化间隙406将变化在半球体402和半球体404之间的间隔并从而改变微球体400的谐振频率。可变化间隙406中的最终变化改变了激光信号408的输出频率。信号408被耦合到未显示的测量设备。
图12显示了一个替代实施例，其中微球体400设置在两个波导410和412之间，并且微球体400具有相似于图8中显示的结构的谐振频率滤波器或传感器414的功能，在波导412中产生一个滤波器激光信号416。
微球体400和波导410和412可以形成在一个衬底上并用适合于普通微球体的安装方法安装。半球体402和404最好安装成能互相相对移动。通过示例的方式，MEMS安装结构可以用于这一目的。MEMS制造工艺可以用来创立一种驱动安装，该安装方法将半球体402和404偏置到一个所希望的可变化的间隙间隔，但允许该可变化的间隙间隔互相相对并随压力，温度等的微小变化而收缩机膨胀。虽然可用非激光发射材料形成，但微球体400最好用激光发射材料例如掺杂石英形成。多重微球体可以用来增强检测器所测量的输出信号的信噪比。其他的修改也将是显而易见的。
图13显示了一个替代的光学传感器450，该传感器采取由微球体452形成的光学传感器舱的形式。在该优选实施例中，激光器掺杂以形成一个微激光器，当由激励光激发时该激光器发射激光。传感器450由两个模块454和456构成。第一模块454由介电材料形成并包含一个接收腔体458。模块454有一个设置在一个柔韧膜或部分462上的检测表面460，因此可测量参数在检测表面460上的变化将使膜462偏斜。模块456用介电材料形成并被设置成和微球体452相对。例如，微球体452可以设置在模块456中的一个小点缺口中。微球体452可以由一个支座支撑。微球体452最好是一个整体，不形成为如图10-12的实施例那样的两半球体。微球体452定位于膜462的下面，两者共同限定一个可变化间隙464。在该结构中，光耦合进微球体452，并且在可变化间隙464中的变化，即在检测表面460上因可测量参数的变化引起的变化将影响在微球体452中的谐振条件，从而改变在CW运行中激光源的频率或改变在模式锁定运行中脉冲激光源的重复率。通过示例的方式，显示一个用于将光耦合进出微球体452的波导466。交替的光可以通过透明模块454将光束集中到微球体452而耦合到微球体452。
类似图7-8的环形谐振器实施例可以整体形成到一个衬底上，从而提供一个保护谐振器和波导避免损坏的一体化结构。图14A和14B显示了一个有第一模块502和第二模块504的示例的一体化光学传感器500(未装配)。第一模块502包括一个采用注入，刻蚀和生长或其他适当工艺制成的谐振器506。在一个优选实施例中，用蓝宝石形成衬底508，用砷化镓或多晶硅形成谐振器506，砷化镓或多晶硅有比蓝宝石更高的折射率而能提供内部全反射。类似于上述关于图8的波导，主波导510和封闭的第二级波导512也制成在衬底508上。波导510和512以及环形谐振器506有和衬底508的顶平面514齐平的顶平面。由波导510和512以及环形谐振器506传播的信号就此处在内部全反射下。
模块504用衬底516形成，在优选实施例中该衬底和衬底508的材料相同。模块504包括一个限定一个可变化间隙的腔体518。如上述腔体166，腔体518有这样的几何形状，因此使得腔体518的间隙将随可测量参数例如压力，力或温度的变化而变化。而且，虽然图14A和14B显示直线的形状，可以理解的是，其他的形状也是合适的，例如，可以应用非平面形状。一体化的光学传感器500通过将模块504安装到模块502上形成图15所显示的结构而制成。
如图15的剖面中所示，腔体518在环形谐振器506的外面，但足够靠近以改变在环形谐振器506内传播的波所经历的有效折射率。腔体518的形状随上述可测量参数在检测表面519上的变化而改变，可变化间隙的变化改变了谐振器506的谐振频率。例如模块504可以形成在谐振器506上的隔膜。波导512上的输出信号被耦合到检测器和处理器。根据上述该结构可以用于CW或脉冲模式的运行。
对于在本技术领域熟练的普通人士而言，光学传感器500的许多替代都是显而易见的。例如，在谐振器506的表面可以形成一个Bragg光栅以进一步使来自波导512的输出信号的带宽更狭窄或在其它方面影响运行。谐振器506可以掺杂以提供整体激光发射作用，或环形谐振器506可以被连接到一个外部激光器以提供可变化频率的输出。另外，可以应用同轴环形谐振器以补偿例如温度的起伏。当每个同轴环形谐振器有因不同的几何形状(在本场合为半径)而引起的不同的压力灵敏度时，这样的替代就尤其有用。
甚至更进一步，光学传感器500可以由存在于腔体518相对侧面上的相对的对称的和完全一样的环形谐振器形成。两个波导将起到一个带有一个可变化内部间隙的单独模式的波导的作用。图16显示了一个实施例的剖面图，该实施例中，在腔体518上以及在环形谐振器506上设置一个第二环形谐振器520。
替代图14显示的双模块结构，光学传感器500可以个单衬底结构，即没有模块制成。在这里，可以应用多重步骤工艺，在该工艺中，先生长衬底层的第一部分，然后进行注入或刻蚀以形成整体的环形谐振器和必要的波导，再然后进行后继的生长步骤以在传感器的顶部表面形成腔体。
第一模块502由图17的光子晶体模块530替代形成。模块530有一个主波导532，一个谐振器534和一个第二级波导536。模块530可以和模块504一起使用而作为模块502的替代，或模块530可以在一个一体化的结构中和一个可变化间隙一起形成。谐振器534通过光子晶体阵列中间隔的变化而制成，正如本技术领域所已知。
波导532，536和谐振器534以2D光子晶体点阵阵列方式制成。光子晶体基本上由重复序列的元素构成，在该序列中每一个元素的尺度都相似于或处在在该序列中传播的光的波长的数量级。光子晶体是理想的，因为它们即使在波导的角上也有严格的模式限制和低的损耗。它们也能允许进行消散耦合。结果，模块530成为一种低损耗光学耦合器，谐振器534是一种高Q值谐振器。
模块530以穴或柱538的2D阵列制成，这些空穴或柱构成了三角形的点阵取向。该阵列可以用已知的光子晶体形成技术形成。例如，经校准的平行光束可以穿透光学衬底材料的孔。采用电子束直接在薄膜或异质结构上画需要刻蚀图形的平版印刷工艺也是已知的。所形成的2D光子晶体阵列限定了谐振器534以及波导532，536，因此，可以采用单一工艺步骤同时制成这样三种结构。
在模块530中，在主波导532中传播的激光信号将消散耦合进到环形谐振器534。如本文中叙述的其他谐振器，谐振器534可以由激光发射材料或非激光发射材料形成。来自谐振器534的信号耦合到波导536。模块530最好和外部腔体518一起使用，这时，检测表面519上的变化将改变腔体518的可变化间隙和来自谐振器534的谐振器信号的频率。
虽然图14-17的实施例显示了一个主波导或输入波导和一个第二级波导或输出波导，但可以理解的是，也可以如图7只用单个波导。
图18显示了光学传感器600的另一个实施例。该光学传感器600由一个垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)602构成，该激光器的输出与外部谐振器604相耦合。该VCSEL 602示例性地包括一个有源区域606和两个反射器612和614，在优选实施例中，每一个反射器都是分布Bragg反射器层。谐振器604是一种以内部全反射原理工作的微盘谐振器，因此有低的损耗和高Q值。谐振器604有一个限定可变化间隙的腔体620，该可变化间隙随检测表面616上可测量参数的变化而变化。谐振器604安装在VCSEL 602的顶部表面以接收来自VCSEL 602的输出。通过实例的方式，显示的透明的电介质622也可用于该目的。为了容易包装和在实际应用中安置，整个传感器600可以安装在衬底或支撑层624上。
在该实施例中，来自谐振器604的输出取决于其谐振频率。该谐振频率是腔体620的可变化间隙的函数，而该可变化间隙是可测量参数如压力和温度的函数。VCSEL的输出耦合到高Q值微盘604以确定VCSEL 602的频率。
可以从上述看到，文中显示了一种高Q值光学谐振器，该谐振器的谐振频率取决于诸如压力，温度，流率，力，材料成分或应力的可测量参数。谐振器的谐振频率通过使激光器锁定到谐振频率来确定激光器的输出频率，或该谐振频率可以确定起滤波器作用的谐振器的输出。任何一种输出都取决于在检测表面上的可测量参数，并且都能被用于计算可测量参数的绝对的或差分的值。谐振器可以用激光器外部的光学媒介形成，或者光源或光学媒介可以在作为激光器腔体和谐振器的源的内部。上述多种波导都包括如仅依赖于内部全反射的微盘和微球体的电介质谐振器，也包括具有用以限制传播信号的波导的谐振器。除了所显示的以外，其他的谐振器结构也将是很明显的。
上面叙述了本学说的许多应用，其他的各种应用也将是明显的。所叙述的光学装置的高精确度很好地适用于工业过程以及流体系统的应用，尤其适用于基于电子电路的常规半导体传感器经常不能工作的小信号强度的应用。在一种应用中，可以应用一种光学远程压力传感器，该传感器中光学谐振器代替一个充油的毛细管。另一种应用包括ΔP流量表，可用于测量物理分开位置上的压力，该表用于确定压力的变化。相比较，常规的ΔP传感器需要一个充油的隔离系统以将两个物理分开的压力耦合到一个共同的传感器中。光学传感器也适用于在常规的传感器和电子电路不能工作的高温应用场合下的压力测量，例如，测量喷气发动机中的压力，测量油井的压力和测量蒸汽的压力。所显示的结构也能用于ΔP发射器，其中ΔP必须在高线压(AP)下测量的。这里可以应用高灵敏度的双AP光学传感器。甚至进一步，在因为电气干扰或安全的原因常规导线不适用的温度测量应用场合，现在也能通过应用所有的光学传感器而达到目的。其他的传感器应用包括应用光学传感器来测量流率和材料成分。
只要不背离本发明的应有的范围和精神，对所揭示的实施例可以作出很多另外的变化和修改。上文讨论了一些变化的范围。其他的范围从附后的权利要求中可以变得更为清晰。

Claims (56)

1.一种和其特征在于重复率的传播脉冲激光能量的模式锁定激光源一起使用，用于测量可测量参数的光学传感器，其特征在于，该光学传感器包括：
一个为接受至少一部分脉冲激光能量而设置的光学谐振器，该光学谐振器具有一个波导，一个腔体和一个检测表面，所述波导包括核芯，所述腔体限定可变化的间隙，所述检测表面被定位成响应于测量表面上可测量参数变化来改变可变化的间隙，使得脉冲激光能量的重复率响应于可测量参数的变化而变化，其中检测表面是波导的外表面，腔体至少部分设置在核芯中。
2.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，波导进一步包括一个围绕核芯的包覆层，因此至少一部分激光能量在该核芯内在内部全反射下传播。
3.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，光学谐振器进一步包括一个在该光学谐振器入口端的第一反射器和一个在该光学谐振器出口端的第二反射器。
4.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，波导是一个环形谐振器。
5.如权利要求4所述的光学传感器，其特征在于，环形谐振器由光纤制成。
6.如权利要求4所述的光学传感器，其特征在于，环形谐振器制成在一个光学衬底上。
7.如权利要求4所述的光学传感器，其特征在于，环形谐振器采用光子晶体结构制成。
8.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，可测量参数从由压力，温度，流率，材料成分和应力构成的集合中选择。
9.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，波导是一个微盘。
10.如权利要求9所述的光学传感器，其特征在于，激光源是一个垂直腔体表面发射激光器形式的分布反馈激光器。
11.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，波导是一个微球体，该微球体具有一个第一半球体和一个由可变化间隙隔离开的第二半球体，检测表面是该微球体的外壳。
12.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，进一步包括一个用于测量激光能量的重复率的测量装置。
13.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，光学谐振器在模式锁定激光源的外面。
14.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，光学谐振器在模式锁定激光源的内部，形成一个模式锁定激光源的激光器腔体。
15.一种和一个激光源一起使用，用于测量可测量参数的光学传感器装置，其特征在于，该光学传感器装置包括：
一个光学谐振器，该光学谐振器具有一个波导，一个腔体和一个检测表面，所述波导包括一个核芯，所述腔体限定可变化的间隙，所述检测表面被定位成响应于测量表面上可测量参数的变化来改变可变化的间隙，该光学谐振器限定一个响应于可变化的间隙的变化而变化的谐振频率，该光学谐振器的设置使得来自光学传感器装置的激光信号有一个谐振频率上的频率，其中该检测表面是波导的外表面，腔体至少部分设置在核芯中。
16.如权利要求15所述的光学传感器装置，其特征在于，光学谐振器在激光源的内部并形成一个该激光源的激光器腔体。
17.如权利要求15所述的光学传感器装置，其特征在于，光学谐振器形成一个在激光源外部的谐振器。
18.如权利要求15所述的光学传感器装置，其特征在于，可测量参数是向检测表面施加力以改变可变化间隙的物理参数。
19.如权利要求18所述的光学传感器装置，其特征在于，物理参数从由压力，温度，流率，材料成分和应力构成的集合中选择。
20.如权利要求15所述的光学传感器装置，其特征在于，激光信号在该核芯内在内部全反射下传播。
21.如权利要求15所述的光学传感器装置，其特征在于，波导进一步包括一个在该光学谐振器的入口端的第一反射器和一个在该光学谐振器的出口端的第二反射器。
22.如权利要求15所述的光学传感器装置，其特征在于，波导包括一个环形谐振器。
23.如权利要求15所述的光学传感器装置，其特征在于，激光源是一个分布反馈激光器并且波导是一个微盘。
24.如权利要求15所述的光学传感器装置，其特征在于，波导是一个微球体，该微球体有一个第一半球体和一个由可变化间隙隔离分开的第二半球体，该可变化间隙随光学谐振器的检测表面上可测量参数的变化而变化，该检测表面是该微球体的外壳。
25.如权利要求15所述的光学传感器装置，其特征在于，进一步包括一个用于测量激光信号频率的测量装置。
26.如权利要求15所述的光学传感器装置，其特征在于，光学谐振器由一种激光发射材料制成。
27.如权利要求15所述的光学传感器装置，其特征在于，光学谐振器由一种非激光发射材料制成。
28.一种基于一个可测量参数用于调制产生一个激光能量的激光源的输出的装置，其特征在于，该装置包括：
一个为接收激光能量而耦合的耦合器；
一个检测表面；和
一个外部高Q值谐振器，它具有核芯和至少部分设置在该核芯中的腔体，该高Q值谐振器的特征在于谐振频率随可测量参数的变化而变化，该高Q值谐振器与耦合器相耦合，用于将激光能量调制成具有该高Q值谐振器谐振频率的频率的信息携带激光信号，其中可测量参数是物理参数，它使施加到检测表面的力产生变化以改变腔体和谐振频率，检测表面是外部高Q值谐振器的外表面。
29.如权利要求28所述的装置，其特征在于，耦合器是波导耦合器。
30.如权利要求28所述的装置，其特征在于，物理参数从由压力，温度，流率，材料成分和应力构成的集合中选择。
31.如权利要求28所述的装置，其特征在于，激光源有一个其特征在于一个第一Q值Q1的激光器腔体，高Q值谐振器的特征在于一个第二Q值Q2，该值高于Q1。
32.如权利要求31所述的装置，其特征在于，Q2至少为100。
33.如权利要求28所述的装置，其特征在于，耦合器和高Q值谐振器位于同一衬底内。
34.如权利要求28所述的装置，其特征在于，检测表面通过腔体与高Q值谐振器分隔开。
35.一种可变化频率谐振器，其特征在于，它包括一个光学谐振器，该光学谐振器有一个检测表面，一个具有核芯的波导，和一个限定一个可变化间隙并至少部分延伸入该核芯的腔体，该光学谐振器的特征在于一个取决于可变化间隙的谐振频率，该可变化间隙的设置能响应于检测表面上可测量参数的变化而改变光学谐振器的谐振频率。
36.如权利要求35所述的可变化频率谐振器，其特征在于，光学谐振器进一步包括一个设置在波导的入口面的第一反射器和一个设置在波导的出口面的第二反射器，其中第一反射器和第二反射器限定通过该波导的谐振长度。
37.如权利要求35所述的可变化频率谐振器，其特征在于，波导是一个光纤。
38.如权利要求35所述的可变化频率谐振器，其特征在于，波导是一个环形谐振器。
39.如权利要求35所述的可变化频率谐振器，其特征在于，波导用光子晶体制成。
40.一种检测一个可测量参数的方法，其特征在于，该方法包括的步骤为：
提供一个激光信号；
提供一个谐振器，该谐振器的特征在于谐振频率，该谐振器具有波导和一个腔体，该波导包括核芯，该腔体至少部分延伸入该核芯并限定可变化的间隙，该可变化间隙响应于可测量参数的变化而变化，其中可变化间隙的变化改变谐振频率；
通过谐振器来传播至少一部分激光信号，使得该激光信号有一个谐振频率上的频率；和
根据传播的激光信号部分的频率检测可测量参数的变化。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，提供谐振器的步骤进一步包括的步骤为：
在核芯的入口侧放置一个第一反射器；和
在核芯的一个出口侧放置一个第二反射器，其中第一反射器在激光信号的频率上部分透射。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，波导是一个光纤，该光纤有一个入口端和一个出口端，并且提供谐振器的步骤进一步包括的步骤为：
在入口端形成一个第一Bragg反射器；和
在出口端形成一个第二Bragg反射器。
43.如权利要求40所述的方法，其特征在于，激光信号由一个激光源产生并且谐振器在该激光源外部，传播激光信号的步骤进一步包括将激光信号从激光源耦合到谐振器。
44.如权利要求40所述的方法，其特征在于，谐振器由激光发射材料制成。
45.如权利要求40所述的方法，其特征在于，其中检测可测量参数变化的步骤包括提供一个和可变化间隙联通的检测表面的步骤。
46.一种检测一个可测量化参数的方法，其特征在于，该方法包括步骤为：
提供一个其特征在于一个重复率的脉冲激光信号；
提供一个谐振器，该谐振器包括波导，该波导能够传播脉冲激光信号；
至少部分在波导中设置一个腔体，该腔体限定可变化的间隙，该可变化间隙响应于波导表面处可测量参数的变化而变化；
通过谐振器传播至少一部分脉冲激光信号，使得脉冲激光信号的重复率随可变化间隙的变化而变化；和
检测响应于可变化间隙的变化的重复率变化。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于，提供谐振器的步骤进一步包括步骤为：
在波导的入口侧放置一个第一反射器；和
在波导的出口侧放置一个第二反射器，其中第一反射器在激光信号的频率上部分透射。
48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，波导是一个光纤，该光纤有一个入口端和一个出口端，并且提供谐振器的步骤进一步包括步骤为：
在入口端形成一个第一Bragg反射器；和
在出口端形成一个第二Bragg反射器。
49.如权利要求46所述的方法，其特征在于，检测变化的步骤进一步包括提供一个和可变化间隙联通的检测表面。
50.如权利要求46所述的方法，其特征在于，脉冲激光信号由一个模式锁定激光源产生并且谐振器在该模式锁定激光源外部，传播脉冲激光信号的步骤进一步包括将至少一部分脉冲激光信号从模式锁定激光源耦合到谐振器。
51.如权利要求46所述的方法，其特征在于，谐振器由形成一个产生脉冲激光信号的模式锁定激光源的激光发射材料制成。
52.一种和一个光源一起使用的光学谐振器，其特征在于，该光学谐振器具有一个波导和一个腔体，该波导由核芯形成，该腔体限定可变化间隙，该腔体至少部分延伸入核芯，其中可变化间隙响应于波导表面处可测量参数的变化而变化，光学谐振器接收来自光源的光能以响应于可变化间隙的变化改变光能的特性。
53.如权利要求52所述的光学谐振器，其特征在于，光能是一个连续波并且其特性是频率。
54.如权利要求52所述的光学谐振器，其特征在于，光能是一个脉冲激光能并且其特性是重复率。
55.如权利要求52所述的光学谐振器，其特征在于，光源是一个LED源。
56.如权利要求52所述的光学谐振器，其特征在于，光源是一个激光源。
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