一种收发一体式光纤超声探头、超声波激发和检测系统的制作方法

[0001]
本发明属于超声波激发和检测技术领域，更具体地，涉及一种收发一体式光纤超声探头、超声波激发和检测系统。


背景技术：

[0002]
超声是一种频率大于20khz的声波，由于其波长短，穿透性强，在高分辨率医疗影像、无损检测等领域应用前景广泛。通过超声探头产生一个超声脉冲，并测量由待测物体反射的超声信号，可以实现对待测物体的成像或者结构的分析。
[0003]
光纤超声探头由于其抗电磁干扰，尺寸小，灵活性高的优点，受到了广泛的关注。目前光纤超声探头主要分为两类：第一类是光纤超声激发探头，与传统的压电超声换能器不同，为了将光能量有效的转换为超声能量，光纤超声激发探头需要在其端面涂覆具有高光学吸收的材料以及具有快速热扩散和高热弹性膨胀的弹性层材料。聚二甲基硅氧烷(pdms)因其热膨胀系数高而被认为是最理想的弹性层材料。近些年来主要研究集中在具有高光学吸收的材料上，例如石墨烯、金纳米颗粒、碳黑、碳纳米管等。但此类探头无法实现对入射超声信号的探测，超声波检测仍依赖于外部的超声传感器，难以进一步缩小探头尺寸。第二类是光纤超声传感探头，光纤超声传感探头通过测量超声波引起的探头形状或物理参数变化，获得待测超声信号，目前主要检测方案包括马赫-曾德干涉型、低相干迈克尔逊型、法布里-珀罗型干涉仪和谐振腔型。但该类探头只能用于检测入射的超声波，无法将光能量转化为超声信号，自身无法产生超声信号，仍需要额外的超声源辅助才能用于超声成像或者无损检测等，同样难以实现小型化。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种收发一体式光纤超声探头、超声波激发和检测系统，由此解决现有光纤超声探头无法同时实现超声激发和超声检测的技术问题。
[0005]
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种收发一体式光纤超声探头，包括：引导光纤、传感聚合物薄膜、波长选择性透过膜和激发聚合物薄膜；
[0006]
所述引导光纤的输出端为平整端面，所述传感聚合物薄膜、所述波长选择性透过膜和所述激发聚合物薄膜依次覆盖于所述平整端面上；
[0007]
所述引导光纤用于使从其输入端入射的激励光传输，激励光依次透过传感聚合物薄膜和波长选择性透过膜，最终被所述激发聚合物薄膜吸收并产生超声信号；
[0008]
所述引导光纤还用于引导从其输入端入射的信号光传输，信号光透过所述传感聚合物薄膜，最终被所述波长选择性透过膜反射回引导光纤作为检测信号；
[0009]
所述传感聚合物薄膜受到超声波的激励时，其厚度发生改变，变化频率等同于入射超声波的频率，从而改变经过所述传感聚合物薄膜的反射检测信号的光程，对所述检测信号的进行相位调制，通过监测检测信号的相位变化获得被测超声波信号，从而实现对超
声信号的检测。
[0010]
优选地，所述传感聚合物薄膜的材料为杨氏模量100mpa至100gpa的聚合物材料，在激励光和信号光波长均具有大于90％的透射率，并且热膨胀系数小于10-4
/℃，薄膜的厚度为1μm-1mm。
[0011]
优选地，所述引导光纤为双包层光纤，包括由内而外设置的纤芯、内包层和外包层；
[0012]
所述纤芯的在信号光波长的传输方式为单模传输，用于所述信号光的传输；
[0013]
所述内包层的在激励光波长的传输方式为多模传输，用于所述激励光的传输；
[0014]
所述外包层用于束缚所述激励光和所述信号光。
[0015]
优选地，所述信号光为窄线宽激光，所述激励光为脉冲光或被调制的连续光。
[0016]
优选地，所述波长选择性透过膜为折射率在1.3-3的两种不同无机材料交替沉积形成的介质薄膜，且对信号光波长具有90％以上的反射率，对激励光波长具有90％以上的透射率。
[0017]
优选地，所述激发聚合物薄膜对激励光波长具有90％以上的光吸收率，且其热膨胀系数大于10-4
/℃。所述激发聚合物薄膜的材料为在激励光波段具有高光学吸收、粒子尺寸在10纳米到10微米的光吸收材料和具有快速热扩散和高热弹性膨胀系数的聚合物成的复合材料，且此复合材料与所述波长选择性透过膜具有良好的吸附性。
[0018]
按照本发明的另一方面，提供了一种超声波激发和检测系统，包括如上文所述的收发一体式光纤超声探头，还包括：激励激光器、空间光耦合装置、窄线宽激光器、第一光纤耦合器、环形器、第二光纤耦合器、相位稳定装置、第三光纤耦合器、光电平衡探测器和数据采集装置和检测箱；
[0019]
所述激励激光器的输出端连接于所述空间光耦合装置的输入端，所述空间光耦合装置的输出端连接于所述第二光纤耦合器的第一输入端；
[0020]
所述窄线宽激光器的输出端连接于所述第一光纤耦合器的输入端，所述第一光纤耦合器的第一输出端连接于所述环形器的第一端口，所述第一光纤耦合器的第二输出端连接于所述相位稳定装置的输入端；
[0021]
所述环形器的第二端口连接于所述第二光纤耦合器的第二输入端，所述第二光纤耦合器的输出端连接于所述光纤超声探头的输入端；环形器的第三端口连接于所述第三光纤耦合器的第二输入端；
[0022]
所述相位稳定装置的输入端连接于所述第三光纤耦合器的第一输入端，所述第三光纤耦合器的两个输出端分别与所述光电平衡探测器的两个输入端连接；
[0023]
所述光电平衡探测器的输出端分别连接于所述数据采集装置的输入端和所述相位稳定装置的控制端；
[0024]
所述光纤超声探头置于所述检测箱内；
[0025]
所述激励激光器用于产生激励光；所述空间光耦合装置用于将所述激励光耦合进入所述第二光纤耦合器；所述窄线宽激光器用于产生连续窄线宽激光；所述第一光纤耦合器用于将所述窄线宽激光分为信号光和参考光，并将所述信号光输入至所述环形器的第一端口，将所述参考光输入至所述相位稳定装置；所述环形器用于将所述信号光输入至所述第二光纤耦合器；所述第二耦合器用于将所述信号光与所述激励光耦合并输送至所述光纤
超声探头；所述光纤超声探头反射的检测信号经过所述第二光纤耦合器和所述环形器，通过环形器的第三端口进入所述第三光纤耦合器；所述第三光纤耦合器用于使所述检测信号与参考光发生干涉，将所述检测信号和参考光的相位差转换为光强变化；所述光电平衡探测器用于将所述光强变化转化为电压信号输出；所述相位稳定装置用于实时处理输出的电压信号，并调制所述参考光的相位；所述数据采集装置用于接收所述电压信号，将所述电压信号进行量化存储并显示，通过监测所述检测信号的相位变化带来的系统光强变化以获得被测超声信号。
[0026]
优选地，所述检测箱包括超声反射器和隔音水箱；
[0027]
所述超声反射器设置于所述隔音水箱内并相对设置于所述光纤超声探头；所述隔音水箱内充满去离子水。
[0028]
优选地，所述光电平衡探测器的直流输出电压为0v。
[0029]
优选地，所述第二光纤耦合装置的第一输入端为多模光纤，其第二输入端为单模光纤；
[0030]
所述第二光纤耦合装置的输出端光纤为与引导光纤参数相同的双包层光纤。
[0031]
优选地，所述相位稳定装置包括信号处理器和相位调制器；所述信号处理器用于对所述光电平衡探测器输出的电压信号进行处理，并将处理结果反馈至所述相位调制器；所述相位调制器用于根据处理结果对参考光的相位进行调制。
[0032]
优选地，入射超声波声压与所述光电平衡探测器输出的电信号电压为正比关系，根据公式获得光入射的超声波声压信息，其中β为超声波激发和检测系统的声压-电压灵敏度，k为光电平衡探测器的光功率-电压增益系数，i
s
为耦合进第三光纤耦合器的检测光的光强，i
f
为耦合进第三光纤耦合器的参考光的光强，为光纤超声探头由于超声波作用引起的检测信号的相位变化量。
[0033]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0034]
1、本发明通过将传感聚合物薄膜、波长选择性透过膜和激发聚合物薄膜依次覆盖在引导光纤的近端面形成整体式结构，使得光纤超声探头可以同时实现超声激发和超声检测。
[0035]
2、本发明通过在光纤超声探头中引入波长选择性透过膜，一方面，通过将激励光透过，并照射到掺杂了吸光材料的激发聚合物薄膜上，让吸光材料吸收激励光的能量，温度上升，并传递给聚合物材料，产生受热膨胀，产生超声波；另一方面，将信号光反射，通过入射超声波对传感聚合物薄膜厚度的调控，将超声信号调制到反射信号光的相位上，实现对超声波的检测。并且将超声波激发和检测装置都集成至同一引导光纤端面，实现小尺寸的收发一体化。
[0036]
3、本发明通过采用聚合物薄膜作为光纤超声探头的传感换能结构，可以通过改变聚合物薄膜的厚度、形状调控超声探头的灵敏度和声波频率响应曲线。
[0037]
4、本发明采用双包层光纤作为引导光纤，信号光在纤芯内传输，可以实现单模传输，避免了模间干涉，降低了传感器的噪声；激励光在内包层传输，利用内包层大有效面积，实现了在光纤损伤阈值以下高能量的激励光传输，提高了光纤超声探头产生的超声波强
度。
[0038]
5、本发明采用相干检测的技术，将光纤超声探头返回的信号光的相位变化转化为光强变化，大幅度的提高了系统的灵敏度，能实现低噪声等效压力的超声波检测。
[0039]
6、本发明采用相位稳定装置，通过实时分析处理光电平衡探测器的输出信号，对参考光的相位进行调控，可以有效的补偿环境噪声对测量系统的影响，能实现长时间的稳定测量。
附图说明
[0040]
图1是本发明中收发一体式光纤超声探头的结构示意图；
[0041]
图2是本发明中超声波激发和检测系统的结构示意图；
[0042]
图3是本发明实施例中激发和检测到的超声波波形图，其中图3中的(a)为光纤超声探头产生的超声波波形图，图3中的(b)为光纤超声探头产生的超声波经由超声波反射器反射并再次被光纤超声探头捕获的超声波波形图。
[0043]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：激励激光器1；空间光耦合装置2；窄线宽激光器3；第一光纤耦合器4；环形器5；第二光纤耦合器6；光纤超声探头7；引导光纤71；传感聚合物薄膜72；波长选择性透过膜73；激发聚合物薄膜74；激励光75；信号光76；相位稳定装置8；第三光纤耦合器9；光电平衡探测器10；数据采集装置11；超声反射器12；隔音水箱13。
具体实施方式
[0044]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0045]
图1为本发明中收发一体式光纤超声探头的结构示意图。如图1所示，本发明提出了一种收发一体式光纤超声探头，包括引导光纤71、传感聚合物薄膜72、波长选择性透过膜73和激发聚合物薄膜74。所述引导光纤71为双包层光纤，其内包层用于传输激励光75，纤芯用于传输信号光76。所述引导光纤71的近端面被打磨或切割平整，一层固化的紫外胶被沉积在引导光纤71的近端面作为所述传感聚合物薄膜72，同时作为所述波长选择性透过膜73的基底。一层具有波长选择性透过特性的介质膜被沉积到所述传感聚合物薄膜72的表面，作为所述波长选择性透过膜73，用于反射信号光并使激励光透过。所述激发聚合物薄膜74被沉积到介质膜的表面，用于吸收激励光，并利用光声效应产生超声信号。
[0046]
具体的，所述纤芯直径小于10微米，传输模式为单模传输，信号光76在纤芯内传输。所述内包层的直径大于10微米，传输模式为多模传输，激励光75在内包层中传输。更进一步的说明，外包层用于束缚激励光和信号光，且输出信号光为窄线宽激光，激励光为脉冲光或者被调制的连续光。
[0047]
优选地，所述引导光纤的外包层直径为125微米，内包层直径为105微米，纤芯直径为8微米。
[0048]
优选地，所述传感聚合物薄膜72的材料为杨氏模量在100mpa到100gpa的聚合物材
料，该材料在激励光和信号光波长均具有高透射率、低热膨胀系数，且与引导光纤的端面具有良好的吸附性。
[0049]
优选地，所述波长选择性透过膜73为介质膜，由折射率不同的材料依次交替沉积组成，对激励光波长具有高透过率，对信号光波长具有高反射率，且与所述传感聚合物薄膜72材料具有良好的吸附性。
[0050]
优选地，所述激发聚合物薄膜74的材料为在激励光波段具有高光学吸收、粒子尺寸在10纳米到10微米的光吸收材料和具有快速热扩散和高热弹性膨胀系数的聚合物组成的复合材料，且该复合材料与所述波长选择性透过膜具有良好的吸附性，激发聚合物薄膜74的厚度为1微米到500微米。
[0051]
更进一步的说明，本发明还提出了一种制备上述收发一体式光纤超声探头的方法，具体步骤包括：
[0052]
s1，将引导光纤的一端切割或打磨平整，将平整端浸入液态紫外胶中，使用紫外照射至紫外胶完全固化，形成传感聚合物薄膜。
[0053]
需要说明的是，将浸入液态紫外胶的所述引导光纤以合适的速度将其提出紫外胶，用紫外灯照射的时间为两小时。
[0054]
s2，使用磁控溅射方法将多层硫化锌和六氟铝酸钠依次交替沉积到所述传感聚合物薄膜表面，形成介质膜，作为波长选择性透过膜。
[0055]
s3，将引导光纤具有波长选择性透过膜的一端浸入到由pdms聚合物与碳黑的混合物中，静置拿出后用紫外灯照射至完全固化，形成激发聚合物薄膜。
[0056]
具体的，将按照10:1混合的pdms预聚物与碳黑按照5:1的质量比混合，并搅拌均匀，将已经具有介质膜的引导光纤近端面浸入到混合物中，静置两分钟后以合适的速度提出，并用紫外灯照射两个小时，至pdms预聚物完全固化。
[0057]
更进一步的说明，所述波长选择性透过膜是多层硫化锌和六氟铝酸钠依次交替沉积组成的介质膜，是一种周期性折射率调制的结构，能够对特定波长的光产生高反射率，对另一特定波长的光产生高透射率。通过设计介质膜的参数，当激励光和信号光沿引导光纤传输，激励光会透过介质膜，并照射到激发聚合物薄膜上，而对信号光却具有高反射率，会被介质膜全部反射，产生一束反向传输的光信号。
[0058]
向光纤超声探头中注入激励光时，会依次透过引导光纤、固化的紫外胶薄膜和介质膜，并最终照射到掺杂了碳黑的pdms薄膜上，掺杂了碳黑的pdms会吸收激励光并升温，由于升温膨胀pdms薄膜会压缩周围介质，产生向外传播的超声波。
[0059]
向光纤超声探头中注入信号光时，信号光会依次通过引导光纤和固化的紫外胶薄膜，并被介质膜完全反射，产生反射光信号，超声波作用在固化的紫外胶薄膜上导致其厚度发生改变，改变经过紫外胶薄膜的反射光信号的光程，实现对经过紫外胶薄膜的反射光信号的相位调制。
[0060]
固化的紫外胶薄膜充当超声波检测换能器件，紫外胶被粘附在引导光纤的近端面。入射信号光通过引导光纤和紫外胶薄膜，被介质膜完全反射返回引导光纤中。当外加超声波信号作用在紫外胶薄膜上，由于声压作用引起聚合物薄膜的厚度发生改变，变化频率等同于入射超声波频率，振动引起经过紫外胶薄膜并被介质膜反射的信号光的光程发生改变，从而导致反射信号光的相位发生改变。当紫外胶薄膜受到超声波作用形变较小时，薄膜
厚度变化量d与声压p的关系为：
[0061][0062]
对应信号光的相位变化为：
[0063][0064]
其中e为传感聚合物薄膜材料的杨氏模量，n为折射率，l为其厚度，λ为信号光的波长，λ
a
为待测超声波信号的波长，由公式可知，光信号的相位变化与声压大小成正比，且超声波传感灵敏度仅与传感聚合物薄膜的材料和轴向厚度有关，与传感聚合物薄膜的横向结构尺寸无关，超声探头的尺寸仅取决于引导光纤的尺寸，使用此结构可以制作超小尺寸的超声探头。所述传感聚合物薄膜也可以为聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚对二氯甲苯或者聚对苯二甲酸乙二酸酯。
[0065]
图2为本发明中超声波激发和检测系统的结构示意图。如图2所示，本发明还提出了一种基于上述制备方法所制备出的光纤超声探头的超声波激发和检测系统，包括激励激光器1、空间光耦合装置2、窄线宽激光器3、第一光纤耦合器4、环形器5、第二光纤耦合器6、光纤超声探头7、相位稳定装置8、第三光纤耦合器9、光电平衡探测器10、数据采集装置11、超声反射器12和隔音水箱13。
[0066]
更进一步的说明，所述激励激光器1的输出端连接于所述空间光耦合装置2的输入端，所述空间光耦合装置2的输出端连接于所述第二光纤耦合器6的第一输入端；所述窄线宽激光器3的输出端连接于所述第一光纤耦合器4的输入端，所述第一光纤耦合器4的第一输出端连接于所述环形器5的第一端口，所述第一光纤耦合器4的第二输出端连接于所述相位稳定装置8的输入端；所述环形器5的第二端口连接于所述第二光纤耦合器6的第二输入端，所述第二光纤耦合器6的输出端连接于所述光纤超声探头7的输入端；环形器5的第三端口连接于所述第三光纤耦合器9的第二输入端；所述相位稳定装置8的输入端连接于所述第三光纤耦合器9的第一输入端，所述第三光纤耦合器9的两个输出端分别与所述光电平衡探测器10的两个输入端连接；所述光电平衡探测器10的输出端分别连接于所述数据采集装置11的输入端和所述相位稳定装置8的控制端；所述光纤超声探头7与所述超声反射器12相对设置并置于所述隔音水箱13。
[0067]
具体的，所述激励激光器1产生高能量的脉冲激光，脉冲激光的波长与所述光纤超声探头7中的波长选择性透过膜73的高透射率波长一致。在所述空间光耦合装置2的作用下被耦合进入所述第二光纤耦合器6的多模输入端口。所述窄线宽激光器3产生连续窄线宽激光，窄线宽激光波长与光纤超声探头7中所述波长选择性透过膜73的高反射率波长一致。窄线宽激光器具有单纵模输出，具有良好的相干性，满足相干探测的需求。所述窄线宽激光器3在所述第一光纤耦合器4作用下分为两路，一路为信号光输入所述环形器5，另一路作为参考光输入所述相位稳定装置8；信号光经所述环形器5的a端口进入，并从b端口输出至所述第二光纤耦合器6的单模输入端，并与激励光通过所述第二光纤耦合器6注入光纤超声探头7；信号光经由光纤超声探头7的波长选择性透过膜73反射返回进入环形器5的b端口，并从c端口输出至所述第三光纤耦合器9；参考光经由所述相位稳定装置8调制，使参考光和信号
光的相位差稳定在π/2，确保系统工作在最佳工作点，并将参考光输出至所述第三光纤耦合器9，反射信号光与参考光发生干涉，将信号光的相位变化转变成光强的变化，并被所述光电平衡探测器10接收转变成电压信号，光电平衡探测器10的输出一部分作为反馈信号输入到相位稳定装置8，一部分被数据采集装置11接收并实时显示。
[0068]
优选地，所述激励光的波长为1064nm，窄线宽激光的波长为1550nm，所述第一光纤耦合器的分光比为50:50，所述第二光纤耦合器为双包层光纤耦合器。
[0069]
更进一步的说明，所述光纤超声探头7中的所述激发聚合物薄膜74吸收激励光产生的超声波信号，并传输至超声波反射器12反射，返回至光纤超声探头7，并作用于光纤超声探头7中的传感聚合物薄膜72，产生对反射信号光相位的调制。上述光纤超声探头7，超声波反射器12均被放置在充满去离子水的隔音水箱13中进行测试。
[0070]
图3为本发明实施例中激发和检测到的超声波波形图。其中图3中的(a)为光纤超声探头产生的超声波波形图，图3中的(b)为光纤超声探头产生的超声波经由超声波反射器反射并再次被光纤超声探头捕获的超声波波形图。
[0071]
本发明提出的收发一体式光纤超声探头，可运用在不同介质环境中的超声波激发和检测，不局限于水中，也可用于空气中及其他液体环境中的超声波激发和检测。
[0072]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。