[發明專利]一種光纖法珀聲波探頭及信號解調系統

在審

• 申請號: 201711406875.1
• 申請日: 2017-12-22
• 公開（公告）號: CN108151866A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 庾財斌;吳宇;吳繁;李晨;饒云江
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 閆樹平

本發明涉及光纖技術、光學工程、材料工程及信號處理技術領域，具體涉及一種光纖法珀聲波探頭及信號解調系統。本發明的光纖法珀聲波探頭采用還原氧化石墨烯薄膜作為聲波振動敏感薄膜，易于轉移、制作簡單、成本低、成品率高；其解調系統采用了一種三波長相位解調方法，寬帶光源、環形器、光纖法珀聲波探頭、波分復用器、三通道光電探測器、數據采集卡和數據處理模塊的配合運用，使本發明的光纖法珀聲波探頭在工作中不受溫度影響。本發明的解調系統適用成本低的寬帶光源且穩定性高，與本發明的光纖法珀聲波探頭配合可應用于安全布防監控、醫學及生物醫學工程等領域。

技術領域

本發明涉及光纖技術、光學工程、材料工程及信號處理技術領域，具體涉及一種光纖法珀聲波探頭及其信號解調系統。

背景技術

光纖法珀腔作為一種十分重要的光學結構，由于其體積小，成本低，抗電磁干擾，可遠距離傳輸信號的諸多優點被廣泛應用于精密儀器、工業生產、通信、傳感等領域。也正是由于這些優點，基于光纖法珀腔聲波傳感器的研究也得到了越來越多人的關注。

傳統的光纖法珀聲波探頭一般是由光纖和振動膜片組成，光纖端面和振動膜片組成法珀腔的兩個反射面，空氣作為腔體介質。對于這種結構的光纖聲波探頭，影響探測靈敏度的兩個關鍵因素就是振動膜片的反射率和厚度。目前，對于振動膜片的選擇通常有有機膜和金屬膜等，但是這些類型的振動膜片厚度都很難做薄，而且制作過程復雜，工藝要求高，這在很大程度上限制了聲波探頭的靈敏度提高和批量生產。石墨烯作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，已經被廣泛地應用于各個領域。

對于石墨烯的壓力傳感器，靳偉等人于2012年制作了本征型石墨烯膜光纖法珀干涉傳感器(參見：Jun Ma，Wei Jin,Hoi Lut Ho，etal.High-sensitivity fiber-tippressure sensor withgraphene diaphragm[J].Optics letters,2012,13(37):2493-2495.)，以及于2014年制作了非本征型石墨烯膜光纖法珀干涉傳感器(參見：Jun Ma,WeiJin,HaifengXuan，etal.Fiber-optic ferrule-top nanomechanical resonator withmultilayer graphene film[J].Optics letters,2014,16(39):4769-4772.)。申請專利號為201310564209.6、申請公開號為CN103557929A的中國發明專利“一種基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器制作方法及其測量方法、裝置”公開了一種基于石墨烯膜的光纖法珀聲壓傳感器。他們都是用的單層或多層石墨烯薄膜。

這種純石墨烯膜的探頭都存在一些缺點。首先，在制作薄膜方面，這種單層或多層的石墨烯通常采用化學氣相沉積的方法，這種方法需要昂貴的設備和復雜的工藝，這大大增加了制作成本和制作難度。其次，單層或多層的石墨烯厚度只有幾納米至幾十個納米，在薄膜的轉移過程中，它們通常需要一層聚合物薄膜(PMMA)作為襯底，否則轉移到套管端面非常困難，在最后去除PMMA膜的時候極易使石墨烯膜破裂，這就使得石墨烯探頭的成品率很低。

發明內容

針對上述存在問題或不足，為解決如何優化光纖法珀聲波探頭的制作工藝，降低制作成本，提高成品率，得到能實用化的聲波探頭產品。如何克服傳統解調方法中的一些缺點，使得該光纖聲波探測系統的更接近實用化。本發明提供了一種光纖法珀聲波探頭及其信號解調系統。

一種光纖法珀聲波探頭，包括：兩端喇叭口形玻璃套管，其一端覆蓋石墨烯薄膜，另一端插入單模光纖，光纖端面與石墨烯薄膜形成干涉法珀腔。

所述石墨烯薄膜為還原氧化石墨烯薄膜作為聲波敏感元件，其彈性模量為50-100GPa，厚度為0.1-1微米。光纖為單模光纖，其大小與玻璃套管內徑相適應，玻璃套管兩端為喇叭開口形狀，目的一是為了易于插入光纖，二是為了增大懸空還原氧化石墨烯薄膜的振動面積，增加聲波探頭對聲波探測的靈敏度，玻璃套管的喇叭開口端最大處的直徑為0.8-2.8毫米。