[發明專利]一種可側向超聲激勵和探測的一體化光纖式光聲探頭

有效

• 申請號: 202110037631.0
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112858180B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 李成;盧杉杉;劉健
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17
• 代理公司: 北京中南長風知識產權代理事務所(普通合伙) 11674
• 代理人: 鄭海;張學元

本發明公開一種可側向超聲激勵和探測的一體化光纖式光聲探頭，探頭中光纖(1)的側壁被拋磨，并沉積有光聲材料(31)，形成光聲信號激勵單元(3)以激勵光聲信號；并通過飛秒激光刻蝕，制作法布里?珀羅(Fabry?Perot，F?P)干涉腔，形成由介質鏡(21)—聚合物膜(22)—介質鏡(23)組成的F?P腔式光聲信號探測單元(2)，用于光聲信號的探測；在光纖纖芯(4)上制作45度斜光柵(5)，用于激勵光與探測光的分離。由于斜光柵(5)的濾波作用，光纖(1)內傳輸的激勵光束經斜光柵(5)透射至光纖端(6)附近的光聲信號激勵單元(3)，沉積的光聲材料(31)在光聲效應作用下激發超聲信號；探測光束經由斜光柵反射至光纖側面的F?P干涉腔以探測光聲信號。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及一種可側向超聲激勵和探測的一體化光纖式光聲探頭。

背景技術

1880年，貝爾發現在周期性光源照射下，物體會發出聲信號(BELL A G.Upon theproduction and reproduction of sound by light[J].Journal ofthe SocietyofTelegraph Engineers,1880,9(34):404–426.)，這一現象被稱為光聲效應。即當光照射到某一物體上時，物體吸收光能轉化為熱能，發生體積的膨脹；當采用脈沖光源或調制光源時，物體溫度的升降會引起體積漲縮，從而可以向外輻射聲波。傳統的超聲換能器多為基于壓電效應的壓電晶體制成，其結構尺寸相對較大且易受電磁干擾，而基于光聲效應制作的光纖式光聲探頭具有柔性化、微型化、抗電磁干擾等優勢。

目前，光聲效應在光纖傳感領域的應用主要分為兩大類，一類是僅利用光纖傳輸激光，待測物體吸收脈沖激光后產生超聲；另一類是在光纖端面制備涂層，涂層吸收脈沖激光后產生超聲。前者較容易在單根光纖上實現光聲信號激勵和探測的一體化。1998年，英國倫敦大學學院的P.C.Beard等人在多模光纖端頭利用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，制作了F-P聲探測器(P.C.Beard,F.Perennes,E.Draguioti,et al.Optical fiberphotoacoustic–photothermal probe[J].Optics Letters,1998,23(15):1235-1237.)。但所制作的傳感器探頭需要使用水腔來匹配聲阻抗，導致其體積較大，同時探頭在探測過程中需要緊貼目標物，限制了其應用。2011年，英國倫敦大學學院的Edward Z.Zhang與PaulC.Beard在單模光纖上分別制作了前向和側向收發一體的F-P探頭，其中，前向探頭在雙包層光纖端包括光纖(1)，介質鏡(21)—聚合物膜(22)—介質鏡(23)組成的F-P腔式光聲信號探測單元(2)，沉積有光聲材料(31)的光聲信號激勵單元(3)，以及位于光纖纖芯(4)上的45度斜光柵(5)。面沉積聚合物薄膜形成F-P腔；側向探頭在光纖包層表面沉積了F-P結構薄膜，同時將光纖端面拋磨成45度角用以反射激光至側面。(Edward Z.Zhang,PaulC.Beard.A miniature all-optical photoacoustic imaging probe[C].Photons PlusUltrasound:Imaging and Sensing,2011)。這種結構的探頭是將激勵光穿過透明薄膜后直接照射到目標物體上，較高的能量會導致目標物體發生熱燒蝕，而對光吸收系數不高的物體，其光聲效應會很微弱。這不同于本發明中基于光聲效應的超聲激發與探測。