CN103234619A - 光纤法布里-珀罗超声水听器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤Fabry-Perot超声水听器及系统，可以用于测量高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）声场。其中系统包括：光源组件、光纤组件、光纤法布里-珀罗超声水听器、夹持光纤法布里-珀罗超声水听器的夹具和探测与反馈组件；光源组件发出的光经过光纤组件到达光纤法布里-珀罗超声水听器后，被超声调制的光纤法布里-珀罗超声水听器的反射光经过光纤组件被探测与反馈组件接收并处理。其中光纤Fabry-Perot超声水听器，包括：单模光纤，反射光纤和石英毛细管，石英毛细管的两端分别与单模光纤和反射光纤连接，石英管内的空气腔作为干涉腔。本发明能够承受HIFU声场的高声压，并且具有声压灵敏度高，空间分辨率高和同时温度测量的特性。

Description

光纤法布里-珀罗超声水听器及系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot)超声水听器及系统。

背景技术

HIFU(High Intensity Focused Ultrasound，高强度聚焦超声)技术是一种非侵入性的治疗技术，它是将体外低能量超声波聚焦于体内靶区，在靶区产生瞬态高温，达到消融组织的目的。由于在HIFU声场的焦点处，超声的声强可达几万W/cm2,并同时产生高温效应和高达100MPa的声压，以及伴随极强的非线性高次谐波，因此为了能进行安全、有效的HIFU治疗，避免HUFU超声损伤靶区周围正常的组织，十分有必要确定HIFU声场的能量分布和声焦区域大小，即对HIFU声场进行测量。同时，由于HIFU声场呈椭球状（长轴约6mm～10mm，短轴约为1mm），因此要求测量HIFU声场的超声传感设备的直径不得大于0.5mm。

当前，测量HIFU声场的超声传感设备主要有PVDF（聚偏氟乙烯）压电水听器、光纤探头水听器、光纤端面镀聚合物薄膜的法布里-珀罗光纤超声水听器、光纤FBG（Fiber Bragg Grating，布拉格光栅）水听器。

其中，PVDF压电水听器可用于测量HIFU声场的声压，但其孔径较大（约为0.5mm)，且在此尺寸范围的PVDF压电水听器造价昂贵。同时在高超声功率下，PVDF探头极易被打坏，因此其存在不能承受高声压，低空间分辨率和易受电磁干扰的缺点。

光纤探头水听器可用于测量HIFU声场的声压，但其存在低分辨率、低灵敏度的缺点。

光纤端面镀聚合物薄膜的法布里-珀罗光纤超声水听传感器可用于同时测量HIFU声场的声压和温度。但是，在较高声强级的HIFU声场中，其传感头端部的聚合物薄膜或反射面金属层易被打坏，其耐高声压能力有限。同时，由于其对温度和声压都敏感，将产生温度和声压的交互作用，给准确分离温度和声压带来一定困难，导致后续需要处理的数据量庞大，使得由其构建的测量系统复杂、昂贵，较难批量推广。

光纤FBG水听器也可用于同时测量HIFU声场的声压和温度，但是其同样存在对温度和声压都敏感的问题，给准确确定HIFU声场的声压分布带来了困难。同时，光纤FBG水听器的传感尺寸在毫米数量级，这在测量高频超声场时容易引入空间均分效应，限制了它的空间分辨率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光纤法布里-珀罗超声水听器及系统。能够承受HIFU声场的高声压、高温，并且具有高空间分辨率、高灵敏度和同时温度测量的特性。

本发明提供的一种光纤法布里-珀罗超声水听器，包括：单模光纤，反射光纤和石英毛细管，所述石英毛细管的两端分别与所述单模光纤和反射光纤连接，所述石英管内的空气腔作为干涉腔。

进一步，所述反射光纤中相对于与所述石英毛细管连接的一端为毛化结构。

进一步，所述空气腔的两个反射面镀膜。

进一步，所述单模光纤、石英毛细管和反射光纤的外表面镀膜或铠装。

进一步，所述反射光纤为石英材质的光纤或石英纤维。

进一步，所述石英毛细管为空心光纤或空心光子晶体光纤。

相应的，本发明还提供了一种光纤法布里-珀罗超声水听系统，光源组件、光纤组件、如上所述的光纤法布里-珀罗超声水听器、以及探测与反馈组件，所述光源组件发出的光经过所述光纤组件到达所述光纤法布里-珀罗超声水听器后，被超声调制的所述光纤法布里-珀罗超声水听器的反射光经过所述光纤组件被所述探测与反馈组件接收并处理。

进一步，所述夹具包括：夹持杆、弹性体和夹持头，所述夹持杆、弹性体和夹持头均设置有轴向通孔，所述光纤法布里-珀罗超声水听器依次穿过夹持杆、弹性体和夹持头，所述夹持杆和所述夹持头采用螺纹连接，通过挤压所述弹性体将所述光纤法布里-珀罗超声水听器固定在所述夹具中。

进一步，所述夹具包括：夹持杆和夹持头，所述夹持杆和夹持头均设置有轴向通孔，在所述夹持杆的头上还具有圆锥形状的夹头，所述夹持杆和夹持头采用螺纹连接，通过上紧螺纹挤压所述夹头，将所述光纤法布里-珀罗超声水听器固定在所述夹具中。

进一步，所述光纤组件为光纤环形器、或串联的光隔离器和耦合器，所述探测与反馈组件包括：光电探测器和反馈电路，所述光电探器接收所述光纤法布里-珀罗超声水听器的反射光，并分为两路，一路输出超声的声压信号，另一种输至反馈电路，由反馈电路根据该路信号对所述光源组件进行波长反馈调节。

本发明的有益效果：

本发明实施例的光纤法布里-珀罗超声水听器由石英毛细管两端分别连接单模光纤和反射光纤构成，并且将石英毛细管内的空气腔作为干涉腔，其声压灵敏度较高。由于光纤的芯径较细，光纤法布里-珀罗腔的长度可以达到几十微米，因此传感器具有较高的空间分辨率。采用熔接加工方法将石英毛细管和单模光纤和反射光纤连接可以使传感器可以承受HIFU声场的高声压。因此，光纤法布里-珀罗超声水听器及系统对HIFU声场的测量具有独特的优势和潜在的实用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明提供的光纤法布里-珀罗超声水听器的第一实施例的结构示意图。

图2是本发明提供的光纤法布里-珀罗超声水听器的第二实施例的结构示意图。

图3是本发明提供的光纤法布里-珀罗超声水听器的第三实施例的结构示意图。

图4是本发明提供的光纤法布里-珀罗超声水听系统的第一实施例的结构示意图。

图5是本发明提供的光纤法布里-珀罗超声水听系统的第二实施例的结构示意图。

图6是本发明提供的光纤法布里-珀罗超声水听系统的第三实施例的结构示意图。

图7是本发明提供的用于夹持光纤法布里-珀罗超声水听器的夹具的第一实施例的结构示意图。

图8是本发明提供的用于夹持光纤法布里-珀罗超声水听器的夹具的第二实施例的结构示意图。

图9是本发明提供的应用光纤法布里-珀罗超声水听系统测量HIFU声场的应用实施例的结构示意图。

图10是光纤法布里-珀罗水听器系统测量HIFU声场的声压输出结果图。

具体实施方式

第一部分：关于光纤法布里-珀罗超声水听器的三个实施例。该光纤法布里-珀罗超声水听器可以为端部敏感型光纤法布里-珀罗超声水听器，具有耐高温、耐高压的特性，十分适合于测量HIFU声场。并且，该光纤法布里珀罗超声水听器可以同时测量声压和温度，具有高空间分辨率、高灵敏度等特性。

实施例一：

请参考图1，是本发明提供的光纤法布里-珀罗超声水听器的第一实施例的结构示意图。该光纤法布里-珀罗超声水听器包括：单模光纤18、石英毛细管19和反射光纤21。其中，单模光纤18可以采用普通的单模裸光纤，即图中所示。石英毛细管19的两端分别与单模光纤18的一端和反射光纤21的一端通过熔接等方式连接，反射光纤21的另一端，即相对于与石英毛细管19连接的一端，做毛化处理，以降低端面22的反射率，避免形成多个法布里-珀罗干涉腔；或者，反射光纤21的另一端先切平，然后镀膜。石英毛细管中的空气腔20作为光纤法布里-珀罗超声水听器的干涉腔。优选的，反射光纤21的材质可以为石英，或者所述反射光纤可以为石英纤维，石英毛细管19为空心光纤或空心光子晶体光纤。

实施例二：

请参考图2，是本发明提供的光纤法布里-珀罗超声水听器的第二实施例的结构示意图。图2与图1的差别主要在于：在单模光纤18′、石英毛细管19′、距离石英毛细管19′一段距离的单模光纤18′的涂覆层23和反射光纤21′的周围镀保护膜24或进行铠装，以提高光纤法布里-珀罗超声水听器的强度。

实施例三：

请参考图3，是本发明提供的光纤法布里-珀罗超声水听器的第三实施例的结构示意图。图3与图1的主要区别在于：在空气腔20〞一个反射面镀半反膜25，相对的另一个反射面镀反射膜26，以提高灵敏度。在单模光纤18〞、涂覆层23〞、石英毛细管19〞和反射光纤21〞的周围镀保护膜24〞或进行铠装，以提高强度。

第二部分：关于光纤法布里-珀罗超声水听系统的三个实施例。该光纤法布里-珀罗超声水听系统由于采用图1-3实施例的光纤法布里-珀罗超声水听器，因此十分适合于进行HIFU声场的测量，并且如下的光纤法布里-珀罗超声水听系统由于结构简单，因此成本也低、易于实用化，便于大规模推广。

实施例一：

请参考图4，是光纤法布里-珀罗超声水听系统的第一实施例的结构示意图。该光纤法布里-珀罗超声水听系统包括：光源1、光隔离器2、耦合器3、光纤法布里-珀罗超声水听器4和光电探测器5。其中，光源1连接光隔离器2的，耦合器具有三个端口，该三个端口分别与光隔离器2、光纤法布里-珀罗超声水听器4和光电探测器5连接。光源1发出的光经过光隔离器2和耦合器3被送至光纤法布里-珀罗超声水听器4，光纤法布里-珀罗超声水听器4的反射光经过耦合器3，被光电探测器5接收转化为电压信号输出。此处光电探测器5可同时具有放大信号的作用。当该光纤法布里-珀罗超声水听系统进行HIFU声场测量时，由于光纤法布里-珀罗超声水听器4的反射光是被超声调制的，因此通过测量该反射光，可以实现对HIFU声场的调制。

实施例二：

请参考图5，是光纤法布里-珀罗超声水听系统的第二实施例的结构示意图。其与图4的主要区别在于：由光源驱动及接口设备7和波长可调窄线宽光源8代替图4中的光源，由光纤环形器9代替图4中的光隔离器2和耦合器3。另外，图5中还包括：夹持光纤法布里-珀罗超声水听器的夹具，模数转换器11和微处理器12。具体的，由夹具10保证光纤法布里-珀罗超声水听器4的稳定性，光电探测器5的输出分成两路，一路输出为声压信号14，另一路连接至模数转换器11，模数转换器11连接至微处理器12，微处理器12通过光源驱动及接口设备7对波长可调窄线宽光源8进行波长反馈控制。另外，微处理器12同时输出温度信号15。

实施例三：

请参考图6，是光纤法布里-珀罗超声水听系统的第三实施例的结构示意图。其与图5的主要区别在于，图5中的模数转换器11和微处理器12由图6中的数据采集设备16和计算机17代替。光电探测器的输出分成两路，其中一路输出通过数据采集设备16输入计算机17，计算机17通过光源驱动及接口设备7对波长可调窄线宽光源8进行波长反馈控制。

第三部分；关于图5和6中涉及的夹具10的两个实施例。该夹具10是专为光纤法布里-珀罗超声水听器设计的，具有极好的夹持性。

实施例一：

请参考图7，是夹具10的第一实施例的结构示意图。该夹具10包含：夹持杆27、弹性体28和夹持头29。其中夹持杆27、弹性体28和夹持头29分别在轴线上打有通孔30、30′、30〞，光纤法布里-珀罗超声水听器4依次穿过夹持杆27、弹性体28和夹持头29，并且弹性体28的外侧和夹持头29内侧具有圆锥面31，夹持杆27和夹持头29采用螺纹32连接，通过上紧螺纹32挤压弹性体28使光纤法布里-珀罗超声水听器4固定在夹具10中。

实施例二：

请参考图8，是夹具10的第二实施例的结构示意图。该夹具10包含：夹持杆33和夹持头29′。夹持杆33和夹持头29′分别在轴线上打有通孔36、36〞，光纤法布里-珀罗超声水听器4依次穿过夹持杆33和夹持头29′，在夹持杆33的头上具有柔性梁34和带锥度的设有通孔36′的夹头35，夹头35外侧和夹持头29′内侧具有圆锥面31′，夹持杆33和夹持头29′采用螺纹32′连接，通过上紧螺纹32′挤压使夹头35夹紧光纤法布里-珀罗超声水听器4，将其固定在夹具10中。

第四部分：关于本发明实施例的光纤法布里-珀罗超声水听器系统测量HIFU声场的应用实例：

请参考图9，光纤法布里-珀罗超声水听器系统测量HIFU声场的应用系统包括：波长可调窄带激光器8，光纤环形器9，光纤法布里-珀罗超声水听器4，夹具10，光电探测器5，示波器46，多维移动平台45，多维移动平台控制器44，功率驱动源43，超声换能器41，及水箱42。具体操作步骤为，夹具10夹紧光纤法布里-珀罗超声传感器4，再固定于多维移动平台45上，光纤法布里-珀罗超声传感器4的敏感轴线方向与HIFU换能器声轴方向平行；波长可调窄带激光器8与光纤环形器9的一端的一臂相连，光纤环形器9的一端另一臂与光电探测器5的输入端相连，光纤环形器9的另一端与光纤法布里-珀罗超声水听器4相连，光电探测器5的输出端与示波器46相连；波长可调窄带激光器8的波长调节到光纤法布里-珀罗超声水听器4反射谱偏置点；功率驱动源43激励超声换能器41在消声除气水水槽中形成高强度聚焦超声场；在多维移动平台44带动光纤法布里-珀罗超声水听器4进行声场扫描,此时示波器显示的声压变化图如图10所示。

在图9中，当超声到达光纤端面时，会在水—光纤介面发生反射和透射。如果超声波的波长远大于水听器的直径时，可以把透射进入光纤端面的超声看作平面波。透射的超声分两个部分传播，一部分超声经过光纤端部的反射光纤到达光纤—空气的界面。另一部分超声由于光纤和石英毛细管相同的声阻抗，将沿着光纤和石英毛细管中传播。超声在反射光纤和石英毛细管中的传感波将导致其应力发生变化，即超声会使光纤法布里-珀罗超声水听器的腔长发生改变。另外，超声导致的切向应变也会导致光纤法布里-珀罗超声水听器的腔长发生改变，即超声将引起光纤法布里-珀罗超声水听器的反射光的变化，通过分析该反射光的变化，可以得到超声的相关信息。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种光纤法布里-珀罗超声水听器，包括：单模光纤，反射光纤和石英毛细管，所述石英毛细管的两端分别与所述单模光纤和反射光纤连接，所述石英管内的空气腔作为干涉腔。

2.如权利要求1所述的光纤法布里-珀罗超声水听器，其特征在于：所述反射光纤中相对于与所述石英毛细管连接的一端为毛化结构。

3.如权利要求1所述的光纤法布里-珀罗超声水听器，其特征在于：在所述空气腔的两个反射面镀膜。

4.如权利要求1所述的光纤法布里-珀罗超声水听器，其特征在于：在所述单模光纤、石英毛细管和反射光纤的外表面镀膜或铠装。

5.如权利要求1所述的光纤法布里-珀罗超声水听器，其特征在于：所述反射光纤为石英材质光纤或石英纤维。

6.如权利要求1所述的光纤法布里-珀罗超声水听器，其特征在于：所述石英毛细管为空心光纤或空心光子晶体光纤。

7.一种光纤法布里-珀罗超声水听系统，其特征在于：包括：光源组件、光纤组件、如权利要求1-6中任一项所述的光纤法布里-珀罗超声水听器、用于夹持所述光纤法布里-珀罗超声水听器的夹具以及探测与反馈组件；所述光源组件发出的光经过所述光纤组件到达所述光纤法布里-珀罗超声水听器后，被超声调制的所述光纤法布里-珀罗超声水听器的反射光经过所述光纤组件被所述探测与反馈组件接收并处理。

8.如权利要求7所述的光纤法布里-珀罗超声水听系统，其特征在于：所述夹具包括：夹持杆、弹性体和夹持头，所述夹持杆、弹性体和夹持头均设置有轴向通孔，所述光纤法布里-珀罗超声水听器依次穿过夹持杆、弹性体和夹持头，所述夹持杆和所述夹持头采用螺纹连接，通过挤压所述弹性体将所述光纤法布里-珀罗超声水听器固定在所述夹具中。

9.如权利要求7所述的光纤法布里-珀罗超声水听系统，其特征在于：所述夹具包括：夹持杆和夹持头，所述夹持杆和夹持头均设置有轴向通孔，在所述夹持杆的头上还具有圆锥形状的夹头，所述夹持杆和夹持头采用螺纹连接，通过上紧螺纹挤压所述夹头，将所述光纤法布里-珀罗超声水听器固定在所述夹具中。

10.如权利要求7-9中任一项所述的光纤法布里-珀罗超声水听系统，其特征在于：所述光纤组件为光纤环形器、或串联的光隔离器和耦合器，所述探测与反馈组件包括：光电探测器和反馈电路，所述光电探器接收所述光纤法布里-珀罗超声水听器的反射光，并分为两路，一路输出超声的声压信号，另一种输至反馈电路，由反馈电路根据该路信号对所述光源组件进行波长反馈调节，同时输出温度信号。

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