CN104741305B - 一种分布式光纤激光超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于倾斜光栅包层模耦合强度及波长控制的分布式光纤激光超声换能器,将激光种子光源、高功率光放大器、高功率光隔离器、倾斜光栅串依次连接构成了超声激发装置。倾斜光栅串中包括若干个幻影模工作波长不相同光栅单元，每个单元中又含有若干个工作波长相同而幻影模耦合强度不同的倾斜光栅。每个倾斜光栅前面光纤链路中靠近光栅的一段光纤包层被部分去掉并填充吸收材料，以释放和吸收光纤包层中的幻影模的能量，并利用热弹性膨胀效应激发超声波。本发明具有结构简单、便于操作、分布式能力强以及抗电磁干扰等诸多优势，能够广泛地应用在医疗诊断、超声测试、结构健康监测等领域中，具有很高的应用前景。

Description

一种分布式光纤激光超声换能器

技术领域

本发明涉及超声探测技术领域，特别是一种分布式超声传感器。

背景技术

激光超声激发术是主动超声检测中一项必不可少的关键技术，被广泛应用于医疗诊断、材料特性分析、结构健康诊断等领域。目前主流的超声激发装置为压电陶瓷超声发生器换能器。但其具有体积大、易受电磁干扰、每个发生器至少需要两根电源线等缺点，不适合应用于永久嵌入式的结构中。相比之下，基于光纤的激光超声换能器克服了压电陶瓷超声激发装置上述的缺点。光纤激光超声换能器利用光纤中传输的能量引起超声激发材料的热弹性膨胀，进而激发出超声。

但是，通常人们所提出的基于光纤的激光超声换能器都只能实现单点激发。即通过光纤尾端导出激光能量并结合超声激发材料实现的超声激发。显然这种方式无法满足分布式的超声激发需求。分布式光纤激光超声术的难点在于，目前业内严重缺乏能在光纤任意位置导出光纤内传导的光能量的有效的方法和手段。为解决这一问题，研究者们提出了将多模光纤若干局部包层区域打磨至纤芯并替换上超声激发材料的方式用于激发超声(参见非专利文献1：Kochergin V et al.All-fiber optic ultrasonic structural healthmonitoring system.SPIE,2009,72923D-72923D-8)。这种方法能够实现多点的超声激发功能，但是各超声激发点的光纤经打磨后对激光能量泄漏的程度不可控。更重要的是，所有的超声激发点共享一条激光能量，随着下游激发位置越来越远，链路下游的超声激发点处激发出的超声振幅必然越来越小。因此，当超声激发点的个数达到一定数量后，排在后面的超声激发点激发出的超声效果会越来越差，这种超声激发方式限制了系统能承载的超声激发点的数量。

为了满足实际生产需要，研究人员们开始针对如何高效地提取光纤中的能量用于激发超声这一问题展开了大量的研究。其中，一种借助于倾斜光纤光栅的芯模—包层模耦合特性的方法很好地解决了这一问题(参见非专利文献2：J.J.Tian et al.Distributedfiber-optic laser-ultrasound generation based on ghost-mode of tilted fiberBragg gratings.Opt.express,2013,21(5):6109-6114)。在该方法中，倾斜光纤布拉格光栅不仅具有常规布拉格光栅的芯模反射能力(该反射的中心波长我们称之为“布拉格反射波长”)，而且具有将前向传导的芯模转换为一系列后向传导的包层模的功能。在这些包层模中，光谱上有一种与布拉格反射波长距离最近(约2nm)的包层模，我们称其为“幻影模”。与其它包层模相比，幻影模具有更大的耦合强度，可将光纤纤芯中的激光能量耦合到包层区域。去除部分包层并填充吸收材料后，幻影模能量可被吸收材料吸收，并产生热弹性膨胀效应实现超声激发。为实现分布式多点的超声激发，该方法在一条光纤链路上布置了一连串的不同工作波长的倾斜光栅。同时，由于不同中心波长的倾斜光栅对应不同的光谱位置，通过控制脉冲激光信号的波长可实现多点的、分布式的超声激发功能。但是，使用该方案得到多点的超声激发需要受到一定的条件限制。为了保证激光能够顺利到达每个倾斜光栅实现超声激发，需要保证链路上游的光栅的布拉格波长必须小于下游的光栅的幻影模波长。要求所有倾斜光栅相邻幻影模的光谱间隔至少大于2nm。而装置的工作波长通常在C波段范围内(谱宽约35nm)，因此，超声激发点的个数受到了幻影模谱间隔与激光工作波长的共同约束，不利于大容量多点的分布式光纤激光超声换能器的进一步发展和实现。

发明内容

针对以上问题，本申请提出一种基于倾斜光栅幻影模耦合强度及波长控制的分布式光纤激光超声换能器，大大增加光纤激光超声换能器的超声激发点个数，既能同时产生多点超声激发，又能实现不同波长的超声激发点的切换功能，进一步提高了分布式光纤激光超声换能器所承载超声激发点的容量和功能性，在实际生活中有着更大的应用价值。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于倾斜光栅幻影模耦合强度及波长控制的分布式光纤激光超声换能器，包括：激光种子光源、高功率光放大器、高功率光隔离器、倾斜光栅串，上述器件依次联接；其中，所述倾斜光栅串包括一系列不同幻影模工作波长的光栅单元，且所述光栅单元按照工作波长的由短到长，由光纤链路上游向光纤链路下游依次排列，并且保证下游光栅单元的幻影模工作波长大于上游光栅单元的布拉格工作波长；同时每个光栅单元中又包括一系列幻影模工作波长相同的倾斜光栅。

进一步地，倾斜光栅的幻影模中的激光能量被用来作为超声激发的能量源。每个倾斜光栅前面光纤链路中靠近光栅的一段光纤包层被部分去掉并填充吸收材料，以释放和吸收光纤包层中的幻影模的能量，并利用热弹性膨胀效应激发超声波。

这种结构的具体优势在于：

(1)在每一组光纤单元中，对于具有相同幻影模工作波长的倾斜光栅而言，通过配置各个光栅的幻影模耦合强度，能在各光栅间均衡地或目的性地分配激光能量，能使同一幻影模工作波长光栅的超声激发点被同时被激活，且每个激发点的激发强度能够得到保证。

(2)在不同的光栅单元中，对于具有不同幻影模中心波长的倾斜光栅而言，当系统提供的脉冲激光信号与某光栅单元的幻影模工作波长对应时，该光栅单元的多个超声激发点被激活。通过控制系统光源的工作波长，可实现超声激发点在不同光栅组之间的切换功能。

因此，将多点同时激发超声的功能与超声激发点的切换功能相结合，大大提高了超声激发点的数目，为分布式光纤激光超声换能器提供了有效方案。

附图说明

图1是本发明的基于倾斜光栅的分布式光纤激光超声换能器的结构示意图；

图2(a)是本发明在一个光栅单元中三个不同耦合强度的光栅的透射光谱示意图；

图2(b)是图2(a)中矩形框部分的局部放大；

图3是本发明中所使用的不同单元的倾斜光栅的透射光谱示意图；

图4是本发明的基于倾斜光栅的分布式光纤激光超声换能器所利用的幻影模的产生示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

参照附图1所示，本发明的本发明的基于倾斜光栅幻影模耦合强度及波长控制的分布式光纤激光超声换能器的包括：激光种子光源1、高功率光放大器2、高功率光隔离器3、倾斜光栅串4，上述器件依次联接构成了所述超声换能器。其中，倾斜光栅串中包含一系列不同幻影模工作波长的光栅单元：第一光栅单元5、第二光栅单元6、……、第N光栅单元7，且这些光栅单元按照工作波长的由短到长，由光纤链路上游向光纤链路下游依次排列，并且保证下游光栅单元的幻影模工作波长大于上游光栅单元的布拉格工作波长，如附图3所示。同时每个光栅单元中又包含一系列幻影模工作波长相同的倾斜光栅。(M₁...M_N分别对应各单元中光栅的个数，其中，N＝2，3…)分别对应倾斜光栅幻影模的反射谱工作波长。

倾斜光栅的透射光谱示意图如附图2(a)所示，布拉格反射光谱的中心波长比幻影模反射光谱的中心波长稍长(两者间隔大约为2nm)。附图2(b)是附图2(a)中矩形框部分的局部放大。因此，芯模中的布拉格反射与后向包层的幻影模反射互不干扰。同时，幻影模的反射能力远远大于其余包层模。倾斜光栅串中包含一系列不同幻影模工作波长的光栅单元。且这些光栅单元按照工作波长的由短到长，由光纤链路上游向光纤链路下游依次排列，并且保证下游光栅单元的幻影模工作波长大于上游光栅单元的布拉格工作波长。同时每个光栅单元中又包含一系列幻影模工作波长相同的倾斜光纤布拉格光栅。

由于芯模11被限制在光纤中心轴线区域纤芯10，其能量不容易被利用。而倾斜光纤布拉格光栅串4的倾斜光栅能将前向芯模转换为后向幻影模13和布拉格反射芯模12，幻影模13分布在光纤包层9区域，其能量容易被提取。将轴向上临近栅区的光纤包层9的一部分去掉并填充吸收材料8，可以实现对包层中幻影模能量的吸收，并通过材料的热弹性膨胀效应产生超声，如附图4所示。该超声激发方法不会造成对芯模光传输的影响。吸收材料作为超声激发材料，其所在位置被称之为超声激发点。其中，超声激发材料可以为金属薄膜、聚合物复合材料、碳纳米管材料等等，本发明中优选高纯度石墨粉与环氧树脂的混合物作为超声激发材料。

在系统中输入一个脉冲激光信号，由单模光纤的传播特性，激光信号将以芯模的形式在光纤中向前传播。如果该激光信号的波长恰好等于光纤链路中第一组光栅单元的幻影模的工作波长，其携载的能量将会被此光栅单元中各个光栅转换成用于激发超声的能量。具体过程如下：脉冲激光信号首先传播到这组光栅里最前端的光栅，预先设定好此光栅的幻影模耦合强度，可将芯模中的能量在此光栅处部分地耦合至幻影模，此时位于该光栅前端的超声激发点被激活并产生超声信号。芯模中未被全部耦合而剩余的激光能量将继续以芯模的形式在此光栅单元内向前传播，并依次遇到第2、3、…M₁个倾斜光栅，并分别被转换利用。在此过程中，通过控制每个光栅的幻影模耦合强度，可以实现对该光栅单元里每一个光栅超声激发点能量分配的控制，达到对每个超声激发点有效的能量供给和激发。

如果系统入射的脉冲激光信号的波长大于第一个光栅单元的幻影模工作波长，其将无损地通过第一组光栅单元各个光栅向前传播，并依次经过上游的各倾斜光栅单元。直到当该脉冲激光信号遇到的光栅单元的幻影模的工作波长与其波长相同时，该信号将被这组光栅利用并产生超声激发，其激发过程与第一组描述类似。因此通过控制系统的激光波长，可实现超声激发在具有不同波长的光栅单元灵活切换的功能，即实现超声激发点得灵活选取。

本发明的基于倾斜光栅幻影模耦合强度及波长控制的分布式光纤激光超声换能器其具体实现方式如下：种子激光器为光路提供脉冲激光信号，重复频率为1kHz，脉冲宽度为50ns，经光放大器后输出平均功率为3W。倾斜光栅串由多个具有不同波长的单元光栅构成：

(1)首先，以第二组光栅单元超声激发为例。设定第二光栅组里由三个幻影模中心波长均为λ₂的倾斜光栅构成。其幻影模耦合效率沿激光传播方向依次为33％、49％、96％。当向光路中提供波长为λ₂的脉冲激光信号时，激光信号将无损的通过第一个光栅单元，到达第二个光栅单元。此时根据每个光栅的幻影模的耦合强度，激光能量将会平均分配并与组内的三个光栅转换为幻影模，这些光栅前端的超声激发点将同时被激活。超声激发材料开始吸收幻影模中的能量，而该能量又促使超声激发材料产生热弹性膨胀效应，由此激发出超声。具体过程如下：当脉冲波长为λ₂的激光信号经过第一个倾斜光栅时，纤芯中33％的能量通过光栅转换为幻影模能量，用于激发超声；余下的能量继续由芯模传递下去。同理，当余下的激光信号经过第二个倾斜光栅时，纤芯中49％的能量通过光栅转换为幻影模能量，用于激发超声；余下的能量继续由芯模传递下去。当激光信号经过第三个倾斜光栅时，纤芯中96％的能量通过光栅转换为幻影模能量，用于激发超声。最终，这三个超声激发点将分别获得将近平均功率1W的激发出超声。因此，通过设置好各光栅的幻影模耦合强度，既能灵活地控制具体倾斜光栅单元里每个超声激发点获得的激光能量，又能保证每个激发点的激发强度。此功能特点同直接打磨多模光纤包层以产生多点的分布式的激光超声的方法(参见非专利文献1)相比,本发明具有较大的技术优势。

(2)如果在系统中使用不同的激光工作波长，可实现超声激发点在多个光栅单元间的切换。比如向光路中提供波长为λ₁的脉冲激光时，由于倾斜光栅串中存在幻影模工作波长为λ₁的倾斜光栅单元，因此该组光栅前端的超声激发点被激活。具体过程与上述λ₂光栅组类似。依次类推，当激光脉冲信号的波长为λ_N时，激光信号将无损的通过上游的多组光栅单元，直到幻影模工作波长为λ_N的光栅单元。该倾斜光栅组的超声激发点将被激活。因此，通过控制系统的入射的激光工作波长，可实现超声激发点在不同倾斜光栅组之间的切换功能。由于每个光栅组里都包括多个光栅激发点，同现有的激光超声技术相比(参见非专利文献2)，本发明的系统可承载的超声激发数量将大于或等于其激发数量的M倍(M为本发明所使用的光栅数目最小的光栅组的光栅数目)。

值得强调的是，进行不同波长的超声激发点切换时需要满足：光纤链路上游的光栅单元的倾斜光栅的布拉格反射波长要小于临近下游的光栅单元的幻影模反射波长，如附图3所示，为图形的表达的简洁，此处假设每个单元内所有光栅的耦合强度和工作波长都相同。这样能避免各超声激发点之间发生串扰。

本发明将不同波长的倾斜光栅与相同波长的倾斜光栅结合，使每种波长的倾斜光栅均具有同时激发多点超声信号的能力，大大增加了超声激发点数目，为分布式光纤激光超声换能器创造了有利的条件。

综上所述，本发明提供了一种基于倾斜光纤布拉格光栅(简称倾斜光栅)包层模耦合强度及波长控制的分布式光纤激光超声换能器，通过合理设置每个光栅单元中若干相同中心波长的幻影模耦合强度，能实现在同一工作波长条件下的光栅单元内同时产生多个超声激发点的分布式超声激发功能。此外，通过设置激光种子源的不同波长，还能实现不同波长位置的光栅单元超声激发点的切换。这两项功能相结合能够大大提高系统超声激发点的容纳个数。本发明具有结构简单、便于操作、分布式能力强以及抗电磁干扰等诸多优势，能够广泛地应用在医疗诊断、超声测试、结构健康监测等领域中，具有很高的应用前景。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于倾斜光栅幻影模耦合强度及波长控制的分布式光纤激光超声换能器，其特征在于：所述分布式光纤激光超声换能器包括：激光种子光源、高功率光放大器、高功率光隔离器、倾斜光栅串，上述器件依次联接；其中，所述倾斜光栅串包括N个不同幻影模工作波长的光栅单元，N≥2，且所述光栅单元按照工作波长的由短到长，由光纤链路上游向光纤链路下游依次排列，并且保证下游光栅单元的幻影模工作波长大于上游光栅单元的布拉格工作波长；同时每个光栅单元中又包括M_i个幻影模工作波长相同的倾斜光栅，M_i≥2，i＝1…N；(a)在每一组光栅单元中，对于具有相同幻影模工作波长的倾斜光栅而言，通过配置各个光栅的幻影模耦合强度，能在各光栅间均衡地或目的性地分配激光能量，使同一幻影模工作波长光栅的超声激发点被同时被激活，且每个激发点的激发强度能够得到保证；(b)在不同的光栅单元中，对于具有不同幻影模中心波长的倾斜光栅而言，当系统提供的脉冲激光信号与某光栅单元的幻影模工作波长对应时，该光栅单元的多个超声激发点被激活；上述两项功能相结合能够大大提高系统超声激发点的容纳个数。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤激光超声换能器，其特征在于：所述每个倾斜光栅前面光纤链路中靠近光栅的一段光纤包层被部分去掉并填充吸收材料，以释放和吸收光纤包层中的幻影模的能量，并利用热弹性膨胀效应激发超声波。

3.根据权利要求2所述的分布式光纤激光超声换能器，其特征在于：所述吸收材料为高纯度石墨粉与环氧树脂的混合物。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤激光超声换能器，其特征在于：利用倾斜光栅所具有的将光纤中前向传播的芯模耦合成后向传播的幻影模的特性，进行超声激发；当某一脉冲激光提供的能量经过光栅时，根据幻影模的耦合强度，一部分能量被转换为后向幻影模能量并可将其用于激发超声；另一部分能量继续保留在芯模中，便于为后面的光路提供能量。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤激光超声换能器，其特征在于：通过控制光源的工作波长，实现超声激发点在不同光栅单元之间的切换功能。