CN104792401A - 测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器及制备方法。传统压电陶瓷或PVDF超声水听器空间分辨率低、对高频声波散射强。本发明的光纤光栅水听器中，聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅覆盖D型标准单模光纤的填涂槽底面；聚合物涂覆填充层覆盖在聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅上。本发明的光纤光栅水听器的制备方法：将标准单模光纤的侧面抛光成填涂槽，填涂槽底覆盖聚合物脊型薄膜光波导；在聚合物脊型薄膜光波导中制作光栅刻线，形成聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅；聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅上覆盖第二聚合物。本发明可解决高频换能器声场测量效率低、精度差、声压灵敏度低的问题，适用于高频声场的近场特性测量。

Description

测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器及制备方法

技术领域

本发明属于高频超声场测量领域，具体涉及一种用于高频换能器近场声压分布测量的光纤光栅水听器及制备方法。

背景技术

随着医疗超声的广泛使用，高频换能器得到越来越广泛的应用，对其声场特性尤其是近场声压分布的测量正引起人们的关注。高频换能器的声场特性通常是通过水听器进行检测，而其近场声压分布则通过水听器空间扫描获取不同位置的声信号（幅度、相位）后经数据处理获得。考虑到近场测量时需尽可能减少水听器对待测声场的扰动，一般要求水听器的有效尺寸应远小于声波波长的四分之一。另外，根据奈奎斯特采样定律，声压信号采集的准确性和有效性由单个波长内的采样数据点密度来决定，而采样点的密度取决于水听器的有效尺寸和空间扫描精度。综合考虑上述两个因素，减小水听器敏感元件的有效尺寸，方能精准测量绘制高频换能器的近场声压分布。传统的水听器通常采用压电陶瓷或者PVDF薄膜作为敏感元件制备而成，受限于设计制作工艺，其有效尺寸一般在几毫米到数十个毫米量级。对于工作频率在1MHz乃至更高频率的高频换能器，对应的声波波长在1.5mm以下，根据前述结论，传统水听器将无法精准绘制换能器的近场声压分布。

得益于光纤的尺寸小（标准单模或多模光纤的直径仅为0.1mm）、复用能力强等优势以及光纤光栅传感技术的迅猛发展，采用光纤光栅作为水听器的敏感元件，成为时下的研究和开发热点，有望解决小尺寸阵列和大规模复用等工程应用问题。其中，光纤布拉格光栅（FBG）是采用光刻技术在光纤纤芯处形成折射率周期分布的光栅，其光栅周期（栅距在微米量级）远小于高频声波的波长，因此采用FBG作为水听器的敏感元件能获得远高于传统压电水听器的空间分辨力和指向性，从而满足高频水听器近场测量对于空间分辨率和声场微扰的基本要求。但裸光纤光栅用作水听器往往存在声压灵敏度低的问题（仅0.007nm/MPa），因此在实际的工程应用中，通常是采用复杂的外部结构增敏技术和更高精度的波长解调技术；前者将增大水听器的尺寸从而降低空间分辨率和测量准确性，而后者将增加系统复杂度和检测难度。另外值得一提的是，采用外部结构增敏技术的FBG水听器只能作为单阵元的器件使用，失去了光纤可阵列化的固有优势。因此，通过内部结构增敏来提高水听器的声压灵敏度，有望实现高频换能器的近场声压分布的准确测量。

光纤光栅水听器的声压灵敏度与氧化硅玻璃材料的杨氏模量有关，采用杨氏模量更小的材料对水听器敏感元件的内部结构进行增敏设计，有望提高声压灵敏度，改善上述存在的问题。高分子聚合物材料的杨氏模量（1GPa）相比氧化硅玻璃（70GPa）要小得多，同时它也是制作集成光波导器件的基本材料，具有成本低廉、光传输损耗低、折射率高、器件尺寸小、易于集成等优点。采用目前已经十分成熟的半导体薄膜等大规模光电器件集成工艺（甩膜、光刻、纳米压印等技术），可以制备出光学性能优良的聚合物微纳光波导及布拉格光栅波导结构。另一方面，采用侧面抛光技术制备出D型结构的光纤作为光波导和光传感的基元，也已得到成熟广泛的应用。若将聚合物薄膜波导布拉格光栅与D型结构光纤复合作为水听器的敏感元件，利用D型光纤的光导特性和倏逝波耦合效应以及聚合物光栅的高声压灵敏度优势，从而能够实现高频声场近场性能的精准测量，同时有望实现弱声高频信号探测领域的突破。

发明内容

本发明的目的在于针对传统的压电陶瓷或者PVDF超声水听器尺寸大、空间分辨率低、对高频声波散射强以及普通的裸光纤光栅水听器声压灵敏度低等问题，提供一种用于高频换能器近场声压分布测量的光纤光栅水听器及制备方法，该光纤光栅水听器具有结构紧凑、空间分辨率高、声压灵敏度高和可阵列化等优势，可解决高频换能器声场测量时存在的效率低下、精度差、声压灵敏度低等一系列问题，适用于高频声场的近场特性测量。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明的测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器由D型标准单模光纤、聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅和聚合物涂覆填充层组成；所述的D型标准单模光纤为侧面抛光形成填涂槽的氧化硅标准单模光纤；所述的聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅覆盖D型标准单模光纤的填涂槽底面；所述的聚合物涂覆填充层覆盖在聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅上；聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅由聚合物脊型薄膜光波导和光栅刻线组成；所述聚合物脊型薄膜光波导的长度为3～8mm，厚度为1～2μm；所述的光栅刻线呈周期变化，周期为572～660nm，形成的光栅总长度为4～8mm。

本发明的测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、将氧化硅标准单模光纤的一段侧面抛光成填涂槽，形成D型标准单模光纤。

步骤二、采用镀膜工艺将第一聚合物制备成聚合物脊型薄膜光波导覆盖D型标准单模光纤的填涂槽底面。

步骤三、采用相位掩模法，通过紫外光曝光的方法在聚合物脊型薄膜光波导中制作光栅刻线，形成聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅。

步骤四、在聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅上覆盖第二聚合物，修复抛光掉的D型标准单模光纤的填涂槽。

所述填涂槽的长度为5～10mm，槽深为1～2μm。

所述聚合物脊型薄膜光波导的长度为3～8mm，厚度为1～2μm。

所述的第一聚合物可以为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯。

所述的光栅刻线呈周期变化，周期为572～660nm，形成的光栅总长度为4～8mm。

所述的第二聚合物为聚胺。

本发明具有的有益效果是：本发明的测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器具有结构紧凑、尺寸小、空间分辨力好、声压灵敏度高、可阵列化且阵元之间相幅一致性好等特点，适用于高频换能器的近场声压分布测量，可实现200kHz及以上的高频换能器的近场探测。本发明的测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器的制备方法简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、D型标准单模光纤，2、聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅，3、聚合物涂覆填充层。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作详细描述。

如图1所示，测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器，由D型标准单模光纤1、聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅2和聚合物涂覆填充层3组成；D型标准单模光纤1为侧面抛光形成填涂槽的氧化硅标准单模光纤；聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅2覆盖D型标准单模光纤1的填涂槽底面；聚合物涂覆填充层3覆盖在聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅2上，用于封装保护和进一步声增敏；聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅2由聚合物脊型薄膜光波导和光栅刻线组成；聚合物脊型薄膜光波导的长度为3～8mm，厚度为1～2μm；光栅刻线呈周期变化，周期为572～660nm，形成的光栅总长度为4～8mm。

测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、将氧化硅标准单模光纤的一段侧面抛光成填涂槽，形成D型标准单模光纤1；填涂槽的长度为5～10mm，槽深（纤芯下抛深度）为1～2μm。

步骤二、采用镀膜工艺将第一聚合物制备成聚合物脊型薄膜光波导覆盖D型标准单模光纤1的填涂槽底面；聚合物脊型薄膜光波导的长度为3～8mm，厚度为1～2μm；第一聚合物可以为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯。

步骤三、采用相位掩模法，通过紫外光曝光的方法在聚合物脊型薄膜光波导中制作光栅刻线，形成聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅2；光栅刻线呈周期变化，周期为572～660nm，形成的光栅总长度为4～8mm。

步骤四、在聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅2上覆盖第二聚合物，用于修复抛光掉的D型标准单模光纤1的填涂槽，实现封装和增敏作用，第二聚合物为聚胺。

测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器用于高频换能器近场声压分布测量的工作原理如下：

将该光纤光栅水听器的传感单元置于声场中，待测声信号垂直作用在聚合物涂覆填充层3上，使聚合物涂覆填充层3产生沿光纤轴向的振动分量。该振动分量有如下两方面的作用：首先，聚合物涂覆填充层3的受迫振动将直接作用于聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅2上，使得光栅栅距发生与待测声信号相同频率的变化；由于聚合物涂覆填充层3的杨氏模量比氧化硅玻璃小得多，因此产生的应变相对更大，由此产生的光栅反射谱的频移量也更大。其次，聚胺材料的轴向振动分量也会被D型标准单模光纤1的填涂槽的两个抛光端面反射，形成一个声学共振腔，该共振腔有助于对声信号进一步放大，其共振频率由共振腔的腔长和聚胺材料中的声速所决定。在光与光栅相互作用及光信号检测方面，入射光（宽带的连续光源）从光纤的一个端面耦合进来并沿着光纤传播到抛光处，即聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅2处，一部分的光能量将以倏逝光的形式耦合进入到聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅2中，随后被光栅反射后形成反射光谱；剩余光能量将从光纤的另一端面透过，形成透射光谱。由于透射光谱中含有比重较大的未与光栅相互作用的光信号，因此信噪比相对反射光谱要差，在实际应用中选择测试反射光谱的频移。在待测声信号的作用下，通过测量反射光谱信号的频移，即可获得待测声场对应的声压强度、相位以及振幅等信息。

以下结合具体数值说明该光纤光栅水听器对高频换能器近场声压分布的测量效果。

若填涂槽的长度（即声共振腔腔长）为5mm，则对应的共振声波波长l为10mm，聚胺材料的声速c为2000m/s，则根据f=c/l计算可得共振频率f为200kHz。即，该光纤光栅水听器除了对任意频率的声信号有响应之外，对200kHz的声信号尤其敏感。

上述具体实施方式用于解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器，由D型标准单模光纤、聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅和聚合物涂覆填充层组成，其特征在于：所述的D型标准单模光纤为侧面抛光形成填涂槽的氧化硅标准单模光纤；所述的聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅覆盖D型标准单模光纤的填涂槽底面；所述的聚合物涂覆填充层覆盖在聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅上；聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅由聚合物脊型薄膜光波导和光栅刻线组成；所述聚合物脊型薄膜光波导的长度为3～8mm，厚度为1～2μm；所述的光栅刻线呈周期变化，周期为572～660nm，形成的光栅总长度为4～8mm。

2.测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器的制备方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤一、将氧化硅标准单模光纤的一段侧面抛光成填涂槽，形成D型标准单模光纤；

步骤二、采用镀膜工艺将第一聚合物制备成聚合物脊型薄膜光波导覆盖D型标准单模光纤的填涂槽底面；

步骤三、采用相位掩模法，通过紫外光曝光的方法在聚合物脊型薄膜光波导中制作光栅刻线，形成聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅；

步骤四、在聚合物脊型薄膜光波导布拉格光栅上覆盖第二聚合物，修复抛光掉的D型标准单模光纤的填涂槽。

3.根据权利要求2所述的测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器的制备方法，其特征在于：所述填涂槽的长度为5～10mm，槽深为1～2μm。

4.根据权利要求2所述的测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器的制备方法，其特征在于：所述聚合物脊型薄膜光波导的长度为3～8mm，厚度为1～2μm。

5.根据权利要求2所述的测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器的制备方法，其特征在于：所述的第一聚合物可以为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯。

6.根据权利要求2所述的测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器的制备方法，其特征在于：所述的光栅刻线呈周期变化，周期为572～660nm，形成的光栅总长度为4～8mm。

7.根据权利要求2所述的测高频换能器近场声压分布的光纤光栅水听器的制备方法，其特征在于：所述的第二聚合物为聚胺。