CN106094110B - 基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器 - Google Patents

基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器，包括依次连接的脉冲激光器、高功率脉冲激光放大器、高功率脉冲激光隔离器、光纤错位熔接串；其中，光纤错位熔接串包含一系列不同光纤纤芯错位量的光纤错位熔接单元，所述光纤错位熔接单元按照光纤错位量由小到大连接，实现实时超声激发点多的光纤激光超声激发。单模光纤错位熔接后将光纤错位熔接点处附近的部分包层去除，并在此处涂覆光声转换材料。本发明实现单点可控的分布式光纤激光超声同时激发，结构简单、制备容易、成本低、超声激发点多、抗电磁干扰性能强并可以永久式、嵌入式使用。本发明可广泛应用于无损检测、生物医疗、结构健康监测、材料特性分析等领域。

Description

基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器
技术领域
本发明涉及光声换能技术领域，尤其涉及一种基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器。
背景技术
目前全光纤的激光超声换能器的结构和光声转换材料都等到了快速的发展，大大的提高了光声转换效率、激发的超声频率，但分布式光纤激光超声换能器还存在很多困难，例如单点激发超声强度的不可控、分布式能力差、不易实现多点同时激发超声、制备成本高、制作工艺复杂、操作困难等。
在非专利文献1(“All-fiber optic ultrasonic structural healthmonitoring system”SPIE,2009,72923D-72923D-8)中提出通过打磨的方法在光纤上实现分布式，在光纤局部侧表面打磨至纤芯并涂覆上转换材料，光声转换材料通过热膨胀效应产生超声，在一根光纤多处重复操作实现了多点同时激发超声，但单点激发超声强度的不可控、同时超声激发的强度小、分布式能力差。
非专利文献2(“Distributed fiber-optic laser-ultrasound generationbased on ghost-mode of tilted fiber Bragg gratings”Opt.express,2013,21(5):6109-6114.)提出基于倾斜布拉格光栅在光纤上实现分布式超声激发，倾斜布拉格光栅可以将其“幻影模”耦合到光纤包层，将倾斜布拉格光栅前端部分包层去除并涂覆上光声转换材料，并通过热膨胀效应产生超声。在一根链路上串联多个这样的具有不同波长的“幻影模”的倾斜布拉格光栅，利用输入不同波长的激光实现了分布式超声激发，但无法实现多点同时激发超声波。由于使用了高功率的脉冲激光，脉冲激光的中心波长需要与倾斜布拉格光栅的“幻影模”波长匹配，但实际制备的倾斜布拉格光栅无法与光源的中心波长匹配，需要对倾斜布拉格光栅施加外力使其与光源的中心波长匹配，因此大大增加了损坏风险，制备过程复杂不易操作，光栅在长期拉伸的条件下也会使其性能发生变化。另外该方法要求必须使用窄线宽、波长可调谐的脉冲光源；同时倾斜布拉格光栅制备相对困难，提高了整体的制作成本。
专利文献1(中国专利公开号CN104741305A)在非专利文献2的基础上提出了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。在保留前人使用不同波长的“幻影模”的倾斜布拉格光栅的基础上，控制单一波长的“幻影模”的倾斜布拉格光栅的耦合强度弥补了其不能多点同时激发的缺陷，但其同样需要对倾斜布拉格光栅施加外力使其与光源的中心波长匹配，产生损坏的风险，制备过程复杂不易操作，光栅在长期拉伸的条件下也会使其性能发生变化；倾斜布拉格光栅制备困难，同时提高了整体的制作成本等问题尚未解决。
综上所述，为了提高分布式光纤激光超声换能器的性能，为了满足多点同时激发，单点激发超声强度可控，超声激发点多，制备容易，操作简单，成本低，对高功率脉冲激光光源条件宽泛，本发明提出了一种基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器，大大提高了其实际应用能力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器，可以在无损检测、生物医疗、结构健康监测、材料特性分析等领域广泛应用。
为达上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器，包括依次连接的脉冲激光器、高功率脉冲激光放大器、高功率脉冲激光隔离器、光纤错位熔接串。其中，光纤错位熔接串包含一系列不同光纤纤芯错位量的光纤错位熔接单元。光纤错位熔接单元按照光纤错位量由小到大连接。所述光纤错位熔接单元包括腐蚀后的单模光纤和光声转换材料，其中，所述单模光纤错位熔接，将光纤错位熔接点处附近的部分包层去除，并在此处涂覆光声转换材料。
本发明的有益效果是：本发明利用输入错位熔接单元的高功率脉冲激光在错将位熔接点处部分将激光能量泄露在包层，由于该处部分包层被去除并涂覆了光声转换材料，因此泄露在包层的激光能量被光声转换材料吸收并产生超声波。由于光纤纤芯错位量的大小决定其泄露到包层的激光能量的大小，可以通过控制光纤纤芯错位量控制单点激发出的超声强度，同时合理设置每个光纤错位熔接单元中光纤纤芯错位量，可以实现在一个工作波长条件下多个光纤错位单元同时激发超声，进而实现单点可控的分布式光纤激光超声同时激发。这种结构的具体优势在于：
(1)光纤错位熔接可以通过改变光纤纤芯错位量控制其泄露到光纤包层的激光能量，进而控制该点处激发超声波的强度，实现分布式光纤激光超声换能器单点可控。
(2)光纤错位熔接，改变光纤纤芯微小的错位量就会产生不同强度的能量泄露，所以本发明超声激发点多。
(3)光纤错位熔接使用的是普通的单模光纤，大大降低了制作成本。
(4)光纤错位熔接制作仅需一台普通的光纤熔接即可完成，制作工艺简单，易于实际应用。
附图说明
图1是本发明的基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器的装置结构示意图；
图2是错位熔接单元的结构示意图；
图3是单模光纤错位量与泄露激光能量关系图；
图4是单模光纤错位量与泄露激光能量百分比关系图；
图5是光纤错位熔接效果图；
图6是光纤错位熔接腐蚀前后对比图；
图7是本发明的超声激发与检测系统图；
图8是光纤错位熔接串超声激发的效果图。
具体实施方案
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
如附图1所示，本发明的基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器的装置包括：脉冲激光器101、高功率脉冲激光放大器102、高功率脉冲激光隔离器103、光纤错位熔接串104。上述器件依次连接构成了本发明的超声激发装置，其中，光纤错位熔接串104包含一系列不同光纤纤芯错位量的光纤错位熔接单元105。光纤错位熔接单元105按照光纤错位量由小到大连接，这样连接保证下游还有充足的能量用来激发超声，进而增强分布式能力。
光纤错位熔接单元105的结构如附图2所示，其包括腐蚀后的单模光纤201和光声转换材料204，其中，所述单模光纤201错位熔接，将光纤错位熔接点处附近的部分包层去除，并在此处涂覆光声转换材料204。光在所述单模光纤201中形成了芯模202和包层模203。光声转换材料包括：环氧树脂和石墨混合物、聚二甲基硅氧烷和金纳米颗粒混合物、环氧树脂和碳纳米管等利用热弹性膨胀效应产生超声波的材料。
在错将位熔接点处，入射的高功率脉冲激光的部分能量会泄露在包层，由于该处部分包层被去除并涂覆了光声转换材料，因此泄露在包层的激光能量被光声转换材料吸收并产生超声波。
本发明的基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器具体工作原理如下：对于不同单模光纤错位量与泄露激光能量满足下面的公式：
η＝16k2/(1+k)4 (2)
k＝n1/n0 (3)
其中，公式(1)中A0为修正因子,d为光纤错位量，ω0为模场半径,Ld泄露到包层的激光能量。公式(3)中n1为纤芯折射率，n0为两端面间物质的折射率。单模光纤错位量与泄露激光能量关系，如附图3所示。单模光纤错位量与泄露激光能量百分比关系，如附图4所示。
由于光纤纤芯错位量的大小决定其泄露到包层的激光能量大小，可以通过控制光纤纤芯错位量控制单点激发出的超声强度，同时合理设置每个光纤错位熔接单元中光纤纤芯错位量，可以实现在一个工作波长条件下多个光纤错位单元同时激发超声，并通过错位量的选择控制激发点的激发强度，实现一种分布式光纤激光超声同时激发。
本发明的基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器的光纤错位熔接单元具体制备方法如下：
(1)配置光声转换材料，本实施例采用环氧树脂与石墨的混合物，配置石墨的浓度为3％。
(2)通过合理控制光纤熔接机的放电时间和放电强度，手动将两端单模光纤进行熔接，光纤错位熔接效果图，如附图5所示。
(3)将错位熔接后的光纤放置在自制的塑料材质的光纤腐蚀槽里，然后用蜡封的方法将两端固定同时可以与腐蚀槽内的液体隔离。然后在通风橱内将40％浓度的HF倒入腐蚀槽，一段时间后取出腐蚀槽(腐蚀时间可以控制光纤腐蚀深度，本实施例腐蚀40分钟)，然后用蒸馏水清洗。光纤错位熔接腐蚀前后对比图，如附图6所示。
(4)将腐蚀后的光纤从腐蚀槽内取出，在一块小铝板上刻出一个浅槽，将光纤放在槽内。在将事先配置好的光声转换材料涂覆在槽内的光纤上。
(5)然后将涂覆结束的铝板和光纤放置在温度可控的高温炉里120度恒温加热4小时使转换材料固化。
本发明的超声激发与检测系统如附图7所示，其由脉冲激光器702、高功率脉冲激光放大器703、高功率脉冲激光隔离器(附图7中未示出)、光纤错位熔接串704、压电陶瓷超声探头705、电学放大器706、示波器707依次连接。脉冲激光器702与5V恒功率电源701和电脑708连接，其中，5V恒功率电源701用于为脉冲激光器702提供电源，电脑708用于为脉冲激光器702提供控制信号。用压电陶瓷超声探头705探测激发出的超声波，在探头上涂上适量的甘油，紧贴在铝板709涂覆的反面探测超声波，通过示波器707显示超声波的强弱变化，选取合适的探测位置，获得最优的探测位置。
本实施例选择一个包括5个光纤错位熔接点的激光超声换能器进行实验，每段泄露到包层的能量分别为0.98dB、1.44dB、1.61dB、3.04dB、28.53dB，每段泄露到包层的能量占总能量的百分比分别为20.2％、22.52％、17.76％、19.88％、19.61％。选取输入激光脉冲宽度为60ns，频率为3kHz，输入平均功率为239.33mW。我们使用超声探测头(PZT)探测每段的超声信号，探测到的每个错位熔接点激发的超声信号，均是与激光脉冲相同频率(3kHz)的超声波脉冲，如附图8所示。附图8中左侧一列是每个错位熔接点激发的超声序列，附图8中右侧一列是其对应的单个脉冲的时间波形。从附图8中可以观察到每个错位点所激发的超声脉冲幅度均近似相等，证明了本发明通过控制光纤的错位量，可以很好的控制每个点的超声激发强度。
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 (4)

1.一种基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器，其特征在于：所述光纤激光超声换能器包括依次连接的脉冲激光器、高功率脉冲激光放大器、高功率脉冲激光隔离器、光纤错位熔接串；其中，所述光纤错位熔接串包含一系列不同光纤纤芯错位量的光纤错位熔接单元，所述光纤错位熔接单元按照光纤错位量由小到大连接，实现实时超声激发点多的光纤激光超声激发；所述光纤错位熔接单元包括腐蚀后的单模光纤和光声转换材料，其中，所述单模光纤错位熔接，将光纤错位熔接点处附近的部分包层去除，并在此处涂覆光声转换材料。
2.根据权利要求1所述的光纤激光超声换能器，其特征在于：所述光声转换材料为利用热弹性膨胀效应产生超声波的材料。
3.根据权利要求1所述的光纤激光超声换能器，其特征在于：所述光纤激光超声换能器的工作原理为：由于纤芯错位，所述光纤错位熔接单元的输入的高功率脉冲激光在错位熔接点处将部分激光能量泄露在包层，由于该处部分包层被去除并涂覆了光声转换材料，因此泄露在包层的激光能量被光声转换材料吸收并产生超声波；光纤纤芯错位量的大小决定其泄露到包层的激光能量大小，通过控制光纤纤芯错位量控制单点激发出的超声强度，同时合理设置每个光纤错位熔接单元中光纤纤芯错位量，以实现在一个工作波长条件下多个光纤错位单元同时激发超声，进而实现分布式光纤激光超声同时激发。
4.根据权利要求1所述的光纤激光超声换能器，其特征在于：所述光纤错位熔接单元具体制备方法如下：
1)配置光声转换材料；
2)通过合理控制光纤熔接机的放电时间和放电强度，手动将两端单模光纤进行熔接；
3)将错位熔接后的光纤放置在塑料材质的光纤腐蚀槽里，然后用蜡封的方法将两端固定同时可以与腐蚀槽内的液体隔离；然后在通风橱内将40％浓度的HF倒入腐蚀槽，一段时间后取出腐蚀槽，然后用蒸馏水清洗；
4)将腐蚀后的光纤从腐蚀槽内取出，在铝板上刻出一个浅槽，将光纤放在槽内；再将事先配置好的光声转换材料涂覆在槽内的光纤上；
5)然后将涂覆结束的铝板和光纤放置在温度可控的高温炉里120度恒温加热4小时使转换材料固化。
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