CN107907150B - 一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头及其制作方法、测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头及其制作方法、测试方法。其中，光声信号激励部分的敏感单元由弹性基体材料与吸热能力强的热敏感材料混合制成，将其涂覆在侧边抛磨光纤表面。这样，通过将脉冲激光导入敏感材料上，利用光声效应可激发出宽频声信号；另一方面，充分利用侧边抛磨光纤光栅对弯曲应变的敏感性，可实现微弱声信号的探测。因此，所述的一体式光致超声探头具有制作简单、体积小、抗电磁干扰、光声能量转化效率高、信号带宽大，以及可在线分布式测量等优点，同时，光声信号激发与检测为一体的小型探针式紧凑性结构使其在医学光声成像、无损检测、材料科学等领域具有明显应用优势。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感的技术领域，尤其涉及一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头及其制作方法、测试方法。
背景技术
当光束作用到固体、液体或气体等物质中时，物质可以吸收光能而被激发，然后通过非辐射过程(全部或部分)转化为热。如果光束是脉冲光束或被周期性调制，则物体会产生周期性的温度变化，从而使物质热胀冷缩产生应力的周期性变化，并形成声波，这种现象被称为光声效应(BELL A G.Upon the production and reproduction of sound bylight[J].Journal of the Society of Telegraph Engineers,1880,9(34):404–426.)。由于光声检测具有声波脉冲窄、可检测波谱范围宽等优点，并且适用于不同类型的物质，因此广泛应用于物理、化学、医学、材料、生物、工业等多个领域。
目前常用的光声信号激励，主要包括采用空间光学结构和光纤结构两种形式。尽管空间光学可以提供较大能量的脉冲光(Rezaizadeh M A.Pulsed-Laser UltrasoundGeneration in Fiber-Reinforced Composite Material[J].Virginia Tech,1998.)，但由于空间光学的光路精密度要求高且平台大，需要保持稳定，不利于小型化和现场在线测试。随着光纤技术的发展，为了实现在更小空间内的光声激发以及更高的能量转换效率，国内外学者开始尝试采用光纤结构进行光声激发。而且，光纤传感器具有抗电磁干扰、柔性、可小型化等特点，且可进一步提高超声信号带宽与空间分辨率。此外，由于不同物质光声特性取决于物质本身，因此，选择具有较高的热膨胀系数和光吸收效率的材料可明显提高光声信号检测能力。
2001年，意大利的Biagi等人通过混合环氧树脂和石墨制成薄膜，并将其直接涂覆在光纤端面用以激发光声信号(Biagi E,Margheri F,Menichelli D.Efficient laser-ultrasound generation by using heavily absorbing films as targets[J].IEEETransactions on Ultrasonics Ferroelectrics&Frequency Control,2001,48(6):1669-80.)。相比金属材料，采用这种方式和材料，其转换效率提升了2个数量级，并且随着材料厚度的降低以及石墨浓度的提高，转换效率可进一步提高。2008年，该研究团队使用纤芯直径600μm的光纤，产生了150KPa、带宽50MHz的光声信号，同时使用另一根光纤制成F-P(Fabry-Perot)腔体，从而实现超声信号的接收(Biagi E,Cerbai S,Gambacciani P,et al.Fiberoptic broadband ultrasonic probe[J].2008:363-366.)。
光声效应产生的声音信号具有很宽的频谱范围，可以从声频扩展到微波频段。传统的超声信号检测方法通常基于压电晶体的压电效应，将超声波的机械能转化为电能，例如，广泛应用的探伤仪探头以及医用B超探头。随着光纤技术的发展，使用光纤检测超声具有更高的灵敏度、更紧凑的尺寸和更轻的质量，以及抗电磁干扰与分布式检测等优点，从而使其成为感知声音的理想选择之一，例如高灵敏的光纤水听器，其带宽可达250KHz～50MHz。实际上，早在1977年，美国的Bucaro等人第一次使用光纤Mach-Zehnder干涉方式对40-400KHz的声音信号进行了探测(Bucaro J A,Dardy H D,Carome E F.Optical fiberacoustic sensor[J].Applied Optics,1977,16(7):1761-1762.)。1977年美国的Cole等人使用了类似的方式，测量了10-100KHz的声音信号，并具有±30°的方向性声探测能力(ColeJ H,Johnson R L,Bhuta P G.Fiber‐optic detection of sound[J].Journal of theAcoustical Society of America,1977,62(5):1136-1138.)。除Mach-Zehnder干涉方式外，F-P干涉也是一种光纤传感中常用的干涉测量方式，且具有高灵敏度和结构简单等优点(Hall T J.High-linearity multimode optical fibre sensor[J].ElectronicsLetters,1979,15(13):405-406.)。但这两种方式通常具有较复杂的薄膜制备与转移流程，对薄膜结构、基底形貌具有较高的设计要求，且不利于分布式测量。
与之相比，光纤光栅除具有大部分光纤传感器的优点外，还具有对应变敏感、可分布式测量等特性，这也使其成为应变(动态压力)测试领域的重要手段之一。最初使用光纤光栅对超声信号进行检测的是英国坎特伯雷大学的Webb等人(Webb D J,Jackson DA.Miniature fiber optic ultrasonic probe[J].Proc Spie,1996,2839(2839):76-80.)，其利用光纤布拉格光栅对医学超声领域进行传感，特别是开展分布式体内超声传感技术研究。1996年，他们使用光纤光栅成功测得了频率为950KHz的超声信号，且在之后的研究中，他们发现光栅的长度决定声音频率的上限，且光栅的长度应该小于声波长的一半。随后，经过多年的理论与实验研究，使用光纤光栅进行超声检测的技术已经相对成熟，光纤光栅提供了较短的测量长度，而且可较易地实现波分复用，但相比于干涉式的检测方式，光纤光栅的灵敏度相对较低，因此，需结合敏感材料与光纤微结构，对光纤光栅进行进一步性能改进，以实现超声信号的高灵敏度检测。
为此，结合现阶段光声信号的激励与检测方式以及实际应用的特点，本发明基于侧边抛磨光纤光栅制作了光声信号激励与检测一体式探头，具有制作简单、体积小、抗电磁干扰、光声能量转化效率高、信号带宽大，以及可在线分布式测量等优点，而且，这种融光声信号激发与检测为一体的小型探针式紧凑性结构使其在医学光声成像、无损检测、材料科学等领域具有明显应用优势。
发明内容
本发明的内容是设计制作了一种基于侧边抛磨光纤光栅结构的光声激励与检测一体式小型探头。该探头由一根经过侧边抛磨的光纤布拉格光栅构成，且在该侧边抛磨光栅的抛磨区处涂覆有弹性基体材料和吸热敏感材料的混合物，可解决现有光声激励装置存在的结构复杂、尺寸大的问题，并可提高光声转换效率，实现分布式探测。
本发明的目的之一是提出一种基于侧边抛磨光纤光栅结构的光声激励与检测一体式小型探头的制作方法；本发明的目的之二是提出一种针对所述的基于侧边抛磨光纤光栅的光声探头的测试方法。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的制作方法，包括以下步骤：
步骤1.探头组件选型：选用光纤布拉格光栅、吸热敏感材料的分散溶液和弹性基体材料。其中，所述的光纤布拉格光栅可为单模光纤光栅、多模光纤光栅或特种光纤光栅；所述的吸热敏感材料的分散溶液可为石墨烯溶液、二硫化钼溶液或纳米金粒子溶液；所述的弹性材料可为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、SU-8胶或其他吸热敏感的弹性胶体；
步骤2.采用光纤抛磨装置对所述的光纤布拉格光栅进行侧边抛磨处理，其中，抛磨位置为光纤光栅的敏感栅区位置，抛磨长度为光栅长度，抛磨深度为光纤表面至光纤纤芯的某一位置；
步骤3.将步骤1所述吸热敏感材料的分散溶液，根据其弹性强度设计，调配成所需浓度，并在玻璃皿中与所述弹性基体材料溶液混合，并搅拌均匀；
步骤4.借助玻璃棒，将由所述的吸热敏感材料与弹性基体材料构成的混合溶液涂覆在侧边抛磨光纤光栅表面或将侧边抛磨光纤光栅浸入玻璃皿中，进行吸热敏感材料的沉积；
步骤5.将涂覆或沉积有所述吸热敏感材料溶液的抛磨光纤光栅平置于一长方形底板凸台上，并在光纤两端施加一定的预应力以使光栅敏感部分被拉紧。然后，通过胶带或固化胶将光纤光栅与底板凸台粘结固定，以保持该预应力；
步骤6将固定有光纤光栅的底板置于高温箱内，对涂覆材料进行特定时间与特性温度的高温固化处理；
步骤7.将经高温固化处理后的样品冷却至室温，即完成基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的制作。
本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：
一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的测试方法，由侧边抛磨光纤光栅光声探头、可调谐连续激光器、纳秒脉冲激光器、光隔离器、耦合器、环形器、光电探测器、示波器等构成。一方面，所述的纳秒脉冲激光器可产生周期性脉冲光输入光声探头，用于激发光声信号；另一方面，所述的可调谐连续激光器可发出某单一波长的激光，当待探测的光声信号作用到抛磨光纤光栅上时，光栅受声压作用会产生应变，导致中心波长发生偏移，通过所述的光电探测器解调由此产生的光强变化，从而实现光声信号的检测。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明采用侧边抛磨光纤的结构将脉冲光导入材料中，提高了脉冲激光与材料之间的光热耦合效应；
(2)、本发明采用弹性较大的材料(如PDMS)以及光热吸收能力较强的材料(如石墨烯，二硫化钼等)，提高了光声激发信号的能量转化效率；
(3)、本发明采用侧边抛磨的光纤光栅进行微弱声压信号(包括超声信号)的探测，相比于传统的光纤光栅声传感器，其探测灵敏度可大幅提升；
(4)、本发明采用了基于侧边抛磨光纤光栅的全光纤一体式探头结构，具有制作简单、体积小、抗电磁干扰、光声能量转化效率高、信号带宽大，以及可在线分布式测量等优点；
(5)、本发明提出的基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的测试方法可同时实现光声信号的激发和接收探测。这种融光声信号激发与检测为一体的小型探针可广泛应用于医学光声成像、无损检测、材料科学等领域。
附图说明
图1为本发明的基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的结构示意图；
图2为本发明的基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的制作流程图；
图3为本发明的基于侧边抛磨光纤光栅的光声探头的测量方法原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明，其作为本说明书的一部分，通过实施来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
图1为本发明的基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的结构示意图。该一体式探头14主要由侧边抛磨光纤光栅11、弹性基体材料与吸热敏感材料混合后的功能部件12以及支撑结构13构成。所述的侧边抛磨光纤光栅11为单模光纤，其光纤光栅结构通过紫外光曝光的方法制成，并通过轮式机械抛磨的方式对光栅区域进行侧边抛磨而制成；所述的功能部件12由弹性基体材料PDMS与吸热敏感材料石墨烯溶液混合后置于温箱固化得到；所述的支撑结构13为平板状，用于支撑光纤使其光栅区域表现为悬浮结构。
根据图2所示的制作流程，首先进行选材操作：(1)应用相位掩膜法，对包层直径125±1μm，纤芯直径5.8±0.5μm，工作波长为980nm-1550nm的单模光纤进行光栅结构制作，形成光纤布拉格光栅111，其中心波长为1310nm，光栅长度为5mm；(2)吸热敏感材料为小片径单层石墨烯溶液或二硫化钼分散液，浓度为0.1mg/mL，溶剂为酒精；(3)弹性基体材料选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)，常温下包括主剂和硬化剂，混合后加热即可固化；(4)设计的支撑结构13采用3D打印技术制作，其底板131为长方体，长、宽、高分别为10mm、2.5mm和1mm，且底板上表面132两侧具有凸台结构133，其长、宽、高分别为2mm、1mm和高1.5mm。
之后，以小片径单层石墨烯溶液作为吸热敏感材料为例，对探头制作流程进行阐述。首先，对所述的光纤光栅111进行抛磨处理，采用轮式抛磨装置对光栅部位进行抛磨，抛磨长度为6mm，抛磨深度为62.5μm，抛磨表面112的粗糙度由抛磨砂纸决定，约0.1μm；然后，对所述的吸热敏感材料进行浓缩预处理，取10mL小片径单层石墨烯分散液至烧杯中，通过水浴加热的方式使溶剂酒精挥发，直至溶液剩余约1mL，并使用超声清洗设备，对剩余溶液进行超声处理以使溶质分散均匀；接下来，对所述的弹性基体材料PDMS进行预处理，即取PDMS主剂5mL，硬化剂0.5mL，之后将二者混合均匀，并利用抽真空的方式去除混合液中的气泡；之后，将所述浓缩后的石墨烯溶液与预处理后的PDMS混合液混合，并充分搅拌，同样采用抽真空的方式去除混合溶液中的气泡，从而获得混合功能材料；随后，使用玻璃棒将混合功能材料涂覆在所述的侧边抛磨光纤光栅11上，并通过调整光纤方向，使溶液沿光纤自由流动，直至材料在光栅区域内均匀涂覆；然后，将光纤放置在所述的支撑结构13上，并施加一定的预应力，使用耐热胶带将光纤两端与支撑凸台粘紧，保证光栅悬浮于中间位置；在此基础上，将支撑结构与侧边抛磨光纤光栅11至于工作温度设定为60℃的温箱中，加热2小时左右，使涂覆于光栅区域的混合功能材料固化；最后，将样品从温箱中取出，并在室温条件下冷却，从而完成所述的一体式探头14的制作。
图3示出了一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声探头的测量方法原理示意图。该测量方法由基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头14、纳秒脉冲光源21、可调谐连续激光光源22、耦合器23、隔离器24、环形器25、光电探测器26、示波器27、水槽28、被测样品29等组成。以中心波长1310nm的侧边抛磨光纤光栅为例，对所述的测试方法进行阐述。所述的纳秒脉冲光源21的光波长为1064nm，频率为5kHz，脉宽为5ns，峰值功率为10mW；所述可调谐连续激光光源22的中心波长由光纤光栅光谱上升边沿中心点确定，约为1309.5nm。为此，首先，将纳秒脉冲光源21与可调谐连续激光光源22发出的光通过耦合器23耦合，并经隔离器24输出至环形器25的251接口，并将环形器252接口与水槽28中的一体式探头14连接，使耦合后的激光进入探头部位。当脉冲光作用于一体式探头14的混合功能材料时，由于光热效应可激发光声信号281。所述的激发的超声信号281通过水槽28中的介质水传播到待测样品表面，将产生声反射信号282，并作用于一体式探头14上，导致光纤光栅的中心波长发生移动，因此波长为1309.5nm的连续激光光源22被光栅反射的光功率会发生相应改变，该反射光通过环形器252接口输出至光电探测器26，并反馈入示波器27中。这样，所述的示波器27上显示的波形对应着一体式探头14接收到的光声信号的强弱，从而实现对水中样品的探测。总之，该探测方法有效的利用了探头一体式的设计特点，通过不同波长、不同类型的光信号输入能够实现光声信号的激励与检测，具有结构简单、体积小、抗电磁干扰、光声能量转化效率高、易于分布式测量等优势，可广泛应用医学光声成像、无损检测、材料科学等领域。
Claims (7)
1.一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1.探头组件选型：选用光纤布拉格光栅、吸热敏感材料的分散溶液和弹性基体材料，其中，所述的光纤布拉格光栅可为单模光纤光栅、多模光纤光栅或特种光纤光栅；所述的吸热敏感材料的分散溶液可为石墨烯溶液、二硫化钼溶液或纳米金粒子溶液；所述的弹性基体材料可为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、SU-8胶或其他吸热敏感的弹性胶体；
步骤2.采用光纤抛磨装置对所述的光纤布拉格光栅进行侧边抛磨处理，其中，抛磨位置为光纤光栅的敏感栅区位置，抛磨长度为光栅长度，抛磨深度为光纤表面至光纤纤芯的某一位置；
步骤3.将步骤1所述吸热敏感材料的分散溶液，根据其弹性强度设计，调配成所需浓度，并在玻璃皿中与弹性基体材料溶液混合，并搅拌均匀；
步骤4.借助玻璃棒，将由所述的吸热敏感材料与弹性基体材料构成的混合溶液涂覆在侧边抛磨光纤光栅表面或将侧边抛磨光纤光栅浸入玻璃皿中，进行吸热敏感材料的沉积；
步骤5.将涂覆或沉积有所述吸热敏感材料溶液的抛磨光纤光栅平置于一长方形底板凸台上，并在光纤两端施加一定的预应力以使光栅敏感部分被拉紧；然后，通过胶带或固化胶将光纤光栅与底板凸台粘结固定，以保持该预应力；
步骤6将固定有光纤光栅的底板置于高温箱内，对涂覆材料进行特定时间与特性温度的高温固化处理；
步骤7.将经高温固化处理后的样品冷却至室温，即完成基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的制作。
2.根据权利要求1所述的一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的制作方法，其特征在于：所述的光纤布拉格光栅可为单模光纤光栅、多模光纤光栅或特种光纤光栅，从而实现光纤信号的传输以及超声信号的拾取。
3.根据权利要求1所述的一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的制作方法，其特征在于：所述的吸热敏感材料的分散溶液可为石墨烯溶液、二硫化钼溶液或纳米金粒子溶液，从而用于提高光热转换效率。
4.根据权利要求1所述的一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的制作方法，其特征在于：所述的弹性材料可为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、SU-8胶或其他吸热敏感的弹性胶体，从而实现脉冲光激励下超声信号的激发。
5.根据权利要求1所述的一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的制作方法，其特征在于：所述的制作方法制作出来的基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头具有全光纤结构，可同时实现光声信号的激励与检测功能，具有可在线、分布式测量优点。
6.一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头的测试方法，该探头是利用权利要求1所述的制作方法制备的，其特征在于：利用纳秒脉冲激光器产生周期性脉冲光，并输入所述的光声激励与检测一体式探头，用于激发光声信号；以及利用可调谐连续激光器发出某单一波长的激光，当待探测的光声信号作用到抛磨光纤光栅上时，光栅受声压作用而产生应变，导致中心波长发生偏移，通过解调由此引起的光强变化，从而实现光声信号的检测。
7.一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头，其特征在于：该探头是利用权利要求1所述的制作方法制备的。
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