CN110686771A - 一种基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器和探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器，包括：光转声模块、声耦合模块、超声探测模块、信号线和外壳；所述光转声模块作为探头，所述光转声模块包括聚焦透镜组和具有宽光谱吸光特性的光声薄膜，所述超声探测模块包括压电薄膜和吸声材料；所述聚焦透镜组、光声薄膜、声耦合模块、压电薄膜、吸声材料依次设置，所述光声薄膜、声耦合模块、压电薄膜、吸声材料设置在外壳形成的内腔。本发明的探测器采用基于光声效应的光声薄膜，光声薄膜由于光声效应产生超声，克服了光电效应光探测器的波长选择性问题。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器和探测方法。
背景技术
随着脉冲光技术的不断发展，脉冲光的使用也越来越广泛，如3D打印中，需要(335nm)紫外脉冲光照射来固化液态光敏树脂；工业使用脉冲光(808nm、1064nm)进行打标、切割、焊接等；眼科手术上使用(1030-1064nm)脉冲光作为——飞秒激光刀；美容美白常用(560nm-1200nm)脉冲光照射，使色素斑吸热崩解；医疗影像中有用脉冲光(532nm-1064nm)的光声成像系统。上述应用均是利用光热转化，不同应用对光的要求不一致。实际应用中，脉冲光的核心参数是波长、脉冲能量和脉冲宽度。脉冲光的波长可以是紫外→可见光→红外的单色波或者复色波，可以通过光波长计测量。而光脉冲辐照能量就需要光探测器进行测量。
光辐照强度的测量，通常是通过探测器将光的能量变为其它形式的能量，再通过对这种转化后的能量进行测量，间接实现对光辐照的探测。光电探测器的物理效应主要可分为：光电效应和光热效应，前者应用最为广泛。基于光电效应的探测器对光波频率有选择性，响应快，可以到纳秒级；基于光热效应的探测器对光波频率没有选择性，但是响应慢，一般是百毫秒级别。对一般的脉冲光(毫秒级及以下)的测量，基于光热效应的探测器响应速度不够，而基于光电效应的探测器则会受限于其光波频率的选择性，并不能对宽光谱(紫外→可见光→红外)的脉冲光进行测量。
因此，行业内急需研发一种对宽光谱的脉冲光进行测量且响应快的探测器或者探测方法。
发明内容
针对现有技术存在的不能对宽光谱的脉冲光进行测量或者响应慢的问题，本发明提供一种基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器和探测方法。
本申请的具体方案如下：
一种基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器，包括：光转声模块、声耦合模块、超声探测模块、信号线和外壳；所述光转声模块作为探头，所述光转声模块包括聚焦透镜组和具有宽光谱吸光特性的光声薄膜，所述超声探测模块包括压电薄膜和吸声材料；所述聚焦透镜组、光声薄膜、声耦合模块、压电薄膜、吸声材料依次设置，所述光声薄膜、声耦合模块、压电薄膜、吸声材料设置在外壳形成的内腔，所述聚焦透镜组设置在外壳的顶端且在外壳外部，所述吸声材料在外壳内腔的底部，所述信号线的一端和压电薄膜连接，另一端依次穿过吸声材料和外壳底部。
优选地，所述声耦合模块为流体状的声耦合介质；所述声耦合介质的声阻抗系数为光声薄膜和压电薄膜的声阻抗值的中值。
优选地，所述光声薄膜为碳粉、石墨烯和聚合物混合制作的复合薄膜。
优选地，所述压电薄膜的声阻抗与光声薄膜的声阻抗相匹配。
优选地，所述压电薄膜为压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜。
优选地，所述基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器还包括声学绝缘层，所述声学绝缘层位于所述外壳的内层。
一种探测系统，包括：宽光谱脉冲光探测器、放大器和信号采集存储器；所述放大器的输入端和宽光谱脉冲光探测器的信号线连接，所述放大器的输出端和信号采集存储器连接，当进行测量时，待测脉冲光垂直照射在宽光谱脉冲光探测器前端的聚焦透镜组上。
一种探测方法，包括：
S1，将待测脉冲光垂直照射在宽光谱脉冲光探测器前端的聚焦透镜组上；
S2，宽光谱脉冲光探测器将待测脉冲光进行转化，输出电信号；
S3，放大器将所述电信号进行放大，输入出至信号采集存储器；
S4，信号采集存储器对放大后的电信号进行模数转换后，进行存储与显示。
优选地，步骤S2包括：聚焦透镜组将待测脉冲光聚焦到光声薄膜；光声薄膜由于光声效应产生超声，超声经过声耦合模块传输到压电薄膜，压电薄膜在感应到超声应力后，由于压电效应，压电薄膜上产生电压差，所述电压差被接在压电薄膜上的信号线引出。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本方案的探测器采用基于光声效应的光声薄膜，光声薄膜由于光声效应产生超声，克服了光电效应光探测器的波长选择性问题；针对基于光声效应的所有应用中，本方案的探测器均可对其脉冲光能量和波长进行快速定性分析和定量测量；本方案的探测器使用方便，测量准确。
附图说明
图1为本发明的基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器的示意性结构图。
图2为本发明的光声效应的原理示意图。
图3为本发明的基于光声效应的宽光谱脉冲光探测系统的示意性结构图。
图4为本发明的光声薄膜的吸光曲线图。
图5为本发明的基于光声效应的宽光谱脉冲光探测方法的示意性流程图。
具体实施方式
参见图1，一种基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器，包括：光转声模块、声耦合模块13、超声探测模块、信号线16和外壳17；所述光转声模块作为探头，所述光转声模块包括聚焦透镜组11和具有宽光谱吸光特性的光声薄膜12，所述超声探测模块包括压电薄膜14和吸声材料15；所述聚焦透镜组11、光声薄膜12、声耦合模块13、压电薄膜14、吸声材料15依次设置，所述光声薄膜12、声耦合模块13、压电薄膜14、吸声材料15设置在外壳17形成的内腔，所述聚焦透镜组11设置在外壳17的顶端且在外壳17外部，所述吸声材料15在外壳17内腔的底部，所述信号线16的一端和压电薄膜14连接，另一端依次穿过吸声材料15和外壳17底部。
参见图2，本方案的基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器的探测原理为：光吸收体被待测脉冲光照射后吸收光能量引起瞬间温升，此时待测脉冲光的脉宽比较窄，吸收的能量不能在激光脉冲持续时间内发生热扩散，此时可看作绝热膨胀，产生光声效应，即热能转化为机械能以超声波形式辐射出去。
在本实施例，所述基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器还包括声学绝缘层18，所述声学绝缘层18位于所述外壳17的内层。
其中探测器后端被填满吸声材料15主要是防止内部超声在探头腔内来回震荡，同样在外壳17和声学绝缘层18的作用下，能够防止外界环境的超声噪音干扰。
声耦合模块13主要是将前端光转声模块产生的超声进行最大程度耦合传输到超声探测模块；超声探测模块主要是用来探测光转声模块产生的声音信号。所述声耦合模块13，是用来进行声音传输的耦合介质，目的是尽可能减低因为声阻抗不匹配导致的声音衰减，声音衰减主要发生在声阻抗发生变化的界面，本方案中主要涉及到两个声阻抗变化界面，一个是光声薄膜12到声耦合介质，一个是声耦合介质到超声探头(压电薄膜14)，声耦合介质最好是流体，这样可以和前后界面有很好的贴合。流状的声耦合介质能够在接触面上具有更好的密封性，而不会在接触面上有空隙导致声衰减。介质的声阻抗系数最好选择前后两个接触面的物质的声阻抗值的中值，这样的搭配，声音穿过两个界面后的声衰减最小。声耦合介质模块可以是注入在光声薄膜12与压电薄膜14之间空隙的耦合液。在本实施例，所述声耦合模块13为流体状的声耦合介质；所述声耦合介质的声阻抗系数为光声薄膜12和压电薄膜14的声阻抗值的中值。作为另一可实施例，所述声耦合模块13为固体状的声耦合介质；
在本实施例，所述光声薄膜12为碳粉、石墨烯和聚合物混合制作的复合薄膜。其中光声薄膜12是用来吸收待测脉冲光的能量，将其转化成超声的核心元件，该光声薄膜12具有良好的宽光谱吸光特性，较高的热膨胀系数和较低的导热系数，宽光谱吸收可以保障对不同波长频率的光都有吸收，吸光性能将直接影响探测器的响应波段，较高的热膨胀系数和较低的导热系数用来保障光转声模块具有足够的灵敏度。光声薄膜12的吸收光谱如图4所示。
在本实施例，所述压电薄膜14的声阻抗与光声薄膜12的声阻抗相匹配。阻抗匹配的目的在于减少声衰减，由于声音在任何声阻抗变化界面都会有反射，入射等现象，为了增大入射率，减少反射率，尽可能使得这个界面不存在或者说界面差异小(声阻抗差异小)从而减少声衰减。两个方法：直接调节薄膜的声阻抗参数；在两薄膜之间插入过渡(声耦合模块)，过渡的参数要求就是声阻抗为两薄膜之间数值，最好中值。所述压电薄膜14为压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜。所述超声探测模块的核心是压电薄膜14。压电薄膜14基于压电效应，对动态应力非常灵敏，能够将应力转化为电压，实现超声波测量，填充的吸声材料15主要是防止超声信号在探头内部震荡，影响测量。
参见图3、基于上述的宽光谱脉冲光探测器的探测系统，包括：宽光谱脉冲光探测器、放大器和信号采集存储器；所述放大器的输入端和宽光谱脉冲光探测器的信号线16连接，所述放大器的输出端和信号采集存储器连接，当进行测量时，待测脉冲光垂直照射在宽光谱脉冲光探测器前端的聚焦透镜组11上。其中，待测脉冲光由待测光声成像系统的脉冲光器输出。放大器具有足够的放大倍数和带宽。放大后的信号将被信号采集存储器采集存储与显示，信号采集存储器的作用等同于模数转换和数据采集卡的作用。信号采集存储器包含示波器。
参见图5、基于上述的探测系统的探测方法，包括：
S1，将待测脉冲光垂直照射在宽光谱脉冲光探测器前端的聚焦透镜组11上；
S2，宽光谱脉冲光探测器将待测脉冲光进行转化，输出电信号；在本实施例，步骤S2包括：聚焦透镜组11将待测脉冲光聚焦到光声薄膜12；光声薄膜12由于光声效应产生超声，超声经过声耦合模块13传输到压电薄膜14，压电薄膜14在感应到超声应力后，由于压电效应，压电薄膜14上产生电压差，所述电压差被接在压电薄膜14上的信号线16引出。
S3，放大器将所述电信号进行放大，输入出至信号采集存储器；
S4，信号采集存储器对放大后的电信号进行模数转换后，进行显示。
通过测量被待测脉冲光激发的超声波幅值大小，逆推出待测脉冲光的光强等信息。本探测器适用于基于光声效应的所有应用，可对其脉冲光能量和波长进行快速定性分析和定量测量；
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器，其特征在于，包括：光转声模块、声耦合模块、超声探测模块、信号线和外壳；
所述光转声模块作为探头，所述光转声模块包括聚焦透镜组和具有宽光谱吸光特性的光声薄膜，所述超声探测模块包括压电薄膜和吸声材料；
所述聚焦透镜组、光声薄膜、声耦合模块、压电薄膜、吸声材料依次设置，所述光声薄膜、声耦合模块、压电薄膜、吸声材料设置在外壳形成的内腔，所述聚焦透镜组设置在外壳的顶端且在外壳外部，所述吸声材料在外壳内腔的底部，所述信号线的一端和压电薄膜连接，另一端依次穿过吸声材料和外壳底部。
2.根据权利要求1所述的基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器，其特征在于，所述声耦合模块为流体状的声耦合介质；所述声耦合介质的声阻抗系数为光声薄膜和压电薄膜的声阻抗值的中值。
3.根据权利要求1所述的基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器，其特征在于，所述光声薄膜为碳粉、石墨烯和聚合物混合制作的复合薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器，其特征在于，所述压电薄膜的声阻抗与光声薄膜的声阻抗相匹配。
5.根据权利要求1所述的基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器，其特征在于，所述压电薄膜为压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜。
6.根据权利要求1所述的基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器，其特征在于，还包括声学绝缘层，所述声学绝缘层位于所述外壳的内层。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的宽光谱脉冲光探测器的探测系统，其特征在于，包括：宽光谱脉冲光探测器、放大器和信号采集存储器；
所述放大器的输入端和宽光谱脉冲光探测器的信号线连接，所述放大器的输出端和信号采集存储器连接，
当进行测量时，待测脉冲光垂直照射在宽光谱脉冲光探测器前端的聚焦透镜组上。
8.一种基于权利要求7所述的探测系统的探测方法，其特征在于，包括：
S1，将待测脉冲光垂直照射在宽光谱脉冲光探测器前端的聚焦透镜组上；
S2，宽光谱脉冲光探测器将待测脉冲光进行转化，输出电信号；
S3，放大器将所述电信号进行放大，输入出至信号采集存储器；
S4，信号采集存储器对放大后的电信号进行模数转换后，进行显示。
9.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，步骤S2包括：聚焦透镜组将待测脉冲光聚焦到光声薄膜；光声薄膜由于光声效应产生超声，超声经过声耦合模块传输到压电薄膜，压电薄膜在感应到超声应力后，由于压电效应，压电薄膜上产生电压差，所述电压差被接在压电薄膜上的信号线引出。
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