CN111007154B - 柔性超声换能器、制作方法及全光超声发射与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微纳光纤的柔性超声换能器、制作方法及全光超声发射与检测方法，包括环形微纳光纤法布里‑珀罗腔、光纤表面的光吸收材料和柔性保护基底。光吸收材料在吸收由倐逝波耦合至环形微纳光纤表面的脉冲/周期调制加热光后，受热膨胀发射超声；超声回波信号作用于法布里‑珀罗腔，引起腔中干涉光的相位改变，该相位变化由一束窄带激光基于光学干涉原理检测。本发明中的超声换能器利用环形微纳光纤的倏逝波加热表面光吸收材料发射超声，利用环形微纳光纤构建法布里‑珀罗腔检测超声，在实现全光超声发射与检测的同时，具有灵敏度高、抗电磁环境干扰、结构紧凑、柔性可弯曲等优点。

Description

柔性超声换能器、制作方法及全光超声发射与检测方法

技术领域

本发明涉及柔性光电器件技术领域，具体涉及一种基于微纳光纤的柔性超声换能器、制作方法及全光超声发射与检测方法。

背景技术

随着科技迅速发展，柔性光电器件在可穿戴设备、生物医学健康检测等方面的巨大发展潜力，得到了广泛的关注和研究。它将柔性的基底材料与微型光电子元件、微机电系统、智能织物等器件结合，克服了传统刚性器件的不适性，具备良好的柔韧性、可拉伸性、可以自由弯曲甚至折叠，结构形式灵活多样，能够非常方便地对被测物体进行检测。同时，超声换能器是一种测量过程中非常关键的仪器设备，能够同时发出和接收超声。随着科学技术的发展，目前超声换能器逐渐走向微型化，更具有便携性，在声学机器人、环境监测、医学健康检测和成像、无损评估等技术领域有广泛的应用前景。

现阶段，柔性超声换能器主要在柔性基底上结合传统刚性超声换能器，进行整体结构的柔性化，分为压电式和电容式两种。但是这类换能器在应对曲面物体或者人体皮肤这类需要柔性、灵活性的医疗应用方面还有所欠缺。同时，这类电学的超声换能器易受到电磁干扰、光学不透明，且灵敏度会随着探测面积的减小而降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提出一种基于微纳光纤的柔性超声换能器、制作方法及全光超声发射与检测方法，实现全光学手段的超声收发一体，同时结合微纳光纤易弯曲、弯曲损耗低的特点，实现超声的聚焦与焦距调谐，本发明提出的柔性超声换能器灵敏度高、制作简单、抗电磁干扰、结构紧凑。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于微纳光纤的柔性超声换能器，该柔性超声换能器包括环形微纳光纤法布里-珀罗腔、光纤表面的光吸收材料和柔性保护基底，其中，所述的环形微纳光纤法布里-珀罗腔由普通光纤101制备而来，所述的普通光纤101的中间部分通过氢氧焰加热至熔融状态，然后将熔融态的光纤通过拉锥机均匀拉伸至直径微米量级，并将其弯曲成环形几何结构，形成具有较强倐逝波的环形微纳光纤102，所述的环形微纳光纤102，两侧部分刻写一对中心波长匹配的光纤布拉格光栅103，形成环形微纳光纤法布里-珀罗腔；所述的光吸收材料104通过化学修饰方法结合于环形微纳光纤102的表面；所述的柔性保护基底利用柔性材料105对环形微纳光纤102进行封装形成；

其中，所述的环形微纳光纤102用于产生倐逝场对光吸收材料加热而产生超声；所述的环形微纳光纤法布里-珀罗腔用于高精度超声信号检测；通过改变环形微纳光纤的弯曲半径，实现超声聚焦与焦距调谐；所述的柔性保护基底用于提高柔性超声换能器机械强度。

该基于微纳光纤的柔性超声换能器，通过在环形微纳光纤102上刻写一对中心波长匹配的光纤布拉格光栅103形成光纤法布里-珀罗腔。向环形微纳光纤中通入脉冲光或者周期调制光，加热涂敷于光纤表面的光吸收材料，光吸收材料受热膨胀后产生超声。当腔体受到超声回波信号或外界施加的超声的作用时，其腔内干涉光相位改变，引起反射谱干涉条纹变化。注入窄带检测光，反射回的检测光强度在超声作用下发生相应变化，通过光电探测器测量检测光的强度变化，实现超声检测。

进一步地，所述的微纳光纤的直径为0.5μm-20μm，由单模或者多模、无掺杂或掺杂光纤拉制而成，环形微纳光纤的直径均匀区域长度为1mm-10cm，弯曲半径为100μm-10cm。

进一步地，所述的光纤布拉格光栅103通过掩膜板曝光或逐点刻写，布拉格光栅间隔0.5μm-10cm。

进一步地，所述的光吸收材料104为包括石墨烯、碳纳米管在内的碳材料，或者是包括金膜、金纳米颗粒在内的金属材料，又或者是以上材料与聚合物形成的复合膜，厚度在1nm-10μm。

进一步地，所述的柔性材料105的声阻抗与包括生物组织或水在内的测试环境的声阻抗匹配，厚度在10μm-1cm。

本发明的又一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种柔性超声换能器的制作方法，所述的制作方法包括以下步骤：

将普通光纤101通过火焰、激光或电加热方法加热至熔融状态，将熔融态的光纤通过拉锥机均匀拉伸至微米量级，并将其弯曲成环形几何结构，形成具有较强倐逝波的环形微纳光纤102，该普通光纤101为单模或者多模、无掺杂或掺杂光纤；

通过准分子激光器或飞秒激光器结合掩膜板曝光或逐点刻写方式，在环形微纳光纤102上刻写一对中心波长匹配的光纤布拉格光栅，形成环形微纳光纤法布里-珀罗腔103；

通过蒸镀、溅射或者化学修饰方法在环形微纳光纤102表面结合一层光吸收材料；

通过表面固化与生物组织或水声阻抗匹配的柔性材料，对环形微纳光纤102进行封装形成柔性保护基底。

进一步地，通过调节蒸镀、溅射速度与时间，或者化学修饰溶液浓度、修饰时间控制光吸收材料的厚度，厚度范围为1nm-10μm。

进一步地，所述的柔性材料105采用聚二甲基硅氧烷。

本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于微纳光纤的柔性超声换能器全光超声发射与检测方法，包括如下步骤：

将脉冲/周期调制加热光，与通过环形器202传输的可调谐激光器201发出的窄带探测光用波分复用器203或者光耦合器耦合传输至环形微纳光纤法布里-珀罗腔内，加热光沿环形微纳光纤102轴向传输，以倐逝波形式将部分能量耦合至环形微纳光纤102表面；其中，所述的可调谐激光器201的波长调节至环形微纳光纤法布里-珀罗腔干涉光谱的斜率最大处，以获得最大灵敏度；

位于环形微纳光纤102表面的光吸收材料104吸收加热光后受热膨胀并发射超声；

当环形微纳光纤法布里-珀罗腔受到超声回波或外界施加的超声作用时，腔内干涉光相位改变，引起反射回的窄带探测光强度发生改变。该反射光经过环形器202传输并耦合回光电探测器204，光电探测器204将窄带探测光的强度变化转换为电信号，进而还原出超声信号。

进一步地，输入环形微纳光纤102的脉冲/周期调制加热光，波长范围覆盖紫外到红外，脉冲光持续时间在1ns-1μs。

可调谐激光器201向环形微纳光纤102通入窄带检测光，其中心波长锁定于环形微纳光纤法布里-珀罗腔的正交工作点，基于光学干涉原理，检测超声引起的相位变化对窄带检测光反射光强的改变，实现超声的检测。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)、本发明中环形微纳光纤是微结构光纤，与普通光纤相比，光场能量会有一部分以倏逝波的形式在光纤表面沿着轴向传播。光纤直径越小，倏逝波越强，有利于提高超声发射效率；环形微纳光纤，弯曲损耗低，弯曲半径可达微米量级。因此，环形微纳光纤不仅具有较强的倏逝波、还有易弯曲、弯曲损耗低等特点，非常适合构建柔性器件。

2)、本发明中环形微纳光纤法布里-珀罗腔，以光纤内部刻写布拉格光栅的方式形成反射镜，腔整体传输损耗低，易获得高对比度、较大腔长的法布里-珀罗腔。对于环形微纳光纤法布里-珀罗腔，对比度越高、腔长越长，对超声的灵敏度越高。

3)、本发明充分发挥微纳光纤柔性高、光纤布拉格光栅传输损耗低的优点，构建环形微纳光纤法布里-珀罗腔柔性超声换能器。以全光手段实现超声的发射与接收，相比与传统压电超声换能器，具有灵敏度高、抗电磁环境干扰、结构紧凑、柔性可弯曲等优点。

附图说明

图1是本发明实施例中基于微纳光纤的柔性超声换能器的结构示意图；

图2是本发明实施例中基于微纳光纤的柔性超声换能器的全光超声发射与检测系统示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，是基于微纳光纤的柔性超声换能器的结构示意图。首先将普通光纤101通过氢氧焰加热至熔融状态，将熔融态的光纤通过拉锥机均匀拉伸至微米量级，然后弯曲成环形，形成具有较强倐逝波的环形微纳光纤102；

需要指出的是，普通光纤101即为玻璃光纤。

进一步通过193nm准分子激光器或800nm飞秒激光器结合相位掩模板在环形微纳光纤102两侧部分刻写一对中心波长为1550nm的光纤布拉格光栅103，形成环形微纳光纤法布里-珀罗腔；

进一步通过化学修饰方法在环形微纳光纤102的表面结合一层碳纳米管-PMMA聚合物材料作为光吸收材料104，通过控制化学溶液浓度控制光吸收材料104的厚度；

利用柔性材料105(本实施例中柔性材料105采用聚二甲基硅氧烷(PDMS))对器件进行封装，提高器件机械性能的同时，增强器件的灵活性与适用性。所选用的柔性材料105的声阻抗与生物组织或水匹配，从而减少超声的衰减与混响。

实施例二

图2为基于微纳光纤的柔性超声换能器的全光超声发射与检测系统示意图。如图所示，系统具体结构如下：

波分复用器203的公共端连接柔性超声换能器的单模光纤101，波分复用器203的另一端分别传输激发超声的脉冲加热光与探测超声的窄带检测光，其中加热光由调制光源205发出，检测光由可调谐激光器201经环形器202的第一端口(附图2中标记端口①)输入，经过第二端口(附图2中标记端口②)输出后，达到波分复用器203。光吸收材料104吸收环形微纳光纤102表面的加热光倏逝波，受热膨胀发射超声206。

超声206作用在环形微纳光纤102上，调制环形微纳光纤法布里-珀罗腔干涉光的相位，引起反射回的窄带检测光的光强改变。反射回的窄带检测光，经环形器202第三端口(附图2中标记端口③)输出，到达光电探测器204，转换为电学信号进而解调出超声信息。为获得最大灵敏度，需要将可调谐激光器201发出的窄带检测光的中心波长调节至环形微纳光纤法布里-珀罗腔反射光干涉谱的斜率最大处。

基于上述全光超声发射与检测系统，本实施例还公开了一种基于微纳光纤的柔性超声换能器的全光超声发射与检测方法，包括如下步骤：

将脉冲/周期调制加热光，与通过环形器202传输的可调谐激光器201发出的窄带探测光用波分复用器203或者光耦合器传输至环形微纳光纤法布里-珀罗腔内，其中，所述窄带探测光的中心波长调节至环形微纳光纤法布里-珀罗腔反射光干涉谱的斜率最大处，以获得最大灵敏度的目的；加热光在沿环形微纳光纤102轴向传输过程中以倐逝波形式将部分能量耦合至环形微纳光纤102表面；

位于环形微纳光纤102表面的光吸收材料104吸收加热光后受热膨胀发射超声；其中，输入环形微纳光纤102的近红外脉冲加热光波长为1540nm，脉冲持续时间为100ns。

可调谐激光器201向环形微纳光纤102通入1550nm附近的窄带检测光，检测光中心波长在超声检测过程中锁定于环形微纳光纤法布里-珀罗腔的正交工作点；当环形微纳光纤法布里-珀罗腔受到发出的超声回波或外界施加的超声作用时，腔内干涉光相位改变，引起窄带探测光的反射光强度发生改变；反射回的窄带探测光经过环形器202传输并耦合回光电探测器204转换为电信号，进而还原出超声信号。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性超声换能器，其特征在于，所述的柔性超声换能器包括环形微纳光纤法布里-珀罗腔、光纤表面的光吸收材料和柔性保护基底，其中，所述的环形微纳光纤法布里-珀罗腔由拉制形成的微纳光纤构成，所述的拉制形成的微纳光纤，通过氢氧焰加热普通光纤中间部分至熔融状态，然后通过拉锥机均匀拉伸光纤熔融部分至微米量级形成，所述的微纳光纤弯曲成环形，微纳光纤两侧部分刻写一对中心波长匹配的光纤布拉格光栅，形成环形微纳光纤法布里-珀罗腔；所述的光吸收材料通过蒸镀、化学修饰方法结合于环形微纳光纤表面；所述的柔性保护基底利用柔性材料对环形微纳光纤进行封装形成；

其中，所述的微纳光纤用于产生表面倏逝波从而加热光吸收材料并产生超声；所述的光纤法布里-珀罗腔用于高精度超声信号检测；所述的环形微纳光纤法布里-珀罗腔，通过改变环形微纳光纤弯曲半径，可实现超声聚焦与焦距调谐；所述的柔性保护基底用于提高柔性超声换能器的机械强度。

2.根据权利要求1所述的柔性超声换能器，其特征在于，所述的环形微纳光纤的直径为0.5μm-20μm，由单模或者多模、无掺杂或掺杂光纤拉制而成，环形微纳光纤的直径均匀区域长度为1mm-10cm，弯曲半径为100μm-10cm。

3.根据权利要求1所述的柔性超声换能器，其特征在于，所述的光纤布拉格光栅通过掩膜板曝光或逐点刻写，相邻两个光纤布拉格光栅间隔0.5μm-10cm。

4.根据权利要求1所述的柔性超声换能器，其特征在于，所述的光吸收材料为包括石墨烯、碳纳米管在内的碳材料，或者是包括金膜、金纳米颗粒在内的金属材料，又或者是以上材料与聚合物形成的复合膜，厚度在1nm-10μm。

5.根据权利要求1所述的柔性超声换能器，其特征在于，所述的柔性材料的声阻抗与包括生物组织或水在内的测试环境的声阻抗匹配，厚度在10μm-1cm。

6.一种基于权利要求1至5任一所述的柔性超声换能器的制作方法，其特征在于，所述的制作方法包括以下步骤：

将普通光纤通过火焰、激光或电加热方法加热至熔融状态，将熔融态的光纤通过拉锥机均匀拉伸至微米量级，形成微纳光纤，该普通光纤为单模或者多模、无掺杂或掺杂光纤；

将微纳光纤弯曲成具有一定弯曲半径的环形；

通过准分子激光器或飞秒激光器结合相位掩模板方式或逐点刻写方式，在环形微纳光纤上刻写一对中心波长匹配的光纤布拉格光栅，形成环形微纳光纤法布里-珀罗腔；

通过蒸镀、溅射或者化学修饰方法在环形微纳光纤表面结合一层光吸收材料；

通过表面固化与生物组织或水声阻抗匹配的柔性材料，对环形微纳光纤进行封装形成柔性保护基底。

7.根据权利要求6所述的柔性超声换能器的制作方法，其特征在于，通过调节蒸镀、溅射速度与时间，或者化学修饰溶液浓度、修饰时间控制光纤表面光吸收材料的厚度，厚度范围为1nm-10μm。

8.根据权利要求6所述的柔性超声换能器的制作方法，其特征在于，所述的柔性材料采用聚二甲基硅氧烷。

9.一种基于权利要求1至5任一所述的柔性超声换能器的全光超声发射与检测方法，其特征在于，所述的全光超声发射与检测方法包括如下步骤：

将脉冲/周期调制加热光，与经环形器传输的可调谐激光器发出的窄带探测光用波分复用器或者光耦合器传输至环形微纳光纤法布里-珀罗腔内，其中，所述窄带探测光的中心波长调节至环形微纳光纤法布里-珀罗腔反射光干涉谱的斜率最大处；

加热光在沿环形微纳光纤轴向传输过程中以倐逝波形式将部分能量耦合至环形微纳光纤表面；位于环形微纳光纤表面的光吸收材料吸收加热光后受热膨胀发射超声；

当环形微纳光纤法布里-珀罗腔接收到超声回波或外界施加的超声信号时，腔内干涉光相位改变，引起反射回的窄带探测光强度改变，该反射光经过环形器传输并耦合回光电探测器，光电探测器将窄带探测光的强度变化转换为电信号，进而还原出超声信号。

10.根据权利要求9所述的柔性超声换能器的全光超声发射与检测方法，其特征在于，

输入环形微纳光纤的脉冲光或者周期调制光用作加热光，波长覆盖范围从紫外到红外，脉冲光持续时间在1ns-1μs；

可调谐激光器向环形微纳光纤通入窄带检测光，其中心波长锁定于环形微纳光纤法布里-珀罗腔的正交工作点；基于光学干涉原理，检测超声引起的相位变化对窄带检测光反射光强的改变，实现超声的检测；

环形微纳光纤的几何中心是柔性超声换能器的焦点，改变环形微纳光纤的弯曲半径，可调谐换能器的焦距。

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