CN113820781B - 一种基于光纤光声的点声源产生装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光声的点声源产生装置及其制作方法，该装置包括：激光器；及光纤，所述光纤分为光纤起始段、光纤传输段和光纤发声段，所述光纤发声段包括纤芯、包裹在所述纤芯外的包层、包裹在所述包层外的涂覆层以及固定在所述纤芯外端面的吸光体；所述激光器发射脉冲激光，所述脉冲激光依次经过所述光纤起始段、所述光纤传输段和所述光纤发声段，最终被所述吸光体吸收，所述吸光体利用光声效应产生声波，即可产生点声源。本发明实施例在光纤末端制备尺寸极小的吸光体，利用光声效应激发出声波，可以得到高频、高质量的点声源。

Description

一种基于光纤光声的点声源产生装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及光声领域，尤其涉及一种基于光纤光声的点声源产生装置及其制作方法。

背景技术

当声源的尺度远小于其发射声波的波长时，则该声源可看作点声源。点声源各部分振动的相位近似相同，所产生的声场在以此声源为中心的球面上呈均匀分布。点声源在声源定位、声学传感器校准等声学应用中具有重要意义。

在实际应用中，往往难以获取理想的点声源，一是因为声源的尺寸难以做到很小，由于声波频率越高，其波长越小，对点声源的尺寸要求则越高，尤其是频率在MHz量级的超声频段，需要点声源尺寸在亚毫米级别，目前的点声源尺寸一般无法满足条件；二是因为声源的形状限制，导致其不具备足够的全指向性。

近年来，出现了基于光声效应产生点声源的技术。现有技术通常利用透镜组对脉冲激光进行聚焦，在激光焦点处放置吸光材料，当吸光材料吸收激光能量后转化为热能，产生膨胀和收缩，进而产生声波，激光焦点处的光斑则可认为是点声源。然而，该技术中激光的聚焦难以精确控制，聚焦光斑的尺寸一致性无法保证，而且光路一旦固定，焦点的移动难以控制，导致该技术的应用受到很大限制。 此外，若介质中存在杂质颗粒，一部分激光能量在光路上被杂质颗粒吸收，则会产生干扰声波，改变实际的声场。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供一种基于光纤光声的点声源产生装置及其制作方法，以得到一致性好、尺寸小的点声源。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于光纤光声的点声源产生装置，包括：

激光器；及

光纤，所述光纤分为光纤起始段、光纤传输段和光纤发声段，所述光纤发声段包括纤芯、包裹在所述纤芯外的包层、包裹在所述包层外的涂覆层以及固定在所述纤芯外端面的吸光体；

所述激光器发射脉冲激光，所述脉冲激光依次经过所述光纤起始段、所述光纤传输段和所述光纤发声段，最终被所述吸光体吸收，所述吸光体利用光声效应产生声波，即可产生点声源。

进一步地，所述脉冲激光的脉冲宽度为1~100ns。

进一步地，所述吸光体的材料为掺杂炭黑粉的树脂胶水，其中所述炭黑粉占吸光体总量的质量比例为30%~50%。

进一步地，吸光体直径是所述包层直径的1~1.5倍。

进一步地，所述光纤为多模光纤或单模光纤。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种第一方面所述的基于光纤光声的点声源产生装置的制作方法，包括：

将光纤一端的涂覆层剥开，露出包层；

将炭黑粉掺入环氧树脂胶中，搅拌均匀后加入胶水硬化剂，并搅拌均匀，得到胶水混合物；

将所述胶水混合物粘到所述包层端面，静置固化，得到吸光体，完成光纤发声段的制作；

将光纤另一端与所述激光器的发射端相连，获得基于光纤光声的点声源产生装置。

进一步地，所述环氧树脂胶采用AB胶的A组分。

进一步地，所述胶水硬化剂采用AB胶的B组分。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本发明实施例在光纤末端制备尺寸极小的吸光体，利用光声效应激发出声波，可以得到高频、高质量的点声源；光纤直径的制造工艺十分稳定，其尺寸已标准化，本发明可以得到固定尺寸的点声源，这是传统聚焦光声方法难以实现的；由于采用光纤作为激光传输的通道，光路上不会产生干扰声波，且系统简洁、加工成本低。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于光纤光声的点声源产生装置的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的光纤发声段的结构示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种基于光纤光声的点声源产生装置的制作方法的流程图。

图中的附图标记有：100、激光器；200、光纤；210、光纤起始段；220、光纤传输段；230、光纤发声段；231、纤芯；232、包层；233、涂覆层；234、吸光体。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于光纤光声的点声源产生装置的结构示意图，图2是根据一示例性实施例示出的光纤发声段230的结构示意图，如图1和图2所示，该装置可以包括：激光器100和光纤200，所述光纤200分为光纤起始段210、光纤传输段220和光纤发声段230，所述光纤发声段230包括纤芯231、包裹在所述纤芯231外的包层232、包裹在所述包层232外的涂覆层233以及固定在所述纤芯231外端面的吸光体234；所述激光器100发射脉冲激光，所述脉冲激光依次经过所述光纤起始段210、所述光纤传输段220和所述光纤发声段230，最终被所述吸光体234吸收，所述吸光体234利用光声效应产生声波，即可产生点声源。

由上述实施例可知，本发明实施例在光纤200末端制备尺寸极小的吸光体234，利用光声效应激发出声波，可以得到高频、高质量的点声源；光纤200的制造工艺十分稳定，其直径尺寸已标准化，本发明实施例可以得到固定尺寸的点声源，这是传统聚焦光声方法难以实现的；由于采用光纤200作为激光传输的通道，光路上不会产生干扰声波，且系统简洁、加工成本低。

在本发明一实施例中，所述激光器100可产生脉冲激光，点声源发出的声波频率与脉冲激光的脉冲宽度相关，脉冲宽度越窄，激发出的声波包含越高频率。在本发明中，所述脉冲激光的脉冲宽度为1~100ns。

在本发明一实施例中，所述纤芯231是激光在光纤200中的传输介质，包层232与纤芯231的折射率不同，激光在包层232与纤芯231之间发生全反射，从而可以在纤芯231中传播。

所述光纤起始段210与激光器100相连，光纤起始段210与激光器100的连接方式可以为直接耦合或透镜耦合，其中利用透镜耦合可以获得比直接耦合更高的耦合效率。激光器100产生的脉冲激光可以通过光纤起始段210射入光纤传输段220中，并在光纤传输段220中传播至光纤发声段230。

在本发明一实施例中，所述涂覆层233主要作用是保护光纤200不受外界的损伤，同时增加光纤200的柔韧性。

在本发明一实施例中，所述吸光体234固定在纤芯231的端面上。所述吸光体234的材料在激光器100的波长处具有较强的吸收系数。吸收系数越大，激发出的声波强度越大。

在本发明一实施例中，所述吸光体234的材料为掺杂炭黑粉的树脂胶水，其中炭黑粉占吸光体总量的质量比例为30%~50%。

图3是根据一示例性实施例示出的一种基于光纤光声的点声源产生装置的制作方法的流程图，参考图3，本发明实施例还提供一种上述的基于光纤光声的点声源产生装置的制作方法，可包括以下步骤：

步骤S1，将光纤200一端的涂覆层233剥开，露出包层232；

具体地，将光纤200末段的涂覆层233剥开，露出包层232，纤芯231位于包层232的中心，纤芯231的端面也会露出。剥开涂覆层233的目的是，防止后续粘胶时胶水体积过大，影响声源大小和声波强度。

步骤S2，将炭黑粉掺入环氧树脂胶中，搅拌均匀后加入胶水硬化剂，并搅拌均匀，得到胶水混合物；

具体地，将适量环氧树脂胶倒入容器中，再加入适量炭黑粉，搅拌均匀。优选地，环氧树脂胶可以为两液体混合硬化胶（俗称AB胶）的本胶（A组分）。掺入炭黑粉的目的是增加环氧树脂胶的吸光系数。在一定范围内，碳黑粉的比例越高，激发出的声波强度越大。

将适量胶水硬化剂倒入掺杂炭黑粉的环氧树脂胶中，并搅拌均匀，形成胶水混合物。优选地，胶水硬化剂可以为AB胶的B组分，其材料大多为改性胺。

步骤S3，将所述胶水混合物粘到所述包层232端面，静置固化，得到吸光体234，完成光纤发声段230的制作；

具体地，在显微镜下，在步骤S2之后立即将胶水混合物粘到步骤S1中剥开的包层232和纤芯231端面上，形成液滴状的吸光体234。常温下静置数分钟，胶水混合物即可固化，形成固态的吸光体234。吸光体234直径是所述包层232直径的1~1.5倍。

按照以上步骤S1-S3制备出的吸光体234的物理尺寸与光纤200包层232的直径相当。实际上，根据光声效应的原理，若吸光体234的吸光系数足够大，激光能量无法穿透吸光体234，实际的声源尺寸则会比吸光体234尺寸更小，最小值为纤芯231的直径。具体地，本发明实施例提供的声源尺寸在纤芯231直径与吸光体234直径之间。

步骤S4，将光纤200另一端与所述激光器100的发射端相连，获得基于光纤光声的点声源产生装置。

具体地，光纤起始段210与激光器100的连接方式可以为直接耦合或透镜耦合，其中利用透镜耦合可以获得比直接耦合更高的耦合效率。

当激光器100发射脉冲激光时，激光经过光纤200传播到吸光体234，激光能量被吸光体234吸收，产生声波。声源尺寸不超过吸光体234的尺寸，由于吸光体234的尺寸很小，声源可以作为理想的点声源。

目前市场上光纤200的包层232直径一般为125μm，多模光纤200的纤芯231直径大多为50μm，单模光纤200的纤芯231直径一般在10μm以下。以纤芯231直径50μm、包层232直径125μm的光纤200为例，本发明提供的吸光体234尺寸在125μm~188μm，声源尺寸在50μm~188μm。若吸光体234的吸光系数足够大，点声源尺寸可以达到50μm左右，只要声波波长远大于50μm，即声波频率远小于30MHz（水浸式应用，声速1500m/s），本发明提供的声源即可认为是点声源。

另外，光纤200直径的制造工艺十分稳定，其尺寸已标准化，本发明可以得到固定尺寸的点声源，这是传统聚焦光声方法难以实现的。因此，本发明提供的一种基于光纤光声的点声源产生装置，可以得到一致性好、尺寸小、易制作的高频点声源，应用场景包括超声换能器参数的标定、阵列式超声成像的校准等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种基于光纤光声的点声源产生装置，其特征在于，包括：

激光器；及

光纤，所述光纤分为光纤起始段、光纤传输段和光纤发声段，所述光纤发声段包括纤芯、包裹在所述纤芯外的包层、包裹在所述包层外的涂覆层以及固定在所述纤芯外端面的液滴状吸光体，所述涂覆层被剥开，露出所述包层；所述吸光体的材料为掺杂炭黑粉的树脂胶水；所述吸光体直径是所述包层直径的1~1.5倍；

所述激光器发射脉冲激光，所述脉冲激光依次经过所述光纤起始段、所述光纤传输段和所述光纤发声段，最终被所述吸光体吸收，所述吸光体利用光声效应产生声波，即可产生点声源。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲激光的脉冲宽度为1~100ns。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述炭黑粉占吸光体总量的质量比例为30%~50%。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤为多模光纤或单模光纤。

5.一种权利要求1-4任一项所述的基于光纤光声的点声源产生装置的制作方法，其特征在于，包括：

将光纤一端的涂覆层剥开，露出包层；

将炭黑粉掺入环氧树脂胶中，搅拌均匀后加入胶水硬化剂，并搅拌均匀，得到胶水混合物；

将所述胶水混合物粘到所述包层端面，静置固化，得到吸光体，完成光纤发声段的制作；

将光纤另一端与所述激光器的发射端相连，获得基于光纤光声的点声源产生装置。

6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述环氧树脂胶采用AB胶的A组分。

7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述胶水硬化剂采用AB胶的B组分。

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