CN113884442B - 超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头、检测方法 - Google Patents

超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头、检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头、检测方法，属于超声波激发和检测技术领域。包括引导光纤、第一波长选择性透过薄膜、波长选择性吸收膜和第二波长选择性透过薄膜。当所述光纤超声探头工作超声模式时，由光纤探头本身吸收激励光并产生超声波，超声波向前传输并被待测物体反射回到光纤超声探头上，通过检测反射回的超声波信号，获取待测物体的图像信息；当所述光纤探头工作在光声模式时，激励光透过光纤超声探头并向前传输到待测物体上，待测物体吸收激励光并产生超声波，光纤探头通过检测待测物体产生的超声波，获取待测物体的图像信息。本发明使得光纤超声探头可以在超声、光声两种工作模式下同时实现超声激发和超声检测。

Description

超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头、检测方法
技术领域
本发明属于超声激发和检测技术领域，更具体地，涉及超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头、检测方法。
背景技术
光声成像和超声成像技术利用超声波波长短、穿透性强的优点，在医学成像、无损检测等领域具有广泛的应用。光声成像技术通过将激发光脉冲照射到待测物体上，待测物体吸收激光脉冲后由光声效应产生超声波；超声成像技术通过具有超声激发功能的超声换能器产生一个超声脉冲，该脉冲到达待测物体表面后被待测物体反射。通过具有超声探测功能的超声传感器对超声信号进行探测，实现对待测物体表面或内部的成像，进一步完成对待测物体表面、内部结构的分析。
具有超声激发功能的光纤超声换能器和具有超声检测功能的光纤超声传感器在超声成像和光声成像领域应用广泛。与传统的压电超声换能器相比，光纤超声换能器通过光声效应将激励激光转化为超声波发射出去，由于其尺寸小、成本低、抗电磁干扰等优点受到了广泛的关注。目前光纤超声换能器主要基于一种高热膨胀系数弹性材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)，和一种高光学吸收材料，如炭黑、石墨烯、碳纳米管、金纳米颗粒等。但此类光纤超声换能器无法做到同时完成超声激发和超声探测，在超声成像系统中仍需要一个外部超声传感器来进行超声探测，因而系统尺寸难以进一步缩小。光纤超声传感器通过测量由超声波引起的传感器探头物理参量的变化，实现对超声波信号的检测。目前光纤超声传感器主要有法布里-帕罗干涉型、马赫-曾德干涉型、低相干迈克尔逊干涉型等。此类光纤超声传感器只能检测超声波信号，不能同时具有超声激发的功能，因此在超声成像系统中也需要一个外部超声换能器来进行超声激发，因而系统尺寸同样难以进一步缩小。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头、检测方法，旨在解决现有光纤超声探头无法同时实现超声激发和超声检测的技术问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头包括：引导光纤、第一波长选择性透过薄膜、波长选择性吸收膜、第二波长选择性透过薄膜；所述引导光纤的输出端面为平整端面，所述第一波长选择性透过薄膜、所述波长选择性吸收膜和所述第二波长选择性透过薄膜依次覆盖于所述平整端面上。
当所述光纤超声探头工作超声模式时，所述引导光纤用于引导从其输入端入射的第一激励光传输，第一激励光透过所述第一波长选择性透过薄膜照射到所述波长选择性吸收膜上，被所述波长选择性吸收膜吸收并激发出超声波信号，超声波信号向前传输并被待测物体反射回到光纤超声探头上，通过检测反射回的超声波信号，获取待测物体的图像信息；
当所述光纤超声探头工作在光声模式时，所述引导光纤用于引导从其输入端入射的第二激励光传输，所述第二激励光依次通过所述第一波长选择性透过薄膜、所述波长选择性吸收膜和所述第二波长选择性透过薄膜，被待测物体吸收并产生超声波信号，通过检测所述超声波信号，获取待测物体的图像信息。
所述引导光纤还用于引导从其输入端入射的信号光传输，信号光部分被所述第一波长选择性透过薄膜反射，部分传输到所述第二波长选择性透过薄膜，搭载探测到的超声信号并作为检测光反射，两反射光在所述引导光纤中发生干涉，最终作为干涉光被反射回所述引导光纤。
优选地，所述波长选择性吸收膜为杨氏模量100MPa至100GPa的聚合物材料与油性色精的混合物，对信号光波长和第二激励光波长有90％以上的透过率，对第一激励光波长有90％以上的光吸收率，热膨胀系数小于10-4/℃，膜厚度为1μm-1mm。
优选地，所述第一、第二波长选择性透过薄膜为折射率在1.5～2.7的两种不同无机材料交替沉积形成的介质薄膜，其对信号光波长有90％以上的反射率，对第一、第二激励光波长有90％以上的透射率。
所述油性色精颜色与所述第一激励光颜色互为互补色，油性色精与聚合物材料的混合质量比在1:10～1:100。
光纤探头工作在超声模式时，所述波长选择性吸收膜受到第一激励光激励，所述油性色精吸收第一激励光的光能并将其转化为热能，热能扩散至所述聚合物材料引起所述聚合物材料温度升高，使所述色精与所述聚合物材料的混合物产生热弹性膨胀，并激发出超声信号。
光纤探头工作在光声模式时，所述第二激励光通过所述第一波长选择性透过薄膜、所述波长选择性吸收膜和所述第二波长选择性透过薄膜，照射到待测物体上，被待测物体吸收并产生超声信号。
当光纤超声探头检测到待测超声波时，所述第二波长选择性透过薄膜受到待测超声波的激励，压迫所述波长选择性吸收膜并使其厚度发生变换，变化频率等同于入射超声波的频率，从而改变由所述第一、第二波长选择性透过薄膜构成的法布里-珀罗谐振腔的腔长，进而改变被第二波长选择性透过薄膜反射的检测光的相位，检测光与被第一选择性透过薄膜反射的另一部分信号光发生干涉，并作为干涉光回到引导光纤中。通过检测干涉光的光功率，实现对超声信号的检测。
优选地，所述引导光纤为双包层光纤，包括由内而外设置的纤芯、内包层和外包层；
所述纤芯在信号光波长的传输方式为单模传输，用于所述信号光、检测光和干涉光的传输；
所述内包层在第一、第二激励光波长的传输方式为多模传输，用于所述第一、第二激励光的传输；
所述外包层用于束缚所述第一、第二激励光、所述信号光、所述检测光和所述干涉光。
优选地，所述信号光为窄线宽激光，所述第一激励光为波长位于可见光波段的脉冲光或被调制的连续光，所述第二激励光为脉冲光或被调制的连续光。
优选地，所述第一波长选择透过性薄膜与所述引导光纤、所述波长选择性吸收膜与所述第一波长选择性透过薄膜、所述第二波长选择性透过薄膜均与所述波长选择性吸收膜之间均具有良好的吸附性。
本发明第二方面提供了基于本发明第一方面所述的超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头的检测方法，包括以下步骤：
当光纤超声探头工作在超声模式下时，第一激励光透过所述第一波长选择性透过薄膜照射到所述波长选择性吸收膜上，被所述波长选择性吸收膜吸收并激发出超声波信号，超声波信号向前传输并被待测物体反射回到光纤超声探头上；
信号光一部分被所述第一波长选择性透过薄膜反射，另一部分透过所述第一波长选择性透过薄膜和所述波长选择性吸收膜，被所述第二波长选择性透过薄膜反射，搭载反射回到光纤超声探头上的超声波信号并作为检测光返回，与被第一波长选择性透过薄膜反射的部分信号光发生干涉，作为干涉光；
检测干涉光(9)的光功率，实现对超声波信号的检测。
本发明第三方面提供了基于本发明第一方面所述的超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头的检测方法，包括以下步骤：
当光纤超声探头工作在光声模式下时，第二激励光依次通过所述第一波长选择性透过薄膜、所述波长选择性吸收膜和所述第二波长选择性透过薄膜，被待测物体吸收并产生超声波信号；
信号光一部分被所述第一波长选择性透过薄膜反射，另一部分透过所述第一波长选择性透过薄膜和所述波长选择性吸收膜，被所述第二波长选择性透过薄膜反射，搭载反射超声波信号并作为检测光返回，与被第一波长选择性透过薄膜反射的部分信号光发生干涉，作为干涉光；
检测干涉光的光功率，实现对超声波信号的检测。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过将第一波长选择性透过薄膜、波长选择性吸收膜和第二波长选择性透过薄膜依次覆盖在引导光纤的近端面形成整体式结构，使得光纤超声探头可以在超声、光声两种模式下同时实现超声激发和超声检测。
2、本发明通过在光纤超声探头中引入第一、第二波长选择性透过薄膜，使光纤探头能够工作在超声、光声两个模式下；一方面，当探头工作在超声模式下时，通过将第一激励光透过，使其照射到波长选择性吸收膜上并被其吸收，用于激励波长选择性吸收膜产生超声波；另一方面，当探头工作在光声模式下时，通过将第二激励光透过，使其照射到待测物体上，待测物体吸收第二激励光后产生超声波；
同时，第一波长选择性透过薄膜将部分信号光反射，使其与被第二波长选择性透过薄膜反射的检测光发生干涉，并作为干涉光反射回引导光纤，通过待测超声波对由第一、第二波长选择性透过薄膜构成的法布里-珀罗谐振腔腔长的调控，将超声信号调制到被第二波长选择性透过薄膜反射的信号光的相位上，进而调制到干涉光的光强上，实现对超声波的检测。
3、本发明通过在光纤超声探头上引入聚合物材料与油性色精混合而成的波长选择性吸收膜，一方面，当光纤探头工作在超声模式下时，通过油性色精吸收其颜色互为互补色的第一激励光，将吸收的光能转化为热能并传导给聚合物，引起聚合物温度升高并发生热弹性膨胀，进而激励产生超声波；另一方面，通过将信号光透过，使其照射到第二波长选择性透过薄膜上并被其反射，并且波长选择性吸收膜作为法布里-珀罗谐振腔中的介质，其厚度变化即为法布里-珀罗谐振腔腔长的变化。
4、本发明通过油性色精对其互补色光的选择吸收性，一方面将超声模式下用于产生超声信号的第一激励光与信号光分离，避免二者在超声检测中发生串扰，另一方面将光声模式下的第二激励光透过，避免其被光声材料吸收，从而实现将超声波激发和检测装置集成至同一引导光纤端面，同时具有超声、光声两种工作模式的小尺寸、高集成化的收发一体式光纤超声探头。
5、本发明通过采用波长选择性吸收膜作为光纤超声探头的传感换能结构，可以通过改变波长选择性吸收膜的厚度、形状调控超声探头的灵敏度和声波频率响应曲线。
6、本发明采用双包层光纤作为引导光纤，信号光在纤芯内单模传输，避免了信号光的模间干涉，降低了传感器的噪声；激励光在内包层传输，利用内包层有效面积大的特点，实现了在光纤损伤阈值以下进行高能量的激励光传输，提高了光纤超声探头产生的超声波强度。
7、本发明通过将第一、第二波长选择性透过薄膜作为法布里-珀罗谐振腔的两个端面，将超声信号转化为干涉光的光强信号，大幅度提高了系统的灵敏度，能实现低噪声等效压力的超声波检测。同时采用法布里-珀罗(F-P)干涉型传感器使系统对外部环境中的震动等干扰不敏感，进一步提高了系统的稳定性。
附图说明
图1是是本发明中超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头的结构示意图；
图2是本发明中超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头激发和检测超声波的原理示意图，其中(a)为工作在超声模式下的光纤探头产生超声波的原理示意图，(b)为工作在光声模式下的光纤探头产生超声波的原理示意图，(c)为光纤探头检测超声波的原理示意图；
图3是本发明实施例中超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头激发产生的超声波波形图；
图4是本发明实施例中超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头激发产生的超声波被另一光纤超声探头捕获，并通过检测系统转化为电压信号后的超声波波形图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1、引导光纤，2、第一波长选择性透过薄膜，3、波长选择性吸收膜，4、第二波长选择性透过薄膜，5、第一激励光，6、第二激励光，7、信号光，8、检测光，9、干涉光。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明中超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头的结构示意图。如图1所示，本发明提出了一种超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头，包括引导光纤1、第一波长选择性透过薄膜2、波长选择性吸收膜3和第二波长选择性透过薄膜4。所述引导光纤1为双包层光纤，其内包层用于传输所述第一激励光5和第二激励光6，纤芯用于传输所述信号光7、所述检测光8和所述干涉光9。所述引导光纤1的近端面被打磨或切割平整，一层具有波长选择性透过特性的介质膜被沉积到所述引导光纤1的近端面，作为所述第一波长选择性透过薄膜2，用于反射部分所述信号光7并使所述第一激励光5和所述第二激励光6透过。一层固化的油性色精和紫外胶的混合物被沉积到所述第一波长选择性透过薄膜2的表面，作为所述波长选择性吸收膜3，用于在超声模式下吸收所述第一激励光5，利用光声效应激励产生超声信号，以及通过其厚度变化使被所述第二波长选择性透过薄膜4反射的检测光8的光程发生变化，实现将探测到的超声波信号调制到检测光8的相位上，检测光8与被所述第一波长选择性透过薄膜2反射的部分信号光发生干涉，形成干涉光9，并将探测到的超声波信号调制到干涉光9的光功率上。所述第二波长选择性透过薄膜4被沉积到所述波长选择性吸收膜3的表面，用于将透过所述第一波长选择性透过薄膜2的部分信号光7搭载超声信号后作为检测光8反射。
具体地，所述引导光纤1的纤芯直径小于10微米，传输模式为单模传输，信号光7、检测光8和干涉光9在纤芯内传输。所述引导光纤1的内包层直径大于10微米，传输模式为多模传输，第一激励光5和第二激励光6在内包层中传输。更进一步地说明，所述引导光纤1的外包层用于束缚第一激励光5、第二激励光6、信号光7、检测光8和干涉光9，且输入信号光7为窄线宽激光，在超声模式下第一激励光5为波长位于可见光波段的脉冲光或被调制的连续光，在光声模式下第二激励光6为脉冲光或被调制的连续光。
具体地，所述引导光纤1纤芯直径为9微米，内包层直径为105微米，外包层直径为125微米。
具体地，所述第一波长选择性透过膜2和第二波长选择性透过膜4为组成成分相同的介质膜，由折射率不同的材料依次交替沉积组成，对第一激励光5和第二激励光6波长具有高透过性，对信号光7、检测光8和干涉光9波长具有高反射性，且与所述引导光纤1端面和所述波长选择性吸收膜3具有良好的吸附性。
具体地，所述波长选择性吸收膜3的材料为油性色精与杨氏模量在100MPa到100GPa，且具有快速热扩散和高热弹性膨胀系数的聚合物材料的混合物，其质量混合比为1:10～1:100，且色精颜色与超声模式下的第一激励光5颜色互为互补色。该混合物在第一激励光5波段具有高吸收性，在第二激励光6、信号光7、检测光8和干涉光9波长具有高透过性，且对所述第一波长选择性透过薄膜2具有良好的吸附性。所述波长选择性吸收膜3的厚度为1微米到1毫米。
更进一步地说明，本发明还提出了一种制备上述超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头的方法，具体步骤包括：
S1，将引导光纤1的一段切割或打磨平整，使用真空蒸发镀膜的方法将多层硫化锌和氟化镁依次交替沉积到所述引导光纤的平整端面上，形成介质膜，作为第一波长选择性透过薄膜2。
S2，将颜色与超声模式下的第一激励光5颜色互为互补色的油性色精与紫外胶按照质量比1：40混合，并搅拌均匀，形成色精紫外胶混合物。
S3，将引导光纤1具有第一波长选择性透过薄膜2的一端浸入到液态的色精紫外胶混合物中，静置1分钟以10μm/s的速度缓慢提拉出混合物，使用紫外照射光纤端面至吸附在光纤端面上的混合物完全固化，形成波长选择性吸收膜3。
需要说明的是，用紫外灯照射光纤端面的时间为两小时，提拉镀膜结束后将光纤垂直悬挂放置一周使紫外胶获得最大耐热性。
S4，使用真空蒸发镀膜的方法将与第一波长选择性透过薄膜2相同的介质膜沉积到所述波长选择性吸收膜3表面，作为第二波长选择性透过薄膜4。
更进一步地说明，所述第一波长选择性透过薄膜2和第二波长选择性透过薄膜4是多层硫化锌和氟化镁依次交替沉积形成的介质膜，是一种周期性折射率调制的结构，能够对特定波长的光产生高反射率，对另一特定波长的光产生高透射率。通过设计介质膜的参数，使其对第一激励光5、第二激励光6波长具有高透射率，对信号光7波长具有高反射率。当光纤探头工作在超声模式下时，第一激励光5沿引导光纤1透过介质膜，并照射到波长选择性吸收膜3上；当光纤探头工作在光声模式下时，第二激励光6沿引导光纤1透过介质膜和波长选择性吸收膜3，直接照射到待测物体上。同时介质膜对信号光7波长具有高反射率，大部分信号光7被第一波长选择性透过薄膜2反射，反向传输回引导光纤1中，一小部分信号光7会透过第一波长选择性透过薄膜2，并被第二波长选择性透过薄膜4反射，作为检测光8反向传输回引导光纤1中。
图2是本发明中超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头激发和检测超声波的原理示意图，其中图2中的(a)为工作在超声模式下的光纤探头产生超声波的原理示意图，图2中的(b)为工作在光声模式下的光纤探头产生超声波的原理示意图，图2中的(c)为光纤探头检测超声波的原理示意图。
如图2中的(a)所示，光纤探头工作在超声模式下时，向光纤超声探头中注入第一激励光5，第一激励光5透过第一波长选择性透过薄膜2并照射在波长选择性吸收膜3上。掺杂了色精的紫外胶会吸收第一激励光5并升温，由于热弹性膨胀波长选择性吸收膜3会产生向外传播的超声波；如图2中的(b)所示，光纤探头工作在光声模式下时，向光纤超声探头中注入第二激励光6，第二激励光6依次透过第一波长选择性透过薄膜2、波长选择性吸收膜3、第二波长选择性透过薄膜4，并照射在待测物体上，待测物体吸收第二激励光6并由光声效应产生超声波。
如图2中的(c)所示，向光纤超声探头中注入信号光7时，大部分会被第一波长选择性透过薄膜2反射，在引导光纤1中反向传输，一小部分信号光7会透过第一波长选择性透过薄膜2，并被第二波长选择性透过薄膜4反射，作为检测光8反向传输回引导光纤1中。待测超声波作用在第二波长选择性透过薄膜4上导致其压迫波长选择性吸收膜3并使其厚度发生改变，从而改变被第二波长选择性透过薄膜4反射的检测光8的光程，将检测到的超声波信号调制到其相位上。检测光8和被第一波长选择性透过薄膜2反射的部分信号光7在引导光纤1中发生干涉，作为干涉光9在引导光纤1中反向传输，并将检测到的超声波信号调制到干涉光9的光功率上，通过检测干涉光9的光功率，即可完成对超声波信号的检测。
当波长选择性吸收膜3受到超声波作用形变较小时，薄膜厚度变化量d与声压P的关系为：
Figure BDA0003254856360000111
其中E为波长选择性吸收膜3材料的杨氏模量，l为其厚度，λ为信号光77的波长，λa为待测超声波信号的波长。由公式可知，波长选择性吸收膜3厚度的变化与声压大小成正比，且超声波传感灵敏度d/P仅与波长选择性吸收膜3的材料和轴向厚度有关，与其横向结构及尺寸无关，超声探头的尺寸仅取决于引导光纤1的尺寸。因此，使用此结构可以制作超小尺寸的超声探头。
本发明提出的超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头，可运用在不同介质环境中的超声波激发和检测，如水中、空气中及其他液体环境中。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头，其特征在于，包括：引导光纤(1)、第一波长选择性透过薄膜(2)、波长选择性吸收膜(3)和第二波长选择性透过薄膜(4)；所述引导光纤(1)的输出端为平整端面，所述第一波长选择性透过薄膜(2)、所述波长选择性吸收膜(3)和所述第二波长选择性透过薄膜(4)依次覆盖于所述平整端面上；
当所述光纤超声探头工作在超声模式时，所述引导光纤(1)用于引导从其输入端入射的第一激励光(5)传输，第一激励光(5)透过所述第一波长选择性透过薄膜(2)照射到所述波长选择性吸收膜(3)上，被所述波长选择性吸收膜(3)吸收并激发出超声波信号，超声波信号向前传输并被待测物体反射回到光纤超声探头上，通过检测反射回的超声波信号，获取待测物体的图像信息；
当所述光纤超声探头工作在光声模式时，所述引导光纤(1)用于引导从其输入端入射的第二激励光(6)传输，所述第二激励光(6)依次通过所述第一波长选择性透过薄膜(2)、所述波长选择性吸收膜(3)和所述第二波长选择性透过薄膜(4)，被待测物体吸收并产生超声波信号，通过检测所述超声波信号，获取待测物体的图像信息；
所述引导光纤(1)还用于引导从其输入端入射的信号光(7)传输，信号光(7)一部分被所述第一波长选择性透过薄膜(2)反射回引导光纤(1)，另一部分透过所述第一波长选择性透过薄膜(2)和所述波长选择性吸收膜(3)，被所述第二波长选择性透过薄膜(4)反射，搭载探测到的超声波信号并作为检测光(8)返回引导光纤(1)，与被第一波长选择性透过薄膜(2)反射的部分信号光(7)发生干涉，作为干涉光(9)。
2.根据权利要求1所述的收发一体式光纤超声探头，其特征在于，所述波长选择性吸收膜(3)为杨氏模量100MPa至100GPa的聚合物材料与油性色精的混合物，对第二激励光(6)和信号光(7)的波长有90%以上的透过率，对第一激励光(5)的波长有90%以上的光吸收率，用于在超声模式下吸收第一激励光(5)并产生超声波信号，同时使信号光(7)和光声模式下的第二激励光(6)透过；聚合物材料热膨胀系数小于10-4/°C，膜厚度为1μm~1mm；所述油性色精颜色与第一激励光(5)颜色互为互补色，油性色精与聚合物材料的混合质量比在1:10~1:100。
3.根据权利要求1所述的收发一体式光纤超声探头，其特征在于，所述第二波长选择性透过薄膜(4)受到反射回的超声波信号或者待测物体产生的超声波信号的激励，压迫所述波长选择性吸收膜(3)并使其厚度发生变化，变化频率等于超声波信号的频率。
4.根据权利要求3所述的收发一体式光纤超声探头，其特征在于，所述波长选择性吸收膜(3)和第二波长选择性透过薄膜(4)构成法布里-珀罗谐振腔，其腔长随波长选择性吸收膜(3)厚度变化发生改变。
5.根据权利要求1所述的收发一体式光纤超声探头，其特征在于，所述引导光纤(1)为双包层光纤，包括由内而外设置的纤芯、内包层和外包层；
所述纤芯直径为8μm~12μm，在信号光(7)波长的传输方式为单模传输；所述内包层直径为10μm~200μm，在第一激励光(5)、第二激励光(6)波长的传输方式为多模传输。
6.根据权利要求1所述的收发一体式光纤超声探头，其特征在于，所述第一波长选择性透过薄膜(2)和第二波长选择性透过薄膜(4)相同，厚度为500nm~5μm，对信号光(7)波长有90%以上的反射率，对第一激励光(5)、第二激励光(6)波长有90%以上的透射率。
7.根据权利要求1所述的收发一体式光纤超声探头，其特征在于，所述信号光(7)为窄线宽激光，所述第一激励光(5)为波长位于可见光波段的脉冲光或被调制的连续光，所述第二激励光(6)为脉冲光或被调制的连续光。
8.基于权利要求1至7任一项所述的超声、光声双模态收发一体式光纤超声探头的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
当光纤超声探头工作在超声模式下时，第一激励光(5)透过所述第一波长选择性透过薄膜(2)照射到所述波长选择性吸收膜(3)上，被所述波长选择性吸收膜(3)吸收并激发出超声波信号，超声波信号向前传输并被待测物体反射回到光纤超声探头上；
信号光(7)一部分被所述第一波长选择性透过薄膜(2)反射，另一部分透过所述第一波长选择性透过薄膜(2)和所述波长选择性吸收膜(3)，被所述第二波长选择性透过薄膜(4)反射，搭载反射回到光纤超声探头上的超声波信号并作为检测光(8)返回，与被第一波长选择性透过薄膜(2)反射的部分信号光发生干涉，作为干涉光(9)；
检测干涉光(9)的光功率，实现对超声波信号的检测；
当光纤超声探头工作在光声模式下时，第二激励光(6)依次通过所述第一波长选择性透过薄膜(2)、所述波长选择性吸收膜(3)和所述第二波长选择性透过薄膜(4)，被待测物体吸收并产生超声波信号；
信号光(7)一部分被所述第一波长选择性透过薄膜(2)反射，另一部分透过所述第一波长选择性透过薄膜(2)和所述波长选择性吸收膜(3)，被所述第二波长选择性透过薄膜(4)反射，搭载所述超声波信号并作为检测光(8)返回，与被第一波长选择性透过薄膜(2)反射的部分信号光发生干涉，作为干涉光(9)；
检测干涉光(9)的光功率，实现对超声波信号的检测。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62229207A (ja) * 1986-03-31 1987-10-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 受光装置
CN111112035A (zh) * 2019-12-25 2020-05-08 华中科技大学 收发一体式全光超声换能器装置及其制备方法
CN112345459A (zh) * 2020-10-29 2021-02-09 华中科技大学 一种收发一体式光纤超声探头、超声波激发和检测系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050122529A1 (en) * 2003-12-05 2005-06-09 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Measurement system of three-dimensional shape of transparent thin film using acousto-optic tunable filter

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62229207A (ja) * 1986-03-31 1987-10-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 受光装置
CN111112035A (zh) * 2019-12-25 2020-05-08 华中科技大学 收发一体式全光超声换能器装置及其制备方法
CN112345459A (zh) * 2020-10-29 2021-02-09 华中科技大学 一种收发一体式光纤超声探头、超声波激发和检测系统

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