CN114279620A

CN114279620A - 多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统及方法

Info

Publication number: CN114279620A
Application number: CN202111563904.1A
Authority: CN
Inventors: 陆小珊; 田岚; 刘炜
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-04-05

Abstract

本发明公开了一种多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统及方法，系统包括：待测脉冲光激光源，其可产生不同光参量的脉冲光；光纤，其用于传输脉冲激光信号；压力传感器，其感应通过光纤导出的待测脉冲光激光源的单个弱脉冲光产生的压力，且将压力转换为电信号；信号放大模块，其对压力传感器输出的电信号进行放大；信号采集模块，采集放大后的信号；数据存储处理模块，可将采集的数据加以存储，经统计分析，绘制各种测量结果的可视化图表，进行定性定量分析。

Description

多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统及方法

技术领域

本发明属于声学、光学、生物医学工程、电子测量等领域，具体涉及一种多光谱不同参量脉冲激光在微米级的光致压力的测量系统及特性分析方法。

背景技术

脉冲光信号可产生压力。而且生命科学已证实，生物体细胞存在多种对压力敏感的生命现象。因此，弱脉冲光的压力效应可在生物医学工程上对目标生物细胞或组织相关功能和生命活动进行干预调控，例如，光可诱发调控神经细胞的活动。然而，光对生物体细胞的干预调控，是一种在保证生物体细胞正常活性、不破坏其生理功能的物理调控，因此光的能量强度不应过大，须在目标生物组织正常耐受范围内。另外，光刺激可聚焦在微米级尺度范围，具有调控单细胞活动的可能。因此，用光干预调控细胞组织时，在空间选择上比其他物理刺激(如：电刺激)可能更具优势。然而，脉冲光信号的参量有多种，如：光波段、光脉宽、脉冲光强等，该光致压力(即压力)效应与光参量有何关系，或不同参量的脉冲光致压力响应特性如何，这需要在适当测量条件下对不同参量的脉冲光所产生的压力效应进行系统测量和分析。但是，目前未见多光谱多参量微尺度(如：几十至几百微米)的弱脉冲光致压力效应的测量系统和分析方法。该测量及参量特性分析是研究光调控有压敏效应的细胞组织特性所必需的，以选定最佳脉冲光参量，同时，为研究光与生物组织相互作用有关机制也提供了实验平台和分析依据。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统及特性分析方法。本发明利用脉冲光能产生压力波的现象，通过压力传感器进行测量，将脉冲光产生的压力转换为相应的电参数并进行采集分析。为获得微尺度的脉冲光的光致压效应，以光纤耦合光信号输出，用三维调节定位装置控制微光斑与压力传感器间的距离和位置，进而获得光致压力效应的测量数据。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提出了一种多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统，包括：

用光纤耦合输出光的多光谱多参量可调的脉冲光源，其可产生不同光参量的脉冲光；

光纤，其用于传输脉冲激光信号；

压力传感器，其用于感应通过光纤导出的待测脉冲光激光源的单个弱脉冲光产生的压力，且将压力转换为电信号；

信号放大采集器，其对压力传感器输出的电信号进行放大采集；

数据存储处理模块，将采集的数据加以存储，经统计分析，绘制各种测量结果的可视化图表，进行定性定量分析。

作为进一步的技术方案，本系统还包括三维定位调节装置，其调整和固定光纤端口与压力传感器的距离、光斑和作用区域，并保持每组测量时该位置固定不变。

第二方面，本发明还提出了一种利用所述的多光谱微尺度弱脉冲光致压力测量系统进行光致压力检测及分析的方法，包括以下步骤：

(1)将多光谱多参量可调的脉冲光源的待测光调整为连续光输出，采用光功率计在固定的距离下，对其输出的光能量进行校准测量和等级标定；

(2)连接多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统的各个装置；

(3)将光纤与压力传感器固定在三维定位调节装置上，通过三维定位调节装置调节光纤端口与压力传感器界面的位置和距离，使其辐照光斑面积符合测量需要，然后固定；选定待测脉冲光的波长，设定其它光参量，开始测量；

(4)设定测量中脉冲光参量固定的量，根据需要，逐渐调节可变参量的等级，以切换不同光信号的测量条件；

(5)通过压力传感模块实时感应光致压力的大小，由信号采集模块、数据存储处理模块对采集到的数据进行处理、保存；

(6)在不同参量脉冲光致压力测量完毕后，采用固定变量法，分析脉冲光致压力响应特性。

本发明产生的有益效果如下：

1.该系统可灵活设置和调节各种脉冲参量激光输出，可变参量有波长、脉宽、光强、重复率、定时。脉冲光由微米级口径光纤耦合输出，用灵敏压力传感器对多光谱(波段)不同参量的脉冲光致压力进行系统测量和特性分析，可获得特定条件下微尺度光斑致压力的相关数据和变化关系，可为优选光控压敏生物组织活动的最佳光参量提供测量依据。

2.该系统测量方法可提供可视和可听的直观测量数据展现和分析，可在同步看到实测数据曲线的同时能听到采得的压力数据转换的声音信号。此外，还可对存储的数据开展多种方式统计分析，以获得光致压力与各参量变化关系的曲线，分析不同光参量下光压力效应响应特点。

附图说明

图1为测量系统整体结构框图。

图2为实际测量多波段脉冲光光致压力的声波。

图3为实际测量多波段脉冲光光致压力测量统计结果；

图4为单脉冲光致压力随波段变化特性的分析示意图；

图5为单脉冲光致压力随脉宽变化特性的分析示意图；

图6为单脉冲光致压力随光强变化特性的分析示意图；

图7为针对不同波段的单脉冲光致压力随脉宽的响应特性示意图；

图8为针对不同波段的单脉冲光致压力随光强的响应特性示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，本发明中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本发明中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

本实施例公开的多光谱微尺度弱脉冲光致压力测量系统，对应的系统结构框图如图1所示，其包括用光纤耦合输出光的多光谱多参量可调的脉冲光源、压力传感器、信号放大采集器、三维调节定位模块(调节光纤端口和传感器位置)和数据存储处理模块；

其中，用光纤耦合输出光的多光谱多参量可调的脉冲光源，其可产生不同光参量的脉冲光；

光纤，其连接多光谱多参量可调的脉冲光源和压力传感器，用于传输脉冲激光信号；

压力传感器，其感应通过光纤导出的采集待测脉冲光激光源的单个弱脉冲产生的压力，且将压力转换为电信号；

数据存储处理模块分为：存储、可视分析和可听分析部分。可视分析部分可将采集的数据做统计分析，绘制各种图或表；可听分析部分可将采集的数据转换为声音信号实现直观声音播放，记录光致压力的测量结果。

上述系统中，在较弱光强作用下(即确保生物组织正常活性不受破坏条件下，如：某波段单个脉冲光强度不超过10mJ/mm²)，压力传感器可稳定准确地将光所产生的压力变化转换为对应电参量(如：电压)，经信号放大模块调整，再进行信号采样，最终将数据传到存储和处理模块，经统计分析可得出不同光参量的脉冲光光致压力响应特性。

为保证生物组织正常活性不受破坏，所用光在各波段输出的单脉冲光强度较弱，(如，不超过10mJ/mm²)，所用压力传感器在一定测量范围可稳定准确将光所产生的压力值转换为对应电量(如：电压)，经信号放大、采集模块，完成压力感应值采样，并将数据传到存储和处理模块，经统计分析可得出不同光参量的下脉冲光致压力响应特性。

为了能够测量在微尺度下的光致压力，采用光纤耦合输出脉冲激光信号，调整光纤输出端口与压力传感器之间的距离，可改变光斑大小。光纤光斑计算公式如下：

S＝π(D×NA)²

其中，S是光斑面积，π是圆周率，D是光纤输出口和传感器表面间的距离，NA是所用光纤的数值孔径(注：不是裸纤直径)。如：采用裸纤直径＝100μm的光纤，其数值孔径为NA＝0.22，光纤端口距离压力测量传感器约1mm时，根据光斑计算公式，脉冲光辐照在压力传感器的光斑面积为：0.152mm²。

本实施例还提供了一种利用上述系统进行相应测量和特性分析的方法，采用光功率计对待测各波段的各级光强信号进行校准和标定，记录光强值在测量区间(如：0至10mJ/mm²)与各设定值之间的对应关系。随后利用三维定位仪调节压力传感器和光源的输出光纤端口的距离和位置，符合测量要求(例如，间隔1mm)，并固定。然后，设置和选定要测量的脉冲激光其它具体参量，即光波段、光脉宽、定时、脉冲重复率。随后，启动传感器后端信号放大和采集模块、数据存储处理模块。上述准备完毕，便开机启动脉冲光源发出光信号，并照射压力传感器，同时逐级调增脉冲光强，测量采集光致压力的变化数据，对应的详细步骤如下：

(1)光强校准：首先，将待测光光源调整为连续光输出，以固定间距(如，紧贴输出端口)，用光功率计对各波段光源的输出光强进行校准和各光强等级标定。

(2)设备连接：按照图1所示结构连接关系，对测量用到的多种设备进行连接，即将带有标准法兰接口的光纤与脉冲激光光源耦合连接，压力传感器与信号放大器连接，信号放大器与信号采集模块连接，信号采集模块与数据存储和可视可听分析模块连接。

(3)三维调节与固定：将光纤与传感器模块固定在三维定位仪上，通过三维定位调节，使光纤输出光端口与压力传感器界面的位置和距离符合测量要求(如：1mm)，然后固定。

(4)测量参量设置与调节。设定本次测量中脉冲光参量固定的量，可选的固定参量有：光波段、光脉宽、脉冲光强、脉冲重复率。测量中，根据需要，逐渐调节可变参量的等级，可变参量可选的有：光波段、光脉宽、脉冲光强、脉冲重复率，以切换不同光信号的测量条件。

(5)压力信号测量和数据采集：通过压力传感模块实时感应光致压力的大小，如图1所示，由信号采集模块、数据存储及可视可听分析模块对采集到的数据进行保存，并通过可视可听处理模块绘成相应测量结果图表(如：图2、图3)，同时采集到的数据可通过音频播放设备进行监听。

(6)不同参量的脉冲光致压力特性分析方法：在不同参量脉冲光致压力测量完毕后，采用固定变量法，分析脉冲光致压力响应特性。

例如：(1)对于单脉冲光致压力随波段变化特性的分析。需将不同波段的脉冲光的脉宽、光强和重复率固定的条件下统计相应的测量结果，绘制相关图形，如图4。

(2)对于单脉冲光致压力随脉宽变化特性的分析。需将不同脉宽参量下各脉冲光的波段、光强和重复率固定的条件下，统计相应的测量结果，绘制相关图形，如图5。

(3)对于单脉冲光致压力随光强变化特性的分析。需将不同光强参量下各脉冲光的波段、脉宽和重复率固定的条件下，统计相应的测量结果，绘制相关图形，如图6。

(4)对于不同波段的单脉冲光致压力随脉宽或光强的响应特性(如图7、图8)，可通过图4、图5、图6的结果合并统计数据，绘图得到。

通过图1所示数据分析处理模块，对不同参量(如：光强、波段等)的脉冲激光的光致压力响应关系作上述分析，得出相应的测量分析结果，如，图4、图5、图6、图7、图8。

具体的实施例：

在具体实施过程中，以测量453nm、638nm、810nm三种波段的脉冲光致压力测量为例,实施了本发明，所述方法包括以下步骤：

1.光源的光功率(即光强)校准

将待测各波段脉冲光源设定为连续光输出，连接输出光纤(如：裸纤直径＝100μm，0.22NA)，将输出光纤与光功率计固定在三维定位仪上，并使得两者之间相距1mm，进行光源的平均功率测量，根据测量结果校准不同刻度下的脉冲激光器输出功率。

2.设备连接与固定

按照图1所示测量系统结构，将设备相互连接。将脉冲光源连接输出光纤，然后将光纤固定至三维定位仪的一端，将压力传感器模块(如：CRY362传感器和CRY510前端放大器)固定在另外一端，并使得脉冲光通过光纤直接照射到压力传感器检测界面，且光纤出口离传感器测量界面约1mm。将传感器模块与信号采集模块通过同轴电缆进行连接，随后通过USB接口送达数据存储部分和可视化分析模块(带有专用处理软件的电脑)。

3.信号采集与数据测量

设置脉冲光的脉宽为200μs重复率10Hz，开启三种光源，分别以不同的平均输出功率(如：300mW、600mW、900mW)依次照射到传感器的测量界面，通过传感器采集不同功率强度下光致压力，并将采集数据传输至数据存储和分析模块。随后，以相同的重复率、某固定光强，在不同的脉宽等级下(如：脉宽分别为100μs、300μs、400μs、500μs等)，重复上述测量过程。

4.数据可视化及分析

在上述数据采集中，数据处理模块可将采集数据转换成音频数据进行播放和波形显示处理。该模块将不同参量下测量结果进行可视化记录和对比分析，用于观测测量结果的差异。

Claims

1.多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统，其特征在于，包括：

光纤，其用于传输脉冲激光信号；

压力传感器，其感应通过光纤导出待测脉冲光激光源的单个弱脉冲光产生的压力，且将压力转换为电信号；

2.如权利要求1所述的多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统，其特征在于，还包括三维定位调节装置，其调整和固定光纤端口与压力传感器的距离、光斑和作用区域，并保持每组测量时该位置固定不变。

3.如权利要求1所述的多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统，其特征在于，所述的光参量包括光波长、脉冲光强、脉宽、脉冲重复率、光照定时。

4.如权利要求1所述的多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统，其特征在于，所述的光纤为端口直径微米级光纤。

5.如权利要求1所述的多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统，其特征在于，所述的数据存储处理模块，可将实时采集的压力数据转换成可听的声音信号，能在线或离线播放，直观测听光致压力的响应变化。

6.一种利用权利要求1-5任一所述的多光谱多参量微米级脉冲光致压力检测系统进行光致压力检测及分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的光致压力检测及分析的方法，其特征在于，所述的固定参量包括：光波段、光脉宽、脉冲光强和脉冲重复率；所述的可变参量包括光波段、光脉宽、脉冲光强和脉冲重复率，以切换不同光信号的测量条件。

8.如权利要求6所述的光致压力检测及分析的方法，其特征在于，对于单脉冲光致压力随波段变化特性的分析，将不同波段的脉冲光的脉宽、光强和重复率固定的条件下统计相应的测量结果。

9.如权利要求6所述的光致压力检测及分析的方法，其特征在于，对于单脉冲光致压力随脉宽变化特性的分析，将不同脉宽参量下各脉冲光的波段、光强和重复率固定的条件下，统计相应的测量结果。

10.如权利要求6所述的光致压力检测及分析的方法，其特征在于，对于单脉冲光致压力随光强变化特性的分析,将不同光强参量下各脉冲光的波段、脉宽和重复率固定的条件下，统计相应的测量结果。