CN115014498B - 一种光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开提出了一种光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，采用基于双光子聚合的3D打印技术，在单模光纤端面上制备光学式超声传感器，传感器几何尺寸小于100微米，超声传感器结构包括圆形连接膜片、弹簧谐振支撑体和圆形反射膜片，其中弹簧和反射膜片组成法布里珀罗谐振腔，外部声压作用于反射膜片上时，声频频较低时，弹簧固有结构特征频率处于低频范围，腔体会随着弹簧带动的膜片发生较大形变；声频较高时，反射膜片结构固有的结构特征频率处于高频范围，腔体长度会随着膜片振动发生变化，通过检测干涉光强变化实现对超声波信号探测，该超声传感器结构能够实现高频和低频超声信号探测，且高频和低频共振频率处灵敏度高。

Description

一种光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件
技术领域
本发明属于光学微纳传感器制备技术领域，尤其涉及一种基于双光子聚合3D打印技术的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件。
背景技术
随着社会科学技术发展，超声传感器涉及到航空寒天、海洋探测、物体成像、地震波检测、生物信号检测、局部放电检测以及无损探伤等领域，相较于电学式超声传感器，基于光学端Fabry-Perot(法布里珀罗)超声传感器体积更小、具有宽带频率响应、探测灵敏度高并且能够有效免疫电磁干扰。
一般基于光纤端法布里珀罗型超声传感器结构利用单模光纤熔接一段毛细玻璃管或空心光纤，在毛细玻璃管或空心光纤端面制备反射薄膜形成法布里珀罗谐振腔体，当超声波声压作用于薄膜时，薄膜将会随着声压发生振动，法布里珀罗腔体的长度随超声波频率变化，通过解调出反射光强恢复出相应超声波信息。但由于此方法是通过熔接工艺来构造法布里珀罗腔体，难以控制法布里珀罗腔体长度。通过减小反射薄膜厚度或者增大反射薄膜有效半径，能够有效提升传感器的声压灵敏度，但是随着有效半径增加会引起传感器的尺寸增大，使用金属、聚合物、石墨烯等薄膜制备反射膜能有效减小膜片厚度，但制备工艺较为复杂，稳定性差并且成本较高。
由于飞秒激光技术逐步发展，基于双光子聚合3D激光直写方法能够实现精度在低于100nm尺度特征的任意三维结构，当飞秒激光聚焦在光敏树脂时，光敏树脂会吸收两个光子能量，在焦点处能量高于阈值时将诱发双光子聚合，聚合光敏树脂固化，经过清洗为固化光敏树脂材料，干燥后得到完整高精度空间分辨率结构。因此利用双光子3D打印技术在光纤端面可以直接制备法布里珀罗式超声传感器，例如，在2016年冯胜飞等人利用双光子3D打印技术在单模光纤端面制备了具有微透镜和光栅波导结构谐振型法布里珀罗型超声传感器，实现了对声频范围内400-2000Hz微弱信号探测，2017年曲士良等人利用双光子3D打印技术在光纤端面打印了具有侧壁支撑方形薄膜法布里珀罗型超声传感器，实现了对声频信号1kHz探测；2020年张阿平等人，利用单光子3D打印技术，在单模光纤端面制备了具有螺旋结构法布里珀罗型超声传感器，实现1MHz超声频率的探测，上述利用3D打印技术在光纤端面制备传感器，能够实现对声频信号或者超声信号探测，但探测频率带宽较窄，探测灵敏度低。为此，可以从反射膜的支撑结构设计角度考虑，提高该传感器的声压灵敏度并且拓宽传感器的带宽，实现超声信号探测。
发明内容
为了解决现有技术制备光学式超声传感器结构尺寸较大，制备工艺复杂，仅适用单一频率范围(高频或低频)，灵敏度低等问题，本发明提出了一种光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件。本发明中采用双光子3D打印技术，在单模光纤的平端面上制备光学式超声传感器，该超声传感器结构具有弹簧和薄膜组成法布里珀罗谐振腔，该腔体长度可以通过调节弹簧长度进行调节。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，包括单模光纤、连接膜片、支撑弹性体和反射膜片；
所述的连接膜片的一个端面固定在单模光纤一端，反射膜片通过若干支撑弹性体与连接膜片的另一端面相连，所述的反射膜片与连接膜片平行，连接膜片、支撑弹性体和反射膜片构成法布里珀罗腔体，所述的法布里珀罗腔体是由3D打印得到的，腔内有环境介质。
作为发明的优选，所述的器件制备方法为基于双光子聚合的3D打印技术。
作为发明的优选，所述的反射膜片、弹性体以及连接膜片的材质均为光固化材料。
作为发明的优选，所述的法布里珀罗腔体为开放式结构。
作为发明的优选，所述的连接膜片和反射膜片为圆形，与所述的单模光纤同轴。
作为发明的优选，所述的支撑弹性体结构为支撑弹簧，由若干所述的支撑弹簧沿连接膜片的中轴线均布。
作为发明的优选，所述的连接膜片厚度为3～10微米，直径为80～120微米。
作为发明的优选，所述的反射膜片厚度为3～10微米，直径为80～120微米。
作为发明的优选，所述的支撑弹簧中径为3～10微米，长度为8～12微米，弹簧匝数为2～10匝，弹簧截面圆半径3-5微米，具有超高精度结构分辨率。
作为发明的优选，所述的法布里珀罗腔体集成在光纤端面。
作为发明的优选，所述的法布里珀罗腔体内的环境介质为气体或液体。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)使用双光子3D打印技术直接在光纤端面打印超声传感器结构体积小，响应频率高且具有定向声压响应特性。
(2)该传感器结构为弹簧膜片式结构，其中弹簧结构不仅起到支撑反射膜片作用，并且利用弹簧压力灵敏特性，弹簧结构固有特征频率为低频范围，通过调节弹簧几何参数满足固有特征频率小于200kHz(低频)，当入射声频等于弹簧固有频率时，传感器低频声压灵敏度最大。
(3)该传感器结构弹簧和反射膜片构成法布里珀罗谐振腔，调节反射膜片厚度和直径控制反射膜片固有谐振频率，膜片厚度、直径分别为5μm和100μm时，对应传感器固有特征频率为600-900kHz(高频)，增加膜片厚度和减小直径使得固有频率增加，当入射声频等于传感器高频固有频率时，传感器高频声压灵敏度最大。
(4)该传感器能够实现同时对高频和低频超声波信号探测，且在高频和低频处具有高声压灵敏性，探测带宽能够有效拓宽。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件的结构示意图；
图2为本发明实施例中的一种光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件的结构俯视图；
图3为本发明实施例中制备传感器结构拍摄SEM图像；
图4为本发明实施例中制备传感器测试实验装置示意图；
图5为本发明实施例中对传感器测试后得到的脉冲响应信号时域图像；
图6为本发明实施例中对传感器测试后得到的脉冲响应信号时域图像对应快速傅里叶变换解调出超声波频率信号；
图7为本发明实施例中对传感器测试后得到的频率为80kHz连续正弦波信号时域图像；
图8为本发明实施例中对传感器测试后得到的800kHz连续正弦波信号时域图像。
图中：1-单模光纤，2-圆形连接膜片，3-支撑弹性体，4-反射膜片。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步说明。
本发明提供了一种光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，由双光子聚合3D打印技术制备得到，打印的超声传感器结构位于光纤端面，其结构紧凑，整体体积尺寸小于100微米，并且利用弹簧和反射膜片的线弹性特性，可同时实现对低频和高频超声波探测。
如图1和图2所示，本发明提出的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件的结构包括单模光纤1、圆形连接膜片2、支撑弹性体3和反射膜片4。其中，所述的连接膜片2、支撑弹性体3、反射膜片4均为打印结构，连接膜片2与单模光纤起到连接作用，保持结构稳定，支撑弹性体3用于支撑反射膜片4，由支撑弹性体和反射膜片构成法布里珀罗谐振腔。
本实施例中，单模光纤1的直径为125微米，使用的商用双光子3D打印机为Nanoscribe公司Professional GTII型号，材料为光敏材料IP-DIP材料，该材料具有较低的杨氏模量，具有较高的声压灵敏度，打印超声传感器的连接膜片2厚度为5～10微米，直径为80～120微米；支撑弹性体采用支撑弹簧结构，数量为4，弹簧参数可以根据所需要探测超声频率进行调整，反射膜片4厚度为3～10微米，直径为80～120微米，同样可以根据所需要探测超声波频率进行调整。
本发明的工作原理是基于多光束干涉原理，其中连接膜片2和反射膜片4构成法布里珀罗开放腔体，当输入光从单模光纤1输入到光纤端面和连接膜片2时，部分光会反射回单模光纤1，将之称为第一反射光；光纤与连接膜片交界面反射率为R1，因此部分光穿过连接膜片2，在连接膜片和空气交界面同样会发生发射，但反射光强度微弱可以忽略不计，前向透射光传播时会在空气与反射膜片4处反射并进入单模光纤1，将之称为第二反射光，空气与反射膜片交界面反射率为R2；第二反射光与第一反射光进行干涉，干涉反射光强度IR表达式如下式所示。
Figure BDA0003674407760000041
其中，I0表示入射信号光强度，n表示法布里珀罗腔体内部折射率，λ表示信号光波长，L表示法布里珀罗腔体长度。
当谐振腔内折射率和入射光波长保持不变时，外部超声压力作用于反射膜片4，弹簧和反射膜片会发生变形，改变法布里珀罗腔体长度L，对应反射光强发生变化，通过解调出相应光强，能够有效地解调出超声波信号强度和频率信息。
由于不同结构具有不同的共振频率信息，对于弹簧结构而言，支撑弹簧结构特征频率是处于低频振动特性，弹簧结构共振频率表达式为公式(2)，对于反射膜片，具有较高的高频振动特性，反射膜片共振频率表达式为公式(3)，对于不同超声波频率，当输入超声波频率为低频时，能够利用弹簧的低频响应，实现低频率信息探测，且弹簧形变量较大，探测灵敏度高；当输入超声波频率为高频信号时，利用反射膜片的高频振动特性，实现对高频信号的探测，但探测灵敏度降低，即该超声传感器能够实现同时对超声信号高频信号分量和低频信号分量的测量。
Figure BDA0003674407760000051
Figure BDA0003674407760000052
其中，f1表示单根弹簧最低阶共振频率表达式，rs表示弹簧截面圆半径，R表示弹簧中径，nt表示弹簧有效匝数，f2表示反射膜片最低阶共振频率表达式，h表示膜片厚度，rm表示膜片半径，ρ表示材料密度，v表示材料泊松比，E表示材料杨氏模量。
本实施例中的连接膜片与单模光纤起到连接作用，还可以根据实际需求设置柱形底座，可将连接膜片嵌入柱形底座内。如图3为制备传感器结构示意图，其中底座结构为圆形底座，底座直径为100微米，连接膜片厚度为10微米，弹簧结构的弹簧截面圆直径为6微米、中径6微米、匝数为5、轴向间距为10微米，反射膜片4厚度为5微米，直径为100微米。
本发明的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件通过调节传感器结构的几何尺寸，可以有效拓宽传感器的频率响应带宽，其中调节弹簧的几何参数即弹簧半径、中径、匝数、轴向间距参数，可以调整该超声传感器在低频情况下对应超声频率响应范围和声压响应灵敏度，通过调节圆形反射膜片几何参数即膜片厚度和直径，能够调整改超声传感器在高频情况下对应超声频率响应范围。
为了对本实施例中制备得到的超声传感器频率响应特性进行测试分析，搭建了图4所示实验装置，由超声声源部分、光学超声传感器部分和数据处理部分三部分构成。所述的超声声源部分由信号发生器和超声换能器构成，本实施例中采用压电换能器；所述的光学超声传感器部分由可调谐激器、光纤环形器、光纤端弹簧膜片式法布里珀罗超声传感器、光电探测器和示波器构成；所述的数据处理部分包括数据采集器和电脑组成。
将种光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件和超声换能器置于水箱中，用于测试水中的超声波信号。将信号发生器连接至水箱内的压电换能器，压电换能器产生超声波信号，超声波信号类型由信号发生器的输入决定；可调谐激光器输出单一波长的激光，通过光纤环形器到达光纤端弹簧膜片式法布里珀罗超声传感器，传感器接收到超声波信号后，传感器反射信号光通过环形器返回，并由光电探测器接收，通过光电探测器将反射光信号转换为电信号并在示波器上显示；同时通过数据采集器获取示波器上显示的数据进行处理，恢复采集到的超声波信号信息。
本实施例中，利用图4所示的实验装置测试传感器频率响应带宽，信号发生器输入脉冲信号，将传感器与超声换能器正对放置，间隔可设置为1-10cm之间，超声换能器发出的超声波经过水域传输到达传感器，引起反射膜片变形振动，由于法布里珀罗腔体长度发生变化，传感器反射信号光强发生对应变化，经过环形器后传输到光电探测器上，通过示波器得到如图5所示为接收到冲击信号后时域图像，对接收到冲击信号频率分量进行分析，将采集到的冲击信号进行快速傅里叶变换后，得到各频率分量如图6所示，结果表明该传感器具有宽带的频率响应带宽，且存在一个低频特征频率分量(114kHz附近)和两个高频特征频率分量(687kHz和840kHz附近)，其中，低频特征频率分量是利用弹簧结构振动探测得出，两个高频特征频率分量利用反射膜片结构振动探测，并且在三个特征频率附近处的幅度大小，即对应声压灵敏度，远高于其他频率处声压灵敏度，且能够稳定接收2MHz单频连续正弦波信号。
同样利用图4所示实验装置，测试传感器在单频超声波频率下响应，实验中信号发生器输入固定频率连续正弦波信号，将传感器与超声换能器正对放置，间隔可设置为1-10cm之间，信号发生器产生连续的正弦波信号输入到超声换能器上，超声换能器产生超声波经过水域后到达光纤端面超声传感器，引起反射膜片变形振动，由于法布里珀罗腔体长度发生变化，传感器反射信号光强发生对应变化，经过环形器后传输到光电探测器上，利用示波器记录采集到超声波信号，如图7和图8分别对应超声波对应80kHz和800kHz正弦波信号时域波形，该结果表明该传感器具有准确的探测单一频率超声波对应的频率信息。
为了达到说明和描述的目的，本发明提供了前述的关于本发明的说明性示例。这并非旨在详尽地叙述本发明或将本发明限制为所叙述的精确形式，可根据上述说明可以进行修改和变更。选择和描述实施例是为了解释本发明的原理，并且作为本发明的实际应用，以使本领域技术人员能够在各种实施例中使用本发明，并且进行特定用途的各种修改。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，其特征在于，包括单模光纤（1）、连接膜片（2）、支撑弹性体（3）和反射膜片（4）；
所述的连接膜片（2）的一个端面固定在单模光纤（1）一端，反射膜片（4）通过若干支撑弹性体与连接膜片（2）的另一端面相连，所述的反射膜片（4）与连接膜片（2）平行，连接膜片（2）、支撑弹性体（3）和反射膜片（4）构成法布里珀罗腔体，所述的法布里珀罗腔体是由3D打印得到的，腔内有环境介质。
2.根据权利要求1所述的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，其特征在于，所述器件的制备方法为基于双光子聚合的3D打印技术；所述的反射膜片、弹性体以及连接膜片的材质均为光固化材料。
3.根据权利要求1所述的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，其特征在于，所述的法布里珀罗腔体为开放式结构。
4.根据权利要求1所述的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，其特征在于，所述的连接膜片（2）和反射膜片（4）为圆形，与所述的单模光纤（1）同轴。
5.根据权利要求1所述的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，其特征在于，所述的支撑弹性体为支撑弹簧，由若干所述的支撑弹簧沿连接膜片的中轴线均布。
6.根据权利要求1所述的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，其特征在于，所述的连接膜片厚度为3~10微米，直径为80~120微米。
7.根据权利要求1所述的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，其特征在于，所述的反射膜片厚度为3~10微米，直径为80~120微米。
8.根据权利要求5所述的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，其特征在于，所述的支撑弹簧中径为3~10微米，长度为8~12微米，弹簧匝数为2~10匝，弹簧截面圆半径3-5微米。
9.根据权利要求1所述的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，其特征在于，所述的法布里珀罗腔体集成在光纤端面。
10.根据权利要求1、3或9所述的光纤谐振式法布里珀罗超声传感器件，其特征在于，所述的法布里珀罗腔体内的环境介质为气体或液体。
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