CN115463816B - 一种光纤超声发射装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热空化效应的光纤超声发射装置及制备方法，光纤超声发射装置包括加热光源、传输光纤、光吸收溶液、空心封装管和薄膜，光吸收溶液注入空心封装管内部后，将传输光纤末端封装在空心封装管中，该光纤一侧与加热光源相连，另一侧端面浸于光吸收溶液中，制备方法首先利用一束连续激光加热光纤端面处的光吸收溶液，诱导光吸收溶液产生热空化效应，进而在光纤端面发射出高强度超声脉冲。本发明使用低成本连续激光产生宽带、高强度超声脉冲，无需空间光对准，成本低、制备简单。本发明公开的光纤超声发射装置的光纤结构体积小，使用方便，在传统电学传感器难以进入的狭窄空间在工业检测与生物内窥成像方面具有应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及超声信号发生领域，具体涉及一种基于热空化效应的光纤超声发射装置及制备方法。
背景技术
超声信号由于其无辐射，无损伤且可实时监测等特性，广泛用于医疗成像，金属清洁、探伤等领域，传统超声发射装置通过压电陶瓷将电磁振荡转换为机械振动，进而产生超声波。这种超声发射装置不但易受电磁干扰影响，而且由于体积庞大，难以完成对狭窄空间的检测。因此，针对狭窄空间中的超声发射装置，常采用的超声发射方法主要基于光声效应的光学超声发射。一种方法是采用激光脉冲瞬时加热固体光吸收材料，引起材料周期性地收缩和膨胀而产生超声脉冲。然而超声强度与材料的光通量和光吸收系数成正比，需要昂贵的脉冲激光器来产生高强度的超声脉冲。高功率脉冲激光容易损伤光吸收材料，不仅限制了可获得的超声脉冲强度，也增加了器件成本。同时，采用单一光吸收材料往往不足以产生足够强度的超声，需要在光吸收材料表面再修饰一层柔性材料，从而放大激光加热引起的周期性机械形变。此外，精准控制各层材料的厚度并保证复合材料薄膜的均匀性与一致性，也极大增加了器件的制备难度与成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决在狭窄空间中，需要高强度超声脉冲信号时，所用高功率的脉冲激光器价格昂贵，且采用的光吸收材料制备难度高，增加了超声发射技术的成本问题，提供一种基于热空化效应的光纤超声发射装置及制备方法。
本发明的第一个技术目的通过采取如下技术方案达到：
一种基于热空化效应的光纤超声发射装置，所述光纤超声发射装置包括：加热光源、传输光纤、光吸收溶液、空心封装管和薄膜，所述光吸收溶液注入空心封装管内部后，将传输光纤末端通过薄膜封装在空心封装管中，所述传输光纤一侧与加热光源相连，另一侧端面浸于光吸收溶液中。
进一步地，所述加热光源为低成本的单波长连续激光器，波长位于可见光到近红外波段，其中心波长根据光吸收溶液的吸收光谱峰值波长来选取。
进一步地，所述传输光纤可以单独地由单模光纤构成，也可以由渐变折射率光纤、微结构光纤与单模光纤焊接而成。由光纤传导至光吸收溶液的激光，被溶液吸收后产热引起光纤端面与溶液界面附近液体升温，引起溶液相变产生空化，发射出超声波。
进一步地，所述光吸收溶液可以为吸收峰在980nm的硝酸铜溶液，也可以是吸收峰在808nm的硫酸铜溶液。通过控制加热光源输出功率与溶液浓度来改变发射超声波的强度、频带与重复频率等特性参数。
进一步地，所述空心封装管采用薄膜密封从而隔绝光吸收溶液与外部环境，薄膜具有较好的声透射系数，保证空心管内溶液空化产生的超声能够最大效率的传出。空心封装管一端通过粘合剂密封并固定传输光纤，另一端与薄膜的封装方式可分为两种：一种是薄膜直接密封空心封装管端面，此时产生的超声脉冲由空心封装管端面出射；另一种封装方式是空心封装管端面通过粘合剂密封，在空心封装管侧壁开口并由薄膜密封，此时产生的超声脉冲由空心封装管侧面出射。
本发明的第二个技术目的通过采取如下技术方案达到：
一种光纤超声发射装置的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、切割并清洁传输光纤端面；
S2、将光吸收溶液注入空心封装管中，并利用薄膜封口；
S3、将传输-渐变折射率光纤封装入空心封装管中；
S4、通入加热光源，利用一束连续激光加热传输光纤端面处的光吸收溶液，诱导光吸收溶液产生热空化效应，进而在输光光纤端面发射出高强度超声脉冲。
进一步地，所述步骤S1中，选择单模光纤作为传输光纤，预先在单模光纤一侧熔接微结构光纤或渐变折射率光纤以调节所产生超声信号。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明公开的光纤超声发射装置结构上仅由传输光纤与光吸收溶液封装而成，在保证产生超声脉冲参数可调的同时，消除电磁干扰影响，降低装置直径，能够适用于诸如血管，金属裂隙等狭窄空间中。同时利用单波长连续激光器作为激光光源，减少高功率连续激光器对器件带来的损伤，不再需要用柔性材料放大激光加热引起的周期性形变，进一步降低了装置制作工艺复杂程度以及成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例中公开的一种基于热空化效应的光纤超声发射装置的结构图；
图2是本发明实施例中公开的一种基于热空化效应的光纤超声发射装置的测试结果图；
图3是本发明实施例中公开的一种基于热空化效应的光纤超声发射装置的制备方法流程图。
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1
图1是本实施例提供的一种光纤超声发射装置的一种方案，如图1所示，该超声发射系统包括：加热光源1、传输光纤2、光吸收溶液3、空心封装管4、薄膜5，其中，传输光纤输入端与加热光源1相连，输出端位于空心封装管4中，空心封装管4内注满光吸收溶液3，采用紫外固化胶将传输光纤固定于空心封装管4内，空心封装管4另一端由薄膜5密封，作为超声出射窗口。
本实施例中，加热光源1采用低功率980nm的连续波长激光器，功率值从0-100mW可调。加热光由传输光纤2的输入端耦合并传输至吸收溶液3。传输光纤2采用普通单模光纤，其端面由光纤切割刀切割从而保证端面的平整。光吸收溶液3采用饱和的硝酸铜溶液，浓度约为1.3g/mL，在980nm附近具有较大的光吸收系数(～130cm-1)。当加大980nm激光功率至～80mW，光吸收溶液3在激光加热下升温并产生空化现象。在这个过程中，光吸收溶液吸收光产生热量Q并同时形成热扩散，二者导致的温度T相对于时间的偏微分可以由下式表达：
式中密度ρ、C、k分别为光吸收溶液的密度、比热容以及热导率系数。因此，不同加热光功率会引起端面附近的溶液温度变化速率不同，进而改变产生空化过程中形成微泡的速率、体积，使微泡空化爆炸时产生的超声脉冲具有不同的强度、频带与重频参数。
本实施例中，空心封装管4为特氟龙管，一端通过紫外固化胶将传输光纤2固定并密封于管内，另一端在向空心管内注满光吸收溶液3后，利用聚乙烯薄膜封住端口并利用紫外固化胶沿管四周将端口完全密封。由于聚乙烯薄膜厚度薄且声阻抗与水较为接近，声损耗与反射弱，有助于提高空化过程中产生的超声脉冲透过率，保证超声发射强度。通过改变加热光源1输出980nm加热光的光功率，有公式(1)可控制发射超声的强度与频率参数。图2是采用80mW的980nm加热光参数时产生超声脉冲的实验测试结果，通过商用针型水听器标定，可推算出本实施例中的光纤超声发射装置发射超声的声压在300-400kPa，对测得时域信号做傅里叶变换后可推算出对应的频带在0-20MHz范围，满足超声成像以及检测相关应用的需要。
针对部分应用需要超声侧面出射而非上述端面出射的情况，空心封装管4可侧壁开口，两端均由紫外胶密封，而侧面开口由聚乙烯薄膜于紫外胶进行密封，作为超声侧面出射窗口。由于空化产生的超声波具有球面发射特性，调整空心封装管4中传输光纤2的位置，使光吸收溶液空化位置位于窗口中心，从而提升超声发射效率。
实施例2
本实施例继续公开上述实施例中一种光纤超声发射装置的制备方法，如图3所示，该制备方法包括以下步骤：
S1、切割并清洁传输光纤端面；其中，选择单模光纤作为传输光纤，预先在单模光纤一侧熔接微结构光纤或渐变折射率光纤以调节所产生超声信号。
S2、将光吸收溶液注入空心封装管中，并利用薄膜封口；
S3、将传输-渐变折射率光纤封装入空心封装管中；
S4、通入加热光源，利用一束连续激光加热传输光纤端面处的光吸收溶液，诱导光吸收溶液产生热空化效应，进而在输光光纤端面发射出高强度超声脉冲。
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 (8)
1.一种基于热空化效应的光纤超声发射装置，其特征在于，所述光纤超声发射装置包括：加热光源、传输光纤、光吸收溶液、空心封装管和薄膜，所述光吸收溶液注入空心封装管内部后，将传输光纤末端通过薄膜封装在空心封装管中，所述传输光纤一侧与加热光源相连，另一侧端面浸于光吸收溶液中；
当光吸收溶液吸收加热光源发出的激光后，传输光纤端面与光吸收溶液界面附近液体相变并产生空化，空化过程中伴随微泡的迅速破裂收缩，发射出超声脉冲；当激光持续加热光吸收溶液时，上述过程周期性重复，形成超声脉冲序列；
所述加热光源为连续激光器，连续激光器的波长位于溶液吸收波段范围内，是可见光、近红外或红外光；所述光吸收溶液是吸收峰在980nm的硝酸铜溶液或是吸收峰在808nm硫酸铜溶液。
2.根据权利要求1所述的光纤超声发射装置，其特征在于，所述传输光纤由单模光纤构成，或者由渐变折射率光纤、微结构光纤与单模光纤焊接而成。
3.根据权利要求1所述的光纤超声发射装置，其特征在于，所述空心封装管采用由聚合物、玻璃管或金属构成的固体材料，内径0.1-1mm。
4.根据权利要求1所述的光纤超声发射装置，其特征在于，所述薄膜材料是硅胶或聚乙烯。
5.根据权利要求1所述的光纤超声发射装置，其特征在于，一种封装方式是空心封装管一端通过粘合剂密封，并固定传输光纤，另一端由薄膜密封，产生的超声脉冲由空心封装管端面出射；另一种封装方式是空心封装管两端均通过粘合剂与薄膜密封，空心封装管侧壁开口并由薄膜密封，产生的超声脉冲由空心封装管侧面出射。
6.根据权利要求1所述的光纤超声发射装置，其特征在于，通过改变加热光源激光功率以及设计传输光纤的结构和参数，调节光纤超声发射装置所产生超声脉冲的强度、带宽和重频参数。
7.一种根据权利要求1至6任一所述的光纤超声发射装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1、切割并清洁传输光纤端面；
S2、将光吸收溶液注入空心封装管中，并利用薄膜封口；
S3、将传输-渐变折射率光纤封装入空心封装管中；
S4、通入加热光源，利用一束连续激光加热传输光纤端面处的光吸收溶液，诱导光吸收溶液产生热空化效应，进而在输光光纤端面发射出高强度超声脉冲。
8.根据权利要求7所述的光纤超声发射装置的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，选择单模光纤作为传输光纤，预先在单模光纤一侧熔接微结构光纤或渐变折射率光纤以调节所产生超声信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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