CN116164831A - 一种基于弹簧谐振器的光纤超声传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于弹簧谐振器的光纤超声传感器及其制备方法，包括：单模光纤、弹簧谐振器。单模光纤包括纤芯和单模光纤端面，用于接收入射光，在单模光纤端面上进行反射，获得第一反射光程，并将相邻的入射光传输到弹簧谐振器；弹簧谐振器包括环形底座、弹簧、圆柱波导以及微盘，用于接收单模光纤传输过来的相邻的入射光，在微盘的端面上进行反射，获得第二反射光程；当声波作用在弹簧谐振器上时，第一反射光程和第二反射光程间的光程差发生变化，产生光信号调制对声波进行传感。本发明用于解决现有的光纤超声传感器体积过大、灵敏度不高以及制备过程复杂的技术问题，从而达到研发出一种小型化、灵敏度高且易于制造的光纤超声传感器的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光纤超声传感器技术领域，具体涉及一种基于弹簧谐振器的光纤超声传感器及其制备方法。
背景技术
光纤超声传感器通过检测光纤内传输光的强度、波长、相位、偏振态等参数感知超声波的相关信息，相比于传统的电类超声换能器，光纤超声传感器能够实现宽频带超声波信号的高灵敏探测，且其良好的抗干扰能力和复用性，可有效地提高超声波探测的可靠性和效率，在水下国防安全、生物成像、无损探伤、地震物理模型成像等领域具有巨大的应用潜力。目前，按照类型对光纤超声传感器进行区分共有功能型、非功能型、拾光型等三种。
(1)功能型
光纤对外界信息有着敏感的感知能力，因此常被用作传感元件，从而形成兼具传输和感应为一体的传感器。光纤除了可以传输光，还可以在弯曲或者相变等因素的影响下，改变其相位、偏振态等光学特性，让传感这项功能得以实现。
(2)非功能型
这类型的光纤超声传感器只具备传输光的功能，在对外界信号的感应上相对欠缺，只是通过其功能元件的物理性能实现对外的“感应”。这类型的光纤不连续，对技术的要求不高，实现功能的方式简单且耗费的成本很少，但是其灵敏度性相对较低，因此适用于一些对灵敏度要求不高的领域。
(3)拾光型
这类传感器使用了光纤探头，其接收的光信号来自于被测对象的反射。拾光型超声传感器最为典型的应用就是光纤激光多普勒速度计。目前光纤超声传感器受到了越来越多的关注，并且在很多领域都获得了良好应用。
光纤超声传感器的应用主要有以下方面：
(1)无损检测技术
无损检测指的就是对完整结构所做的检测，对控制材料质量有着不错的帮助。目前在无损检测中超声波探伤的应用非常广泛。利用超声波在检测对象中传播的状态便可反映出材料的结构和质量。
(2)医学成像
超声波可以在生物组中进行传输和反射，并且其反射的信息中带有生物体的一些信息，对反射的超声波信号进行分析就可得知生物体内的具体信息。传统的PZT在临床医疗上已经得到了非常不错的应用，对生物体表面信息有不错的获取能力，但传统PZT设备体积都比较大，如果生物内部空间非常小的话就无法获取高分辨率的图像，此时将PZT替换为光线超声传感器便可实现小范围、高分辨率的生物体信息获取。要想获取高分辨率的生物组织信息，首先要为其找到波长在1毫米以下的高频超声波载体，此时便对光纤超声传感器的尺寸提出了要求，2014年一种基于纳米技术的微型光纤传感器问世，其分辨率是PZT的两倍，并且可以形成兼容性非常高的超声图像。
(3)地震模型的超声波成像
地震模型是以地质结构为基础而创建的等比结构，可用来对地震波的传输进行模拟，通过这种方式模拟的地震信息真实性比较高，并且计算方式和架设条件对其产生的影响非常小。和真实环境相比，通过地震模型对地震信息进行模拟不仅成本非常低，而且地震波传输的过程非常稳定，并可以对模型进行反复模拟，最终结果的可靠性因此可有明显提升。
近年针对光纤超声传感器所做的研究越来越多，并且完成了宽频带的超声探测，但现有的光纤超声传感器仍存在体积过大、灵敏度不够高以及制备过程复杂的技术问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于弹簧谐振器的光纤超声传感器及其制备方法，用于解决现有的光纤超声传感器体积过大、灵敏度不高以及制备过程复杂的技术问题，从而达到研发出一种小型化、灵敏度高且易于制造的光纤超声传感器的目的。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于弹簧谐振器的光纤超声传感器，其特征在于，包括：
单模光纤，包括纤芯和单模光纤端面，用于接收入射光，在所述单模光纤端面上进行反射，获得第一反射光程，并将相邻的入射光传输到弹簧谐振器；
弹簧谐振器，包括环形底座、弹簧、圆柱波导以及微盘，用于接收所述单模光纤传输过来的所述相邻的入射光，在所述微盘的端面上进行反射，获得第二反射光程；
其中，当声波作用在所述弹簧谐振器上时，所述第一反射光程和所述第二反射光程间的光程差发生变化，产生光信号调制对声波进行传感。
作为本发明优选的实施方式，所述弹簧谐振器通过所述环形底座固定连接在所述单模光纤端面上，所述环形底座用于增加所述弹簧与所述单模光纤端面间的接触面积；所述圆柱波导与所述纤芯同轴，用于支撑所述微盘，并结合所述弹簧用于约束所述微盘。
作为本发明优选的实施方式，所述环形底座与所述微盘通过所述弹簧相对设置，所述圆柱波导设置在所述单模光纤端面与所述微盘之间，并固定连接在所述微盘上。
作为本发明优选的实施方式，所述微盘、所述圆柱波导以及所述单模光纤端面共同形成FP腔；其中，所述FP腔的长度在声波的作用下发生变化。
作为本发明优选的实施方式，所述弹簧为可变螺距弹簧。
一种基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的制备方法，包括以下步骤：
提供一单模光纤，并对所述单模光纤的端部进行切割，获得一平整的单模光纤端面；
将所述单模光纤固定在位移控制器上，并利用所述位移控制器将所述单模光纤端面浸渍在光刻胶滴中，根据预设的弹簧谐振器三维模型，利用双光子聚合3D打印技术在所述单模光纤端面上打印出弹簧谐振器；
取出打印好的单模光纤端面进行清洗和进一步固化，得到所述基于弹簧谐振器的光纤超声传感器。
作为本发明优选的实施方式，在对所述单模光纤的端部进行切割时，包括：
将所述单模光纤去除涂覆层后，利用光纤切割刀对所述单模光纤的端部进行切割，获得所述单模光纤端面。
作为本发明优选的实施方式，在利用双光子聚合3D打印技术打印弹簧谐振器时，包括：
使用波长为520-540nm、脉冲宽度为630-670ps的掺钕钇铝石榴石激光器作为激光源，激光功率范围为2.02-2.16mW，曝光时间为900-1100毫秒。
作为本发明优选的实施方式，在对单模光纤端面进行清洗时，包括：
将所述单模光纤端面在无水乙醇中洗涤30-60秒，除去多余的光刻胶。
作为本发明优选的实施方式，在对单模光纤端面进行进一步固化时，包括：
将完成清洗的单模光纤端面置于绿光下固化10-15分钟。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的光纤超声传感器采用环形底座+弹簧+圆柱波导+微盘的微谐振器结构，使其在50KHz至400KHz的外部频率下响应良好，表现出宽频率响应；
(2)本发明相较于现有的光纤超声传感器，表现出较低的温度灵敏度，温度稳定性好；
(3)本发明直接在单模光纤端面加工弹簧谐振器，从而有效地保证了光纤超声传感器的小型化；
(4)本发明的光纤超声传感器基于微米级的细聚合物腔体波导、聚合物微盘型的反射膜结构，并融合了聚合物弹簧谐振器的特殊结构，有效增强该类光纤超声传感器的振动灵敏度，同时基于聚合物较低的杨氏模量，对超声具有超高的灵敏度，结合双光子聚合工艺易于实现该类光纤传感器的重复加工制造。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1-是本发明实施例的弹簧谐振器的结构图；
图2-是本发明实施例的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的原理图；
图3-是本发明实施例的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的加工过程示意图；
图4-是本发明实施例的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的反射光谱图；
图5-是本发明实施例的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器在空气中测量的输出信号的功率谱密度图；
图6-是本发明实施例的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器在25℃-61℃的反射光谱图；
图7-是本发明实施例的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的温度响应拟合图；
图8-是本发明实施例的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的制备方法步骤图。
附图标记：1、单模光纤；2、单模光纤端面；3、环形底座；4、弹簧；5、圆柱波导；6、微盘；7、微位移平台；8、定位销；9、位移控制器；10、玻片；11、物镜。
具体实施方式
本发明所提供的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器，包括：单模光纤1、弹簧谐振器。单模光纤1包括纤芯和单模光纤端面2，用于接收入射光，在单模光纤端面2上进行反射，获得第一反射光程，并将相邻的入射光传输到弹簧谐振器。弹簧谐振器包括环形底座3、弹簧4、圆柱波导5以及微盘6，用于接收单模光纤1传输过来的相邻的入射光，在微盘6的端面上进行反射，获得第二反射光程。
其中，当声波作用在弹簧谐振器上时，第一反射光程和第二反射光程间的光程差发生变化，产生光信号调制对声波进行传感。
进一步地，弹簧谐振器通过环形底座3固定连接在单模光纤端面2上，环形底座3用于增加弹簧4与单模光纤端面2间的接触面积；圆柱波导5与纤芯同轴，用于支撑微盘6，并结合弹簧4用于约束微盘6。
具体地，本发明通过使用圆柱波导5结合弹簧4共同约束微盘6，能有效地提高弹簧谐振器对声波的灵敏度。
更进一步地，环形底座3与微盘6通过弹簧4相对设置，圆柱波导5设置在单模光纤端面2与微盘6之间，并固定连接在微盘6上。
更进一步地，微盘6、圆柱波导5以及单模光纤端面2共同形成FP腔；
其中，FP腔的长度在声波的作用下发生变化。
具体地，上述圆柱波导5与纤芯同轴，另一目的在于用作FP腔的波导。
更进一步地，弹簧4为可变螺距弹簧。
具体地，可变螺距弹簧的尺寸为：第0圈螺距为5μm，第1圈螺距为30μm，第2圈螺距为30μm，第3圈螺距为5μm；弹簧螺旋线的中心线直径为60μm，弹簧4的横截面直径为5μm。
进一步地，环形底座3的外直径最大可以为125μm，内直径最小可以为9μm，在内直径为9μm的情况下，环形底座3与圆柱波导5相连。
更进一步地，环形底座3的环宽和高度分别为40μm和5μm，环形底座3的环宽设置为40μm既能充分保证弹簧4和单模光纤端面2之间有足够的接触面积，同时也不会过多增加光纤超声传感器的制备成本，另外环形底座3高度设置为5μm的原因在于：节省加工制造的时间，并与微盘6的厚度保持一致，整体上较美观。
进一步地，圆柱波导5的直径为9μm，长度为60μm；微盘6的半径为40μm，厚度为5μm。
具体地，弹簧谐振器的结构和光纤超声传感器的原理分别如图1和图2所示，本申请的原理在于：微盘6和圆柱波导5与单模光纤端面2形成FP腔，入射光在单模光纤端面2和微盘6的端面上反射多次，形成多光束干涉。声波引起FP腔长度的变化，并且两次相邻的反射光之间的光程差发生变化，从而导致光信号调制。利用可调谐激光器作为光源，利用环形器作为光路的连接，利用光电探测器将传感器反馈的光信号转化为电信号，放大之后的电信号由示波器采集，可以得到声压和输出电压的线性关系，从而实现对声波的传感。
本发明所提供的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的制备方法，如图8所示，包括以下步骤：
步骤S1：提供一单模光纤1，并对单模光纤1的端部进行切割，获得一平整的单模光纤端面2；
步骤S2：将单模光纤1固定在位移控制器上，并利用位移控制器9将单模光纤端面2浸渍在光刻胶滴中，根据预设的弹簧谐振器三维模型，利用双光子聚合3D打印技术在单模光纤端面2上打印出弹簧谐振器；
步骤S3：取出打印好的单模光纤端面2进行清洗和进一步固化，得到基于弹簧谐振器的光纤超声传感器。
在上述步骤S1中，在对单模光纤1的端部进行切割时，包括：
将单模光纤1去除涂覆层后，利用光纤切割刀对单模光纤1的端部进行切割，获得单模光纤端面2。
在上述步骤S2中，在利用双光子聚合3D打印技术打印弹簧谐振器时，包括：
使用波长为520-540nm、脉冲宽度为630-670ps的掺钕钇铝石榴石激光器作为激光源，激光功率范围为2.02-2.16mW，曝光时间为900-1100毫秒。
优选地，使用波长为532nm、脉冲宽度为650ps的掺钕钇铝石榴石激光器作为激光源，曝光时间为1000毫秒。
在上述步骤S3中，在对单模光纤端面2进行清洗时，包括：
将单模光纤端面2在无水乙醇中洗涤30-60秒，除去多余的光刻胶。
优选地，洗涤时间为30秒。
在上述步骤S3中，在对单模光纤端面2进行进一步固化时，包括：
将完成清洗的单模光纤端面2置于绿光下固化10-15分钟。
优选地，固化时间为15分钟，该时间设置能充分地增加弹簧谐振器的机械强度。
具体地，本发明的光纤超声传感器的具体制备过程如下：
第一步，光纤预处理：利用光纤切割刀将去除涂覆层的单模光纤1进行切割，获得平整的单模光纤端面2。将切割好的单模光纤1利用定位销8固定在位移控制器9上，位移控制器9放置在微位移平台7上，并将光刻胶滴在玻片10上，形成光刻胶滴。利用物镜11进行观察，通过位移控制器9控制单模光纤端面2慢慢浸渍到光刻胶滴内，保证有足够的3D打印深度同时不会碰触到玻片10，具体过程如图3所示。其中光刻胶为Green-A，生产厂家为法国Microlight3D。
第二步，双光子聚合3D打印：通过三维建模软件构建弹簧谐振器的三维模型，经过模型切片、打印路径选择以及打印参数设置等步骤，利用商用双光子聚合3D打印系统在单模光纤端面2上直接打印出弹簧谐振器。其中，使用波长为532nm、脉冲宽度为650ps的掺钕钇铝石榴石激光器作为激光源，激光功率范围为2.02-2.16毫瓦，曝光时间为1000毫秒。
第三步，清洗与固化：将打印好并取出的单模光纤端面2在无水乙醇中洗涤30秒以除去多余的光刻胶，并在绿光照射下固化15分钟，以进一步增强机械强度。图3(b)所示的显微图像显示了具有表面直径D和腔长L的FP型腔。
实施例
图4为本申请的光纤超声传感器的反射光谱图，根据图中的自由光谱范围(FSR)可以计算出该光纤超声传感器的FP腔的有效长度为65.8μm，微盘6的半径为40μm。具体计算过程如下：
由图4的光谱图可以计算出每相邻两个波谷之间的距离，再将每相邻两个波谷之间的距离代入到公式1，即可求出有效长度：
式中，λm和λm+1为相邻两个波谷的波长，n为波导的折射率，L为有效长度。
由图4可看出，反射光谱图中有5个相邻的波谷，因此可以计算出5组数据，取平均得到有效长度为65.8μm。
图5是本申请的光纤超声传感器在频率分别为(a)50KHz、(b)200KHz和(c)400KHz时，在空气中测量的输出信号的功率谱密度图，其时域信号在插图中提供。功率谱密度是通过使用MATLAB对时域信号执行快速傅里叶变换(FFT)获得的。由图5可看出，功率谱密度的峰值位置与激励声波的频率相匹配，其信噪比(SNR)分别高达64.4dB、70.0dB和52.8dB。进一步地，该光纤超声传感器在50KHz至400KHz的外部频率下响应良好，表现出宽频率响应。
图6是本申请的光纤超声传感器在25℃-61℃的反射光谱图，由图6可看出，随着温度的升高，反射光谱出现蓝移。图7是光纤超声传感器的温度响应拟合图，由图7可看出，该光纤超声传感器的温度灵敏度为-108.45pm/℃。由上述的试验结果可知，本申请的光纤超声传感器表现出较低的温度灵敏度，温度稳定性好。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于弹簧谐振器的光纤超声传感器，其特征在于，包括：
单模光纤，包括纤芯和单模光纤端面，用于接收入射光，在所述单模光纤端面上进行反射，获得第一反射光程，并将相邻的入射光传输到弹簧谐振器；
弹簧谐振器，包括环形底座、弹簧、圆柱波导以及微盘，用于接收所述单模光纤传输过来的所述相邻的入射光，在所述微盘的端面上进行反射，获得第二反射光程；
其中，当声波作用在所述弹簧谐振器上时，所述第一反射光程和所述第二反射光程间的光程差发生变化，产生光信号调制对声波进行传感。
2.根据权利要求1所述的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器，其特征在于，所述弹簧谐振器通过所述环形底座固定连接在所述单模光纤端面上，所述环形底座用于增加所述弹簧与所述单模光纤端面间的接触面积；所述圆柱波导与所述纤芯同轴，用于支撑所述微盘，并结合所述弹簧用于约束所述微盘。
3.根据权利要求2所述的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器，其特征在于，所述环形底座与所述微盘通过所述弹簧相对设置，所述圆柱波导设置在所述单模光纤端面与所述微盘之间，并固定连接在所述微盘上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器，其特征在于，所述微盘、所述圆柱波导以及所述单模光纤端面共同形成FP腔；
其中，所述FP腔的长度在声波的作用下发生变化。
5.根据权利要求1-3任一项所述的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器，其特征在于，所述弹簧为可变螺距弹簧。
6.一种基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一单模光纤，并对所述单模光纤的端部进行切割，获得一平整的单模光纤端面；
将所述单模光纤固定在位移控制器上，并利用所述位移控制器将所述单模光纤端面浸渍在光刻胶滴中，根据预设的弹簧谐振器三维模型，利用双光子聚合3D打印技术在所述单模光纤端面上打印出弹簧谐振器；
取出打印好的单模光纤端面进行清洗和进一步固化，得到所述基于弹簧谐振器的光纤超声传感器。
7.根据权利要求6所述的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的制备方法，其特征在于，在对所述单模光纤的端部进行切割时，包括：
将所述单模光纤去除涂覆层后，利用光纤切割刀对所述单模光纤的端部进行切割，获得所述单模光纤端面。
8.根据权利要求6所述的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的制备方法，其特征在于，在利用双光子聚合3D打印技术打印弹簧谐振器时，包括：
使用波长为520-540nm、脉冲宽度为630-670ps的掺钕钇铝石榴石激光器作为激光源，激光功率范围为2.02-2.16mW，曝光时间为900-1100毫秒。
9.根据权利要求6所述的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的制备方法，其特征在于，在对单模光纤端面进行清洗时，包括：
将所述单模光纤端面在无水乙醇中洗涤30-60秒，除去多余的光刻胶。
10.根据权利要求6所述的基于弹簧谐振器的光纤超声传感器的制备方法，其特征在于，在对单模光纤端面进行进一步固化时，包括：
将完成清洗的单模光纤端面置于绿光下固化10-15分钟。
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Cited By (1)
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| CN116519163A (zh) * | 2023-07-03 | 2023-08-01 | 西湖大学 | 一种基于光纤的弹簧fp腔温度传感器、方法及系统 |
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2023
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| CN116519163A (zh) * | 2023-07-03 | 2023-08-01 | 西湖大学 | 一种基于光纤的弹簧fp腔温度传感器、方法及系统 |
| CN116519163B (zh) * | 2023-07-03 | 2023-09-05 | 西湖大学 | 一种基于光纤的弹簧fp腔温度传感器、方法及系统 |
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