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一种微纳光纤光声检测装置及其检测方法.pdf

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一种 光纤 检测 装置 及其 方法
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摘要
申请专利号:

CN201611043987.0

申请日:

2016.11.11

公开号:

CN106483074A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查?#32435;?#25928;IPC(主分类):G01N 21/17申请日:20161111|||公开
IPC分类号: G01N21/17 主分类号: G01N21/17
申请人: 重庆邮电大学
发明人: 王岫鑫; 李章勇; 王伟; 赵志强; 田银; 赵德春
地址: 400065 重庆市?#20064;?#21306;崇文路2号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: ?#26412;?#31185;亿知识产权代理事务所(普通合伙) 11350 代理人: 汤东凤
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法律状态
申请(专利)号:

CN201611043987.0

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查?#32435;?#25928;|||公开

摘要

本发明公开了一种微纳光纤光声检测装置及其检测方法。本发明装置包括红光激光辐照光源,以及依次通过普通光纤连接的可调谐激光源、微纳光纤光声传感器、光电探测单元、数字存储示波单元,红光激光辐照光源与微纳光纤光声传感器之间设置待检测物体。本发明检测方法包括步骤:将装置淹没在玻璃容器内的去离子水中;将待检测物体置于微纳光纤光声传感器正上方焦距范围内,启动可调谐激光源、辐照光源;对微纳光纤光声传感器采取360°旋转扫描方式,每隔设定角度探测一次光声信号;光电探测单元通过直接检测传输光的强度信息进行光声信号重建。本发明装置及检测方法具有高线性?#21462;?#39640;响应灵敏度的特性。

权利要求书

1.一种微纳光纤光声检测装置,其特征在于,该装置包括可调谐激光源、微纳光纤光声
传感器、光电探测单元、数字存储示波单元以及红光激光辐照光源;所述光声传感器包括两
个?#35835;?#30340;波长匹配的微纳光纤布拉格光栅,以及位于两个布拉格光栅之间的微纳光纤;其
中,所述可调谐激光源、光声传感器、光电探测单元、数字存储示波单元依次通过普通光纤
连接;
所述光声传感器正上方设置红光激光辐照光源,所述光声传感器与红光激光辐照光源
之间放置待检测物体。
2.如权利要求1所述的微纳光纤光声检测装置,其特征在于,所述可调谐激光源的输出
光谱为1370nm~1660nm,且所述可调谐激光源的输出光谱范围与微纳光纤光谱范围匹配。
3.如权利要求2所述的微纳光纤光声检测装置,其特征在于,所述微纳光纤的?#26412;?#20026;
4.2μm。
4.如权利要求3所述的微纳光纤光声检测装置,其特征在于,所述微纳光纤的长度为
6mm;所述布拉格光栅的长度为3mm。
5.如权利要求4所述的微纳光纤光声检测装置,其特征在于,该装置还包括玻璃容器;
其中,所述玻璃容器内装有去离子水,所述去离子水中设有可调谐激光源、光声传感器、光
电探测单元、数字存储示波单元、红光激光辐照光源。
6.如权利要求5所述的微纳光纤光声检测装置,其特征在于,所述玻璃容器内壁包覆有
吸声材料。
7.权利要求1所述的微纳光纤光声检测装置的检测方法,其特征在于,该检测方法包括
以下步骤:
(1)将微纳光纤光声检测装置淹没在玻璃容器内的去离子水中;
(2)将待检测物体置于光声传感器正上方焦距范围内,启动可调谐激光源、红光激光辐
照光源;
(3)对光声传感器采取360°旋转扫描方式,每隔设定角度探测一次光声信号;
(4)光电探测单元通过直接检测传输光的强度信息进行光声信号重建。
8.如权利要求7所述的检测方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述玻璃容器内壁包覆有
一层用来减弱光声波的反射干扰的吸声材料;
微纳光纤的长度为6mm;所述微纳光纤布拉格光栅的长度为3mm;
微纳光纤的?#26412;?#20026;4.2μm。
9.如权利要求7所述的检测方法,其特征在于,在步骤(2)中,可调谐激光源输出1370nm
~1660nm光谱;红光激光辐照光源为632nm固体红光激光器,重复?#24503;?#20026;20Hz、脉宽为7ns,
脉冲能量为15mJ/cm2。

说明书

一种微纳光纤光声检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于光声检测领域,尤其涉及一种微纳光纤光声检测装置及其检测方法。

背景技术

光声?#19978;?#30446;前正处于蓬勃发展阶段,如何更方便、更快捷、更有效的探测光声信号
是其重要的组成部分。因此,对性能更优异的传感器的研发已经成为新阶段光声?#19978;?#21457;展
的关键问题。大多数光声?#19978;?#26041;法都是采用点状传感器探测光声信号,要获得一幅完整的
图像,需要传感器或样品作圆弧形扫描。这些点状传感器通常由压电超声传感器实现,即使
组合成的阵列也都是点阵列形式。它对窄带光声信号的采集能达到较好的?#19978;?#25928;果,但由
于压电传感器尺寸的限制,对宽带光声信号的采集却不理想。

经过多年研究,奥地利因斯布鲁克大学研究组提出了积分传感器的概念,它只需
沿着一?#37995;?#24230;积分压力信号即可。在实践中很容易构建只有一个转动轴?#32435;?#22791;,由于压力
场是沿着传感器积分的,所以三维传播的压力场可以减小到二维传播处理。积分传感器可
以使用光纤型传感器?#35789;?#29616;,该传感器测量原理是由于光声压引起的折射率的变化,它的
实现方式既可以是空间光束,也可以是光纤中的传输光束。对于临床医疗影像,特别是成
像,要求整个传感器具有恒定的高分辨率。因此,空间光束传感器并非是最佳选择。由于光
纤?#26412;?#27839;整个纤芯是均匀不变的,分辨率不依赖位置的变化,从理论?#32420;擔?#20998;辨?#24335;?#30001;9μm
单模光纤的纤芯?#26412;?#20915;定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种微纳光纤光声检测装置
及其检测方法,本发明具有高探测灵敏度以及抗电磁干扰的特性,能够检测到高灵敏?#21462;?#39640;
对比度的光声信号。

本发明是这样实现的,一种微纳光纤光声检测装置,该装置包括可调谐激光源、微
纳光纤光声传感器、光电探测单元、数字存储示波单元以及红光激光辐照光源;所述光声传
感器包括两个?#35835;?#30340;波长匹配的微纳光纤布拉格光栅,以及位于两个布拉格光栅之间的微
纳光纤,微纳光纤将两个布拉格光栅连接;

微纳光纤布拉格光栅相当于反射镜的作用,当光源发出的连续宽带光通过光纤光
栅射入时,在光栅处会有选择的反射回一个窄带光;

微纳光纤,用于光波在两个布拉格光栅内多次反射和传输形成多光束干涉;

光电探测单元,用于先把被测量的光声变化转换成光信号的变化,然后借助光电
元件进一步将光信号转换成电信号;

数字存储示波单元,用于将所述电信号转换为数字信号存储或者转换为示波信号
并显示;

其中,所述可调谐激光源、光声传感器、光电探测单元、数字存储示波单元依次通
过普通光纤连接;

所述光声传感器正上方设置红光激光辐照光源,所述光声传感器与红光激光辐照
光源之间放置待检测物体。

优选地,所述可调谐激光源的输出光谱为1370nm~1660nm,且所述可调谐激光源
的输出光谱范围与微纳光纤光谱范围匹配。

优选地,所述微纳光纤的?#26412;?#20026;4.2μm。

优选地,所述微纳光纤的长度为6mm;所述布拉格光栅的长度为3mm。

优选地,该装置还包括玻璃容器;其中,所述玻璃容器内装有去离子水,所述去离
子水中设有可调谐激光源、光声传感器、光电探测单元、数字存储示波单元、红光激光辐照
光源。

优选地,所述玻璃容器内壁包覆有吸声材料。

本发明进一步提供了一种微纳光纤光声检测装置的检测方法,该微纳光纤光声检
测装置包括可调谐激光源、微纳光纤光声传感器、光电探测单元、数字存储示波单元以及红
光激光辐照光源;所述光声传感器包括两个?#35835;?#30340;波长匹配的微纳光纤布拉格光栅,以及
位于两个布拉格光栅之间的微纳光纤,微纳光纤将两个布拉格光栅连接;

维纳光纤布拉格光栅相当于反射镜的作用,当光源发出的连续宽带光通过光纤光
栅射入时,在光栅处有选择的反射回一个窄带光;

微纳光纤,用于光波在两个布拉格光栅内多次反射和传输形成多光束干涉;

光电探测单元,用于先把被测量的光声变化转换成光信号的变化,然后借助光电
元件进一步将光信号转换成电信号;

数字存储示波单元,用于将所述电信号转换为数字示波信号并存储;

其中,所述可调谐激光源、光声传感器、光电探测单元、数字存储示波单元依次通
过普通光纤连接;

所述光声传感器正上方设置红光激光辐照光源,所述光声传感器与红光激光辐照
光源之间放置待检测物体;

该检测方法包括以下步骤:

(1)将微纳光纤光声检测装置淹没在玻璃容器内的去离子水中;

(2)将待检测物体置于光声传感器正上方焦距范围内,启动可调谐激光源、红光激
光辐照光源;

(3)对光声传感器采取360°旋转扫描方式,每隔设定角度探测一次光声信号;

(4)光电探测单元通过直接检测传输光的强度信息进行光声信号重建。

优选地,在步骤(1)中,所述去离子水是用来确保检测物体和微纳光纤之间光声耦
合的一致性和可重复性;

优选地,在步骤(1)中,所述玻璃容器内壁包覆有一层用来减弱光声波的反射干扰
的吸声材料;

优选地,在步骤(1)中,微纳光纤的长度为6mm;所述微纳光纤布拉格光栅的长度为
3mm;微纳光纤的?#26412;?#20026;4.2μm。

在本发明中,光声信号改变了传输光往返光相位的变化,从而导致透射光波长的
变化;由于光声信号比微纳光纤的?#26412;?#22823;很多,微纳光纤此?#26412;?#26377;轴向约束,因此轴向伸长
量为零;即只有折射?#26102;?#21270;有助于光相位的改变。此外,通过增加光谱条纹的斜率诱导更多
的往返光相移来提高光声传感器的灵敏度,具体做法是增加微纳光纤布拉格光栅的反射
?#21097;?#25110;者通过减少微纳光纤?#26412;对?#21152;模式折射?#26102;?#21270;的方法来提高传感器的灵敏度,对于
光声传感器来说,这是由于强烈倏逝场的相互作用,模式折射率的变化?#28304;?#36755;光波长的变
化起主导作用。

优选地,在步骤(2)中,可调谐激光源输出1370nm~1660nm光谱;红光激光辐照光
源为632nm固体红光激光器,重复?#24503;?#20026;20Hz、脉宽为7ns,脉冲能量为15mJ/cm2。在步骤(2)
中,辐照激光完全均匀地照射在待检测物体上,忽略激光?#20013;?#26102;间和光束的不均匀性的影
响。

本发明克服现有技术的不足,提供一种微纳光纤光声检测装置及其检测方法。在
本发明中,微纳光纤作为一种新型光纤,对比传统光纤的优势在于体积小巧,波导结构更为
简单,传输模式单一,对光的束缚性强,制作过程简单?#21462;?#21516;时,由于微纳光纤的包层可以近
似认为是空气,纤芯则为石英光纤本身,这就使得微纳光纤具有较大的数值孔径和折射率
差,使用微纳光纤制成的光声传感器具有更高的灵敏度?#36879;?#24555;速的响应特性。

此外,本发明中,激光被限制在纤芯中,可以很容易到处移动,不会产生激光损伤
和辐射,对于光声信号有一定保证;同时,本发明装置不需要电气设备连接,全部采用光纤
连接,无电击情况发生,非常适合应用于大体积、高分辨率的光声信号检测设备中。

相比于现有技术的缺点和不足,本发明具有以下有益效果:

(1)本发明装置以微纳光纤和两个波长匹配的微纳光纤布拉格光栅作为传感单
元。首先,微纳光纤中的基模以倏逝场的形式扩散到周围液体中,横向模场和相应的有效折
射率可以通过改变液体的折射率实现;然后,通过改变微纳光纤中的光相位,引起光谱条纹
的偏移,将可调谐激光耦合进入微纳光纤中,并且调节激光的波长使之位于光谱条纹的最
大斜率处;最后,传输光可以通过光声信号进行调制,即通过直接检测传输光的强度信息可
以重建出光声信号。

(2)本发明装置具有强倏逝场特性,因此能够精确测量出光声信号,可以实现光声
信号测量高灵敏度的优点;而且,本发明可以通过增加微纳光纤光栅反射率提高条纹斜率
的方法,提高光声传感器的灵敏度;或者通过减少微纳光纤?#26412;对?#21152;模式折射?#26102;?#21270;的方
法,提高光声传感器的灵敏度;另外,本发明装置组成结构简单,采用全光纤结构,具有集成
度高、稳定性好和制作成本低的优点。

(3)本发明装置采用多模光纤进行拉锥和光纤布拉格光栅的刻写,这是由于多模
光纤在横截面有一个更大的掺锗区域,可以实现更高的光敏性?#36879;?#39640;的反射率特性。

(4)本发明装置中所使用的微纳光纤?#26412;?#20026;4.2μm,因此不仅具有基模特性,还具
有高阶模特性;通过分布于“包层”的高阶模式可以更为有效的实现对外部环境折射?#26102;?#21270;
的感测能力,更好的实现对光声信号的高灵敏度检测要求;本发明所使用的传感区域长度
为6mm,因此,本发明光声传感器的体积非常小,非常适合?#24230;?#24335;的检测。

(5)本发明装置的光电探测单元,采用归一化的光强解调,并对其进行归一化处
理,克服了光源抖动和光路损耗带来的系统误差,从而使得监测到的结果更加稳定可靠。

(6)本发明装置与传统电类传感器相比,由于其采用了光纤技术,所以具有不受电
磁干扰、?#36879;?#34432;性强等优点,并且无电火花等安全隐患。

附图说明

图1是本发明微纳光纤光声传感器的结构框图;

图2是本发明微纳光纤光声传感器的工作原理图;

图3是本发明微纳光纤光声传感器的检测位置图;

图4是本发明微纳光纤光声传感器的检测路径图;

图5是本发明微纳光纤光声传感器的检测光谱图;

图6是本发明微纳光纤光声传感器检测的光声信号图。

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。

本发明公开了一种微纳光纤光声检测装置,如图1所示,包括可调谐激光源1、微纳
光纤光声传感器3、光电探测单元6、数字存储示波单元7以及红光激光辐照光源9;所述光声
传感器3包括两个?#35835;?#30340;波长匹配的微纳光纤布拉格光栅4,以及位于两布拉格光栅4之间
的微纳光纤5;其中,

所述可调谐激光源1、光声传感器3、光电探测单元6、数字存储示波单元7依次通过
普通光纤2连接;

所述光声传感器3正上方设置红光激光辐照光源9,所述光声传感器3与红光激光
辐照光源9之间放置待检测物体8。

在本发明实施例中,微纳光纤布拉格光栅4相当于反射镜的作用,当光源发出的连
续宽带光通过光纤光栅射入时,在光栅处有选择的反射回一个窄带光;

微纳光纤5,用于光波在两个布拉格光栅内多次反射和传输形成多光束干涉;

光电探测单元6,用于先把被测量的光声变化转换成光信号的变化,然后借助光电
元件进一步将光信号转换成电信号;

数字存储示波单元7,用于将所述电信号转换为数字信号存储或者转换为示波信
号并显示。

本发明实施例中,采用的可调谐激光源1输出光谱为1370nm~1660nm,其输出光谱
的范围与微纳光纤5光谱匹配。

本发明实施例中,两个布拉格光栅4之间设有微纳光纤5,微纳光纤5将两个布拉格
光栅4连接,微纳光纤5的?#26412;?#20026;4.2μm,微纳光纤5的长度为6mm,微纳光纤布拉格光栅4的长
度为3mm,能够与微纳光纤5折射率匹配,进而增强探测灵敏?#21462;?br />

进一步的,本发明公开的微纳光纤光声检测装置还包括透明的玻璃容器;其中,所
述玻璃容器内装有去离子水,去离子水中设有可调谐激光源1、微纳光纤光声传感器3、光电
探测单元6、数字存储示波单元7、红光激光辐照光源9。所述玻璃容器内壁包覆有一层用来
减弱光声波的反射干扰的吸声材料。

进一步的,本发明还公开了上述微纳光纤光声检测装置的检测方法,包括以下步
骤:

(1)将微纳光纤光声检测装置淹没在玻璃容器内的去离子水中;

(2)将待检测物体8置于光声传感器3正上方焦距范围内,启动可调谐激光源1、红
光激光辐照光源9;

(3)对光声传感器3采取360°旋转扫描方式,每隔设定角度探测一次光声信号;

(4)光电探测单元6通过直接检测传输光的强度信息进行光声信号重建。

在步骤(1)中,微纳光纤光声检测装置被完全放入装满去离子水的玻璃容器中,去
离子水是用来确保检测物体8和微纳光纤5之间光声耦合的一致性和可重复性;玻璃容器的
内壁包覆有一层吸声材料,用来减弱光声波的反射干扰。

在步骤(2)中,可调谐激光源1输出1370nm~1660nm光谱;红光激光辐照光源9为
632nm固体红光激光器,重复?#24503;?#20026;20Hz、脉宽为7ns,脉冲能量为15mJ/cm2。

在步骤(3)中,632nm固体激光器正交投射到检测物体8上,辐照激光完全均匀地照
射在待检测物体8上,忽略激光?#20013;?#26102;间和光束的不均匀性的影响。

如图2所示,待检测物体8被放置在旋转轴上而无需额外的固定,微纳光纤光声检
测装置采取旋转扫描方式,每隔一定角度光声传感器3探测一次,共探测一周360°,待检测
物体8放在光声传感器3的正前方3cm处位置,微纳光纤光声检测装置与旋转轴的方向平行,
光声传感器3的传感区域与辐照激光的方向垂直,这样更容易探测到光声信号。

如图3所示,微纳光纤5中能够支持光传播的模式个数是有限的,只有同时满足波
动方程及边界条件的模式才能传播。由于边界条件的约束,微纳光纤5的纤芯包层交界面与
局域平面波相关的模场表现出沿着远离轴向呈指数关系衰减的特性。这种衰减几乎对所有
光波能量来说都是非常迅速的,并且以光的自由空间波长的倒数在纤芯内呈指数关?#24403;?br />化,这种衰减称为倏逝。因此,一部分光波能量以倏逝波的形式逸出纤芯结构,光纤倏逝波
在纤芯包层交界面向外?#30001;?#30340;距离称为穿透深度,在交界面到倏逝波穿透深度之间的区域
称为光纤的倏逝场(Evanescent field)。从图3中可以看出,微纳光纤5具有更大的倏逝场。

在步骤(4)中,装置保持实时接收信号状态,光声信号使用光电探测单元6进行测
量和监控。光声传感器3中的传输光可以通过光声信号进行调制,光电探测单元6通过直接
检测传输光的强度信息可以重建出光声信号。

在本发明的检测结果中,如图4所示,直线表示光声传感器3围绕待检测物体8旋转
扫描的路径;圆点表示光声传感器3在扫描时候的探测位置。每隔几度测量一?#37995;?#32622;,总共
有大于100个测量位置用于收集信号,最终形成一个圆形闭合回路。为了减少实验误差,提
高信噪比,每个测量数据都进行了10次均值处理。读出过程后,数据被数字存储示波单元7
存储。

如图5所示,图5为本发明装置放置在去离子水中的光谱条纹。它是采用分辨率为
0.02nm的光学频谱分析仪测量得到,光谱的透射深度为12.23dB,中心波长为1518.50nm。可
调谐激光入射到条纹的最大斜率处,输出波长为1512.22nm,使之达到微纳光纤光声检测装
置的高线性度的特性。

如图6所示,图6为本发明装置测得的光声信号,其峰值振幅是14.85mV和谷值振幅
是-14.92mV,两者之间的幅值差对应于12.63kPa的光声信号值。从图中可以看出,检测到的
光声信号为宽带光声信号,其波形完整、幅?#21040;?#39640;、背景噪声很小;证明本发明微纳光纤光
声检测装置具有高响应灵敏度的特性。

以?#32420;?#36848;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?#36879;?#36827;等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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本文标题:一种微纳光纤光声检测装置及其检测方法.pdf
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