一种高一致性的光声激励与检测一体式光纤探头及其制作方法、测试方法技术

本发明专利技术公开了一种高一致性的光声激励与检测一体式光纤探头及其制作方法、测试方法。该探头将吸光材料(如石墨烯或二硫化钼等)和弹性材料(PDMS)相复合并沉积于双包层光纤端面，采用高功率脉冲激光实施光声信号激励，同时吸光敏感材料与单模光纤端面构成法布里‑珀罗(Fabry‑Perot,F‑P)干涉腔以实现光致超声信号检测。该探头集成光声激励和检测功能，可一次制作成型，且由于吸光材料通过化学液相沉积法制备，具有厚度可控、工序少和重复性高等特点。因此，所述的光纤式光声探头具有光声信号收发一体化、体积小、制作简单、一致性好、光声转化效率高、抗电磁干扰等优点，可用于工业无损检测、生物医学超声，以及材料特性测量等领域。

A High Consistency Photoacoustic Excitation and Detection Integrated Optical Fiber Probe and Its Fabrication Method and Testing Method

The invention discloses a high consistency photoacoustic excitation and detection integrated optical fiber probe, its fabrication method and test method. The probe combines light-absorbing materials (such as graphene or molybdenum disulfide, etc.) and elastic materials (PDMS) and deposits them on the end of double-clad optical fibers. High-power pulsed laser is used to excite the photoacoustic signal. At the same time, the light-absorbing sensitive materials and the end of single-mode optical fibers form Fabry Perot (F_P) interference cavity to realize photoacoustic signal detection. The probe integrates photoacoustic excitation and detection functions, and can be fabricated at one time. Because the absorbent material is prepared by chemical liquid deposition method, it has the characteristics of controllable thickness, less process and high repeatability. Therefore, the optical fiber photoacoustic probe has the advantages of integration of photoacoustic signal transceiver and receiver, small size, simple fabrication, good consistency, high photoacoustic conversion efficiency, anti-electromagnetic interference, and can be used in industrial non-destructive testing, biomedical ultrasound, and material characteristics measurement and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种高一致性的光声激励与检测一体式光纤探头及其制作方法、测试方法
本专利技术涉及光纤传感的
，尤其涉及一种光声激励与检测一体式光纤探头及其制作方法、测试方法。
技术介绍
光声效应是指物体在周期性变化的光照下产生声信号的现象。物体受到光照时吸收热能，具有弹性的物体在局部热量的聚集下会发生周期性振动，将热能以机械能的形式释放出来，形成声信号。贝尔首先发现了光声效应(BELLAG.Upontheproductionandreproductionofsoundbylight[J].JournaloftheSocietyofTelegraphEngineers,1880,9(34):404–426.)。光声效应产生的超声信号的带宽与激励光的频率有关，强度也与材料的弹性系数、吸热能力等有关。光声效应激励的超声具有脉宽窄，可检测波谱范围宽的优点，广泛应用与物理、化学、医学、材料、生物、工业无损检测等领域。目前光声效应激励主要有空间光和光导纤维激励两种。前者可提供较大能量的脉冲光(RezaizadehMA.Pulsed-laserultrasoundgenerationinfiber-reinforcedcompositematerial[J].VirginiaTech,1998.)，然而空间光激励对于光学平台的稳定性要求高，光路调整复杂。相比于前者，光纤激励具有紧凑的结构，适合小型化和现场测试，同时还具有抗电磁干扰，柔性等特点。光声激励中使用的光致超声材料对超声信号的频率、脉宽、强度等均会产生影响，为此，采用吸光能力强、弹性好的材料有利于提高超声强度。一般的单一材料通常难以同时具有高的弹性系数和吸热系数，因此，目前学者多考虑采用混合材料。2001年，意大利的E.Biagi等人将石墨粉与环氧树脂胶的混合物涂在光纤端面制成了超声激励探头(BiagiE,MargheriF,MenichelliD.Efficientlaser-ultrasoundgenerationbyusingheavilyabsorbingfilmsastargets[J].IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics&FrequencyControl,2001,48(6):1669-80.)。相比之前仅使用金属作为激发材料的方式，这种结构和材料激发出的超声的强度提高了两个数量级。在混合物材料的厚度减小到光穿透厚度之前，随着厚度减小，光声转换效率提高。2014年，马萨诸塞大学的X.Zou等人将纳米金粒子与PDMS制成的混合材料涂覆在光纤端面，制成了光声激励探头。其光声转化效率比由铝膜制备的探头提升了5个数量级(ZouX,WuN,TianY,etal.Broadbandminiaturefiberopticultrasoundgenerator[J].OpticsExpress,2014,22(15):18119-18127.)。同年，英国的R.Colchester等人将功能化的碳纳米管与PDMS混合，通过端面滴蘸的方法分别沉积在直径为105μm和200μm的光纤端面，实现了MPa级声压激励(ColchesterRJ,MosseCA,BhachuDS,etal.Laser-generatedultrasoundwithopticalfibresusingfunctionalisedcarbonnanotubecompositecoatings[J].AppliedPhysicsLetters,2014,104(17):604.)。2017年，英国伦敦大学学院的RKPoduval等使用碳纳米管-聚合物复合材料通过静电纺丝和端面滴蘸的方法制作了光纤超声发射器，可用于微创探头、无损检测、化学传感和环境监测等领域(PoduvalRK,NoimarkS,ColchesterRJ,etal.Opticalfiberultrasoundtransmitterwithelectrospuncarbonnanotube-polymercomposite[J].AppliedPhysicsLetters,2017,110(22).)。由于二硫化钼在近红外波段光吸收率较高，因此也逐渐被国内外学者用作光声探头的吸光材料。2016年，中国科学院深圳高技术研究所的Chen等人使用白蛋白辅助的剥离技术制作了单层、少层和多层二硫化钼的薄膜，并将其制作了用于脑瘤检测的光声成像探头(ChenJ,LiuC,HuD,etal.Single-LayerMoS2nanosheetswithamplifiedphotoacousticeffectforhighlysensitivephotoacousticimagingoforthotopicbraintumors[J].AdvancedFunctionalMaterials,2016.)。总之，光声效应产生的超声信号具有宽的频谱范围，但传统的超声激励与检测传感器通常基于正/逆压电效应，实现超声波的机械能与电能的相互转化，例如医用B超探头。然而，压电陶瓷探头通常体积较大，不利于小型化和一体化测量。与之相比，光纤超声探头具有体积小、抗电磁干扰，便于分布式检测的优点，但当前光纤超声探头多为分离地实现超声信号的激励与检测，且沉积于光纤端面的光热吸收材料的厚度不可控，从而明显影响所制备探头性能的一致性。因此，本专利技术结合超声信号的光纤光热激励与法布里-珀罗干涉检测，提出了一种光声激励与检测一体式光纤探头及其制作方法，并通过珀罗干涉腔的腔长调节实现光热材料的沉积厚度控制，具有收发一体化、体积小、制作简单、一致性好、光声转化效率高、抗电磁干扰等优点，可广泛地用于工业无损检测、生物医学超声，以及材料特性测量等领域。
技术实现思路
本专利技术的内容是设计制作了一种光声激励与检测一体式光纤探头。该探头由双孔插芯和两根光纤(单模光纤和双包层光纤)构成，通过化学液相沉积的方法将吸光敏感材料薄膜均匀沉积在插芯端面，实现光声信号的光纤激励和超声信号F-P检测的一体化设计，并可改善探头的一致性问题。本专利技术的目的之一是提出一种光声激励与检测一体式光纤探头的制作方法；本专利技术的目的之二是提出一种针对所述的光声激励与检测一体式光纤探头的测试方法。本专利技术的目的之一是通过以下技术方案来实现的：一种高一致性的光声激励与检测一体式光纤探头的制作方法，包括如下步骤：步骤1.探头组件选型：选用单模光纤、双包层光纤、陶瓷套管、双孔陶瓷插芯、单孔陶瓷插芯、吸热材料、弹性基体材料、粘合剂。其中，所述的单模光纤和双包层光纤的包层外径为125μm；所述的陶瓷插芯的孔内径均为125μm；所述的粘合剂可以为环氧树脂胶或者氰基丙烯酸酯胶；所述的吸光材料可为二硫化钼或石墨烯；所述的弹性基体材料可为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其他弹性胶体；步骤2.将一根双包层光纤和一根单模光纤剥去涂覆层，并使用光纤切割刀将两根光纤的端面切平，然后，将双包层光纤和单模光纤分别插入双孔陶瓷插芯的两个孔中；步骤3.将单孔插芯和双孔插芯进行端面研磨以使其表面平整、光洁，并将研磨后的插芯进行超声清洗，清洗之后相对插入陶瓷套管中，此时双孔插芯的孔与单孔插芯的端面相接触，形成反射面；步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高一致性的光声激励与检测一体式光纤探头的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1.探头组件选型：选用单模光纤、双包层光纤、陶瓷套管、双孔陶瓷插芯、单孔陶瓷插芯、吸热材料、弹性基体材料、粘合剂；其中，所述的单模光纤和双包层光纤的包层外径为125μm；所述的陶瓷插芯的孔内径均为125μm；所述的粘合剂可以为环氧树脂胶或者氰基丙烯酸酯胶；所述的吸光材料可为二硫化钼或石墨烯；所述的弹性基体材料可为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其他弹性胶体；步骤2.将一根双包层光纤和一根单模光纤剥去涂覆层，并使用光纤切割刀将两根光纤的端面切平，然后，将双包层光纤和单模光纤分别插入双孔陶瓷插芯的两个孔中；步骤3.将单孔插芯和双孔插芯进行端面研磨以使其表面平整、光洁，并将研磨后的插芯进行超声清洗，清洗之后相对插入陶瓷套管中，此时双孔插芯的孔与单孔插芯的端面相接触，形成反射面；步骤4.将单模光纤的尾纤一端接入环行器的第二端口，第一和第三端口分别接宽带光源和光谱分析仪；单模光纤端面和单孔插芯端面之间将形成法布里‑珀罗干涉腔，通过光谱仪上显示的干涉条纹来解算腔长，使用光纤微动平台调整光纤的位置，使得腔长约为50μm；之后，使用环氧树脂胶将单模光纤与插芯固定；步骤5.将双包层光纤的尾纤接入环行器的第二端口，第一和第三端口分别接宽带光源和光谱分析仪；双包层光纤端面和单孔插芯端面将形成法布里‑珀罗干涉腔，通过光谱仪显示的干涉条纹解算距离，使用光纤微动平台调整双包层光纤的位置，使得其紧贴插芯端面，然后使用环氧树脂胶将双包层光纤与插芯固定；步骤6.通过化学液相沉积的方法将吸光敏感材料薄膜均匀沉积在插芯端面，可控制其厚度在5‑10μm之间；步骤7.制作探头帽：使用3D打印技术制作探头帽，其为一高度为1mm的空心圆柱体，内嵌有一个高度为0.6mm的隔板，该隔板的一个端面与圆柱体的一个底面齐平，另一个端面与圆柱体另一个底面有0.4mm的距离，具体可见说明书附图1的结构15；步骤8.将探头帽套在插芯端面，旋转插芯使得双包层光纤和单模光纤所在的孔被挡板分隔开，将弹性基体材料使用精密移液枪滴在双包层光纤一侧的插芯端面，放置在60℃的温箱中1小时，使弹性基体材料固化，完成激励与检测一体式光纤探头的制作。...

【技术特征摘要】
1.一种高一致性的光声激励与检测一体式光纤探头的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1.探头组件选型：选用单模光纤、双包层光纤、陶瓷套管、双孔陶瓷插芯、单孔陶瓷插芯、吸热材料、弹性基体材料、粘合剂；其中，所述的单模光纤和双包层光纤的包层外径为125μm；所述的陶瓷插芯的孔内径均为125μm；所述的粘合剂可以为环氧树脂胶或者氰基丙烯酸酯胶；所述的吸光材料可为二硫化钼或石墨烯；所述的弹性基体材料可为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其他弹性胶体；步骤2.将一根双包层光纤和一根单模光纤剥去涂覆层，并使用光纤切割刀将两根光纤的端面切平，然后，将双包层光纤和单模光纤分别插入双孔陶瓷插芯的两个孔中；步骤3.将单孔插芯和双孔插芯进行端面研磨以使其表面平整、光洁，并将研磨后的插芯进行超声清洗，清洗之后相对插入陶瓷套管中，此时双孔插芯的孔与单孔插芯的端面相接触，形成反射面；步骤4.将单模光纤的尾纤一端接入环行器的第二端口，第一和第三端口分别接宽带光源和光谱分析仪；单模光纤端面和单孔插芯端面之间将形成法布里-珀罗干涉腔，通过光谱仪上显示的干涉条纹来解算腔长，使用光纤微动平台调整光纤的位置，使得腔长约为50μm；之后，使用环氧树脂胶将单模光纤与插芯固定；步骤5.将双包层光纤的尾纤接入环行器的第二端口，第一和第三端口分别接宽带光源和光谱分析仪；双包层光纤端面和单孔插芯端面将形成法布里-珀罗干涉腔，通过光谱仪显示的干涉条纹解算距离，使用光纤微动平台调整双包层光纤的位置，使得其紧贴插芯端面，然后使用环氧树脂胶将双包层光纤与插芯固定；步骤6.通过化学液相沉积的方法将吸光敏感材料薄膜均匀沉积在插芯端面，可控制其厚度在5-10μm之间；步骤7.制作探头帽：使用3D打印技术制作探头帽，其为一高度为1mm的空心圆柱体，内嵌有一个高度为0.6mm的隔板，该隔板的一个端面与圆柱体的一个底面齐平，另一个端面与圆柱体另一个底面有0.4mm的距离，具体可见说明书附图1的结构15；步骤8.将探头帽套在插芯端面，旋转插芯使得双包层光纤和单模光纤所在的孔被挡板分隔开，将弹性基体材料使用精密移液枪滴在双包层光纤一侧的插芯端面，放置在60℃的温箱中1小时，使弹性基体材料固化，完成激励与检测一体式光纤探头的制作。2.根据权利要求1所述的一种光声激励与...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成，张辉，刘健，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11