收发一体式全光超声换能器装置及其制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于光声探测技术领域，公开了一种收发一体式全光超声换能器装置及其制备方法，该装置包括结构化基座(2)、悬浮膜(3)、双包层光纤(1)以及它们配合构建的F‑P腔(4)；悬浮膜为复合光声转换膜，能够吸收激励光的激光束能量将其转换成超声波并向外发射，实现发射声波；同时能够接收超声波回波，通过形变感应声波回传信号，影响F‑P腔的腔长、以及回传的探测光信号，通过对回传的探测光信号加以检测，即可实现接收声波。本发明专利技术通过对各个组件的结构及它们的配合工作方式等进行改进，利用悬浮膜及进一步构建的F‑P腔，能够在一张悬浮膜上完成超声波发射和接收的全过程，器件结构更加紧凑、光声成像操作更简易、结果更精确。

An all-optical ultrasonic transducer and its preparation

【技术实现步骤摘要】
收发一体式全光超声换能器装置及其制备方法
本专利技术属于光声探测
，更具体地，涉及一种收发一体式全光超声换能器装置及其制备方法，该装置是种基于全光方法的收发一体式光声探测器装置。
技术介绍
超声换能器是工作在超声频率范围内且能实现超声信号发射以及将外界声场中的声信号转换为其他信号(如电信号)形式的能量转换器件。由于超声波穿透力强、集束性好、信息携带量大、易于实现快速准确的在线无损检测和无损诊断，因而在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到广泛的应用。基于光声效应的新型超声换能器因其宽频带、高频率等优点逐渐成为研究的热点。同时，依托先进的微纳加工技术，还有望进一步减小换能器尺寸，进而增加成像的空间分辨率，且能较大程度地改善传统超声换能器所面临的灵敏度较低、抗干扰性差等问题。当前基于光声效应的超声换能器结构主要是采用声发射和声接收功能分离的设计，如“一种免扫描器的宽视场光声内窥镜及成像系统”(专利公开号CN108852262A)，这种模式一方面增加了成像过程中光声信号处理的复杂程度，另一方面需要较高的器件封装精度同时需要较大的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，包括具有腔结构的结构化基座(2)，位于该结构化基座(2)一端处的悬浮膜(3)，以及插入至该结构化基座(2)腔结构中的双包层光纤(1)；所述悬浮膜(3)与所述结构化基座(2)的一端直接紧密连接或者通过硬质透明材料紧密连接，使该结构化基座(2)的这一端端口密封，同时也使得该结构化基座(2)的腔结构在此处保持封闭状态；所述双包层光纤(1)用于同时传输激励光和探测光两种激光，其中所述双包层光纤(1)的包层用于传输所述激励光，所述双包层光纤(1)的纤芯用于传输所述探测光同时反向传输回传的探测光信号；所述双包层光纤(1)的激光出射端面位于所述结构化基座(2...

【技术特征摘要】
1.一种收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，包括具有腔结构的结构化基座(2)，位于该结构化基座(2)一端处的悬浮膜(3)，以及插入至该结构化基座(2)腔结构中的双包层光纤(1)；所述悬浮膜(3)与所述结构化基座(2)的一端直接紧密连接或者通过硬质透明材料紧密连接，使该结构化基座(2)的这一端端口密封，同时也使得该结构化基座(2)的腔结构在此处保持封闭状态；所述双包层光纤(1)用于同时传输激励光和探测光两种激光，其中所述双包层光纤(1)的包层用于传输所述激励光，所述双包层光纤(1)的纤芯用于传输所述探测光同时反向传输回传的探测光信号；所述双包层光纤(1)的激光出射端面位于所述结构化基座(2)中，该激光出射端面与所述结构化基座(2)密封端口的密封面之间具有间距，所述结构化基座(2)的密封端口还用于主要与所述双包层光纤(1)的激光出射端面配合进一步形成密封空间，使该密封空间对应成为F-P腔(4)；
并且，所述悬浮膜(3)为复合光声转换膜，能够吸收所述激励光的激光束能量将其转换成超声波并向外发射，实现收发一体式全光超声换能器装置发射声波的功能；同时能够接收超声波回波，通过自身机械形变程度的不同感应声波回传信号的强弱，而形变程度的不同又能够影响所述F-P腔(4)的腔长，从而进一步影响回传的探测光信号，通过对回传的探测光信号加以检测，即可实现收发一体式全光超声换能器装置接收声波的功能。


2.如权利要求1所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，所述双包层光纤(1)的外径满足：
i.所述双包层光纤(1)的外径与所述结构化基座(2)腔结构的内径相匹配，所述结构化基座(2)的密封端口能够直接与所述双包层光纤(1)的激光出射端面配合进一步形成密封空间；
或者：ii.所述双包层光纤(1)的激光出射端面位于光纤套管内，该光纤套管的外径与所述结构化基座(2)腔结构的内径相匹配，所述结构化基座(2)的密封端口是通过该光纤套管与所述双包层光纤(1)的激光出射端面配合进一步形成密封空间。


3.如权利要求1所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，所述结构化基座(2)为金属、塑料、有机玻璃、以及聚合物中的至少一种；
优选的，所述结构化基座(2)为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；所述硬质透明材料为石英玻璃。


4.如权利要求1所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，所述悬浮膜(3)是由碳基微纳结构和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料薄膜，或者是由黑色油墨和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料薄膜，或者是由金属材料和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料薄膜，所述金属材料为金属薄膜、金属阵列、金属微纳结构或金属纳米颗粒；优选的，所述碳基微纳结构为碳纳米管、碳黑颗粒、碳纤维、石墨烯或足球烯；
更优选的，所述悬浮膜(3)是由第一聚二甲基硅氧烷层、蜡烛碳黑粒子层及第二聚二甲基硅氧烷层依次排列形成的PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜。


5.如权利要求1所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，针对所述F-P腔(4)，在与所述激光出射端面相对的所述F-P腔(4)内壁上，还镀有一层金属膜，用于增加F-P腔的对比度。


6.如权利要求1所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，在所述双包层光纤(1)的前端还设置有环形器与耦合器。


7.制备如权利要求1－6任意一项收发一体式全光超声换能器装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将PDMS前基体和固化剂混合，然后静置去除气泡，接着再将静置后的液态PDMS预聚体倒入形状预先设定的模具中，固化后脱模即可制备得到结构化基座；
(2)在基片上旋涂第一层PDMS预聚体，然后...

【专利技术属性】
技术研发人员：余洪斌，朱昊波，李琦，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42