[发明专利]一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头及其制作方法、测试方法

说明书

本发明公开了一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头及其制作方法、测试方法。其中，光声信号激励部分的敏感单元由弹性基体材料与吸热能力强的热敏感材料混合制成，将其涂覆在侧边抛磨光纤表面。这样，通过将脉冲激光导入敏感材料上，利用光声效应可激发出宽频声信号；另一方面，充分利用侧边抛磨光纤光栅对弯曲应变的敏感性，可实现微弱声信号的探测。因此，所述的一体式光致超声探头具有制作简单、体积小、抗电磁干扰、光声能量转化效率高、信号带宽大，以及可在线分布式测量等优点，同时，光声信号激发与检测为一体的小型探针式紧凑性结构使其在医学光声成像、无损检测、材料科学等领域具有明显应用优势。

技术领域

本发明涉及光纤传感的技术领域，尤其涉及一种基于侧边抛磨光纤光栅的光声激励与检测一体式探头及其制作方法、测试方法。

背景技术

当光束作用到固体、液体或气体等物质中时，物质可以吸收光能而被激发，然后通过非辐射过程(全部或部分)转化为热。如果光束是脉冲光束或被周期性调制，则物体会产生周期性的温度变化，从而使物质热胀冷缩产生应力的周期性变化，并形成声波，这种现象被称为光声效应(BELL A G.Upon the production and reproduction of sound bylight[J].Journal of the Society of Telegraph Engineers,1880,9(34):404–426.)。由于光声检测具有声波脉冲窄、可检测波谱范围宽等优点，并且适用于不同类型的物质，因此广泛应用于物理、化学、医学、材料、生物、工业等多个领域。

目前常用的光声信号激励，主要包括采用空间光学结构和光纤结构两种形式。尽管空间光学可以提供较大能量的脉冲光(Rezaizadeh M A.Pulsed-Laser UltrasoundGeneration in Fiber-Reinforced Composite Material[J].Virginia Tech,1998.)，但由于空间光学的光路精密度要求高且平台大，需要保持稳定，不利于小型化和现场在线测试。随着光纤技术的发展，为了实现在更小空间内的光声激发以及更高的能量转换效率，国内外学者开始尝试采用光纤结构进行光声激发。而且，光纤传感器具有抗电磁干扰、柔性、可小型化等特点，且可进一步提高超声信号带宽与空间分辨率。此外，由于不同物质光声特性取决于物质本身，因此，选择具有较高的热膨胀系数和光吸收效率的材料可明显提高光声信号检测能力。

2001年，意大利的Biagi等人通过混合环氧树脂和石墨制成薄膜，并将其直接涂覆在光纤端面用以激发光声信号(Biagi E,Margheri F,Menichelli D.Efficient laser-ultrasound generation by using heavily absorbing films as targets[J].IEEETransactions on Ultrasonics Ferroelectrics&Frequency Control,2001,48(6):1669-80.)。相比金属材料，采用这种方式和材料，其转换效率提升了2个数量级，并且随着材料厚度的降低以及石墨浓度的提高，转换效率可进一步提高。2008年，该研究团队使用纤芯直径600μm的光纤，产生了150KPa、带宽50MHz的光声信号，同时使用另一根光纤制成F-P(Fabry-Perot)腔体，从而实现超声信号的接收(Biagi E,Cerbai S,Gambacciani P,et al.Fiberoptic broadband ultrasonic probe[J].2008:363-366.)。