[发明专利]柔性超声换能器、制作方法及全光超声发射与检测方法

权利要求书

1.一种柔性超声换能器，其特征在于，所述的柔性超声换能器包括环形微纳光纤法布里-珀罗腔、光纤表面的光吸收材料和柔性保护基底，其中，所述的环形微纳光纤法布里-珀罗腔由拉制形成的微纳光纤构成，所述的拉制形成的微纳光纤，通过氢氧焰加热普通光纤中间部分至熔融状态，然后通过拉锥机均匀拉伸光纤熔融部分至微米量级形成，所述的微纳光纤弯曲成环形，微纳光纤两侧部分刻写一对中心波长匹配的光纤布拉格光栅，形成环形微纳光纤法布里-珀罗腔；所述的光吸收材料通过蒸镀、化学修饰方法结合于环形微纳光纤表面；所述的柔性保护基底利用柔性材料对环形微纳光纤进行封装形成；

其中，所述的微纳光纤用于产生表面倏逝波从而加热光吸收材料并产生超声；所述的光纤法布里-珀罗腔用于高精度超声信号检测；所述的环形微纳光纤法布里-珀罗腔，通过改变环形微纳光纤弯曲半径，可实现超声聚焦与焦距调谐；所述的柔性保护基底用于提高柔性超声换能器的机械强度。

2.根据权利要求1所述的柔性超声换能器，其特征在于，所述的环形微纳光纤的直径为0.5μm-20μm，由单模或者多模、无掺杂或掺杂光纤拉制而成，环形微纳光纤的直径均匀区域长度为1mm-10cm，弯曲半径为100μm-10cm。

3.根据权利要求1所述的柔性超声换能器，其特征在于，所述的光纤布拉格光栅通过掩膜板曝光或逐点刻写，相邻两个光纤布拉格光栅间隔0.5μm-10cm。

4.根据权利要求1所述的柔性超声换能器，其特征在于，所述的光吸收材料为包括石墨烯、碳纳米管在内的碳材料，或者是包括金膜、金纳米颗粒在内的金属材料，又或者是以上材料与聚合物形成的复合膜，厚度在1nm-10μm。

5.根据权利要求1所述的柔性超声换能器，其特征在于，所述的柔性材料的声阻抗与包括生物组织或水在内的测试环境的声阻抗匹配，厚度在10μm-1cm。

6.一种基于权利要求1至5任一所述的柔性超声换能器的制作方法，其特征在于，所述的制作方法包括以下步骤：

将普通光纤通过火焰、激光或电加热方法加热至熔融状态，将熔融态的光纤通过拉锥机均匀拉伸至微米量级，形成微纳光纤，该普通光纤为单模或者多模、无掺杂或掺杂光纤；

将微纳光纤弯曲成具有一定弯曲半径的环形；

通过准分子激光器或飞秒激光器结合相位掩模板方式或逐点刻写方式，在环形微纳光纤上刻写一对中心波长匹配的光纤布拉格光栅，形成环形微纳光纤法布里-珀罗腔；

通过蒸镀、溅射或者化学修饰方法在环形微纳光纤表面结合一层光吸收材料；

通过表面固化与生物组织或水声阻抗匹配的柔性材料，对环形微纳光纤进行封装形成柔性保护基底。

7.根据权利要求6所述的柔性超声换能器的制作方法，其特征在于，通过调节蒸镀、溅射速度与时间，或者化学修饰溶液浓度、修饰时间控制光纤表面光吸收材料的厚度，厚度范围为1nm-10μm。

8.根据权利要求6所述的柔性超声换能器的制作方法，其特征在于，所述的柔性材料采用聚二甲基硅氧烷。

9.一种基于权利要求1至5任一所述的柔性超声换能器的全光超声发射与检测方法，其特征在于，所述的全光超声发射与检测方法包括如下步骤：

将脉冲/周期调制加热光，与经环形器传输的可调谐激光器发出的窄带探测光用波分复用器或者光耦合器传输至环形微纳光纤法布里-珀罗腔内，其中，所述窄带探测光的中心波长调节至环形微纳光纤法布里-珀罗腔反射光干涉谱的斜率最大处；

加热光在沿环形微纳光纤轴向传输过程中以倐逝波形式将部分能量耦合至环形微纳光纤表面；位于环形微纳光纤表面的光吸收材料吸收加热光后受热膨胀发射超声；

当环形微纳光纤法布里-珀罗腔接收到超声回波或外界施加的超声信号时，腔内干涉光相位改变，引起反射回的窄带探测光强度改变，该反射光经过环形器传输并耦合回光电探测器，光电探测器将窄带探测光的强度变化转换为电信号，进而还原出超声信号。

10.根据权利要求9所述的柔性超声换能器的全光超声发射与检测方法，其特征在于，

输入环形微纳光纤的脉冲光或者周期调制光用作加热光，波长覆盖范围从紫外到红外，脉冲光持续时间在1ns-1μs；

可调谐激光器向环形微纳光纤通入窄带检测光，其中心波长锁定于环形微纳光纤法布里-珀罗腔的正交工作点；基于光学干涉原理，检测超声引起的相位变化对窄带检测光反射光强的改变，实现超声的检测；

环形微纳光纤的几何中心是柔性超声换能器的焦点，改变环形微纳光纤的弯曲半径，可调谐换能器的焦距。