一種分布式光纖激光超聲換能器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲探測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種分布式超聲傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光超聲激發(fā)術(shù)是主動超聲檢測中一項(xiàng)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療 診斷、材料特性分析、結(jié)構(gòu)健康診斷等領(lǐng)域。目前主流的超聲激發(fā)裝置為壓電陶瓷超聲發(fā)生 器換能器。但其具有體積大、易受電磁干擾、每個(gè)發(fā)生器至少需要兩根電源線等缺點(diǎn)，不適 合應(yīng)用于永久嵌入式的結(jié)構(gòu)中。相比之下，基于光纖的激光超聲換能器克服了壓電陶瓷超 聲激發(fā)裝置上述的缺點(diǎn)。光纖激光超聲換能器利用光纖中傳輸?shù)哪芰恳鸪暭ぐl(fā)材料的 熱彈性膨脹，進(jìn)而激發(fā)出超聲。
[0003] 但是，通常人們所提出的基于光纖的激光超聲換能器都只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)激發(fā)。即通 過光纖尾端導(dǎo)出激光能量并結(jié)合超聲激發(fā)材料實(shí)現(xiàn)的超聲激發(fā)。顯然這種方式無法滿足 分布式的超聲激發(fā)需求。分布式光纖激光超聲術(shù)的難點(diǎn)在于，目前業(yè)內(nèi)嚴(yán)重缺乏能在光纖 任意位置導(dǎo)出光纖內(nèi)傳導(dǎo)的光能量的有效的方法和手段。為解決這一問題，研宄者們提 出了將多模光纖若干局部包層區(qū)域打磨至纖芯并替換上超聲激發(fā)材料的方式用于激發(fā)超 聲（參見非專利文獻(xiàn) I :Kochergin V et al. All-fiber optic ultrasonic structural health monitoring system. SPIE, 2009, 72923D-72923D-8)。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)的超 聲激發(fā)功能，但是各超聲激發(fā)點(diǎn)的光纖經(jīng)打磨后對激光能量泄漏的程度不可控。更重要的 是，所有的超聲激發(fā)點(diǎn)共享一條激光能量，隨著下游激發(fā)位置越來越遠(yuǎn)，鏈路下游的超聲激 發(fā)點(diǎn)處激發(fā)出的超聲振幅必然越來越小。因此，當(dāng)超聲激發(fā)點(diǎn)的個(gè)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后，排在 后面的超聲激發(fā)點(diǎn)激發(fā)出的超聲效果會越來越差，這種超聲激發(fā)方式限制了系統(tǒng)能承載的 超聲激發(fā)點(diǎn)的數(shù)量。
[0004] 為了滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，研宄人員們開始針對如何高效地提取光纖中的能量用于 激發(fā)超聲這一問題展開了大量的研宄。其中，一種借助于傾斜光纖光柵的芯模一包層模耦 合特性的方法很好地解決了這一問題（參見非專利文獻(xiàn)2 :J. J. Tian et al. Distributed fiber-optic laser-ultrasound generation based on ghost-mode of tilted fiber Bragg gratings. Opt. express, 2013, 21 (5) :6109-6114)。在該方法中，傾斜光纖布拉格光 柵不僅具有常規(guī)布拉格光柵的芯模反射能力（該反射的中心波長我們稱之為"布拉格反射 波長"），而且具有將前向傳導(dǎo)的芯模轉(zhuǎn)換為一系列后向傳導(dǎo)的包層模的功能。在這些包層 模中，光譜上有一種與布拉格反射波長距離最近（約2nm)的包層模，我們稱其為"幻影模"。 與其它包層模相比，幻影模具有更大的耦合強(qiáng)度，可將光纖纖芯中的激光能量耦合到包層 區(qū)域。去除部分包層并填充吸收材料后，幻影模能量可被吸收材料吸收，并產(chǎn)生熱彈性膨脹 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲激發(fā)。為實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)的超聲激發(fā)，該方法在一條光纖鏈路上布置了一連 串的不同工作波長的傾斜光柵。同時(shí)，由于不同中心波長的傾斜光柵對應(yīng)不同的光譜位置， 通過控制脈沖激光信號的波長可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的、分布式的超聲激發(fā)功能。但是，使用該方案得 到多點(diǎn)的超聲激發(fā)需要受到一定的條件限制。為了保證激光能夠順利到達(dá)每個(gè)傾斜光柵實(shí) 現(xiàn)超聲激發(fā)，需要保證鏈路上游的光柵的布拉格波長必須小于下游的光柵的幻影模波長。 要求所有傾斜光柵相鄰幻影模的光譜間隔至少大于2nm。而裝置的工作波長通常在C波段 范圍內(nèi)（譜寬約35nm)，因此，超聲激發(fā)點(diǎn)的個(gè)數(shù)受到了幻影模譜間隔與激光工作波長的共 同約束，不利于大容量多點(diǎn)的分布式光纖激光超聲換能器的進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對以上問題，本申請?zhí)岢鲆环N基于傾斜光柵幻影模耦合強(qiáng)度及波長控制的分布 式光纖激光超聲換能器，大大增加光纖激光超聲換能器的超聲激發(fā)點(diǎn)個(gè)數(shù)，既能同時(shí)產(chǎn)生 多點(diǎn)超聲激發(fā)，又能實(shí)現(xiàn)不同波長的超聲激發(fā)點(diǎn)的切換功能，進(jìn)一步提高了分布式光纖激 光超聲換能器所承載超聲激發(fā)點(diǎn)的容量和功能性，在實(shí)際生活中有著更大的應(yīng)用價(jià)值。
[0006] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種基于傾斜光柵幻影模耦合強(qiáng)度及波長控制的分布式光纖激光超聲換能器，包 括：激光種子光源、高功率光放大器、高功率光隔離器、傾斜光柵串，上述器件依次聯(lián)接；其 中，所述傾斜光柵串包括一系列不同幻影模工作波長的光柵單元，且所述光柵單元按照工 作波長的由短到長，由光纖鏈路上游向光纖鏈路下游依次排列，并且保證下游光柵單元的 幻影模工作波長大于上游光柵單元的布拉格工作波長；同時(shí)每個(gè)光柵單元中又包括一系列 幻影模工作波長相同的傾斜光柵。
[0008] 進(jìn)一步地，傾斜光柵的幻影模中的激光能量被用來作為超聲激發(fā)的能量源。每個(gè) 傾斜光柵前面光纖鏈路中靠近光柵的一段光纖包層被部分去掉并填充吸收材料，以釋放和 吸收光纖包層中的幻影模的能量，并利用熱彈性膨脹效應(yīng)激發(fā)超聲波。
[0009] 這種結(jié)構(gòu)的具體優(yōu)勢在于：
[0010] (1)在每一組光纖單元中，對于具有相同幻影模工作波長的傾斜光柵而言，通過 配置各個(gè)光柵的幻影模耦合強(qiáng)度，能在各光柵間均衡地或目的性地分配激光能量，能使同 一幻影模工作波長光柵的超聲激發(fā)點(diǎn)被同時(shí)被激活，且每個(gè)激發(fā)點(diǎn)的激發(fā)強(qiáng)度能夠得到保 證。
[0011] ⑵在不同的光柵單元中，對于具有不同幻影模中心波長的傾斜光柵而言，當(dāng)系統(tǒng) 提供的脈沖激光信號與某光柵單元的幻影模工作波長對應(yīng)時(shí)，該光柵單元的多個(gè)超聲激發(fā) 點(diǎn)被激活。通過控制系統(tǒng)光源的工作波長，可實(shí)現(xiàn)超聲激發(fā)點(diǎn)在不同光柵組之間的切換功 能。
[0012] 因此，將多點(diǎn)同時(shí)激發(fā)超聲的功能與超聲激發(fā)點(diǎn)的切換功能相結(jié)合，大大提高了 超聲激發(fā)點(diǎn)的數(shù)目，為分布式光纖激光超聲換能器提供了有效方案。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的基于傾斜光柵的分布式光纖激光超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2(a)是本發(fā)明在一個(gè)光柵單元中三個(gè)不同耦合強(qiáng)度的光柵的透射光譜示意 圖；
[0015] 圖2(b)是圖2(a)中矩形框部分的局部放大；
[0016] 圖3是本發(fā)明中所使用的不同單元的傾斜光柵的透射光譜示意圖；
[0017] 圖4是本發(fā)明的基于傾斜光柵的分布式光纖激光超聲換能器所利用的幻影模的 產(chǎn)生示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合【附圖說明】及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0019] 參照附圖1所示，本發(fā)明的本發(fā)明的基于傾斜光柵幻影模耦合強(qiáng)度及波長控制 的分布式光纖激光超聲換能器的包括：激光種子光源1、高功率光放大器2、高功率光隔 離器3、傾斜光柵串4,上述器件依次聯(lián)接構(gòu)成了所述超聲換能器。其中，傾斜光柵串中包 含一系列不同幻影模工作波長的光柵單元：第一光柵單元5、第二光柵單元6、……、第N 光柵單元7,且這些光柵單元按照工作波長的由短到長，由光纖鏈路上游向光纖鏈路下游 依次排列，并且保證下游光柵單元的幻影模工作波長大于上游光柵單元的布拉格工作波 長，如附圖3所示。同時(shí)每個(gè)光柵單元中又包含一系列幻影模工作波長相同的傾斜光柵。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于傾斜光柵幻影模耦合強(qiáng)度及波長控制的分布式光纖激光超聲換能器，其特 征在于：所述分布式光纖激光超聲換能器包括：激光種子光源、高功率光放大器、高功率光 隔離器、傾斜光柵串，上述器件依次聯(lián)接；其中，所述傾斜光柵串包括N個(gè)不同幻影模工作 波長的光柵單元，N多2,且所述光柵單元按照工作波長的由短到長，由光纖鏈路上游向光 纖鏈路下游依次排列，并且保證下游光柵單元的幻影模工作波長大于上游光柵單元的布拉 格工作波長；同時(shí)每個(gè)光柵單元中又包括％個(gè)幻影模工作波長相同的傾斜光柵，M iS 2, i =1…N0
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖激光超聲換能器，其特征在于：所述每個(gè)傾斜光 柵前面光纖鏈路中靠近光柵的一段光纖包層被部分去掉并填充吸收材料，以釋放和吸收光 纖包層中的幻影模的能量，并利用熱彈性膨脹效應(yīng)激發(fā)超聲波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式光纖激光超聲換能器，其特征在于：所述吸收材料為 高純度石墨粉與環(huán)氧樹脂的混合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖激光超聲換能器，其特征在于：利用傾斜光柵所 具有的將光纖中前向傳播的芯模耦合成后向傳播的幻影模的特性，進(jìn)行超聲激發(fā)；當(dāng)某一 脈沖激光提供的能量經(jīng)過光柵時(shí)，根據(jù)幻影模的耦合強(qiáng)度，一部分能量被轉(zhuǎn)換為后向幻影 模能量并可將其用于激發(fā)超聲；另一部分能量繼續(xù)保留在芯模中，便于為后面的光路提供 能量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖激光超聲換能器，其特征在于：(a)在每一組光纖 單元中，對于具有相同幻影模工作波長的傾斜光柵而言，通過配置各個(gè)光柵的幻影模耦合 強(qiáng)度，能在各光柵間均衡地或目的性地分配激光能量，能使同一幻影模工作波長光柵的超 聲激發(fā)點(diǎn)被同時(shí)被激活，且每個(gè)激發(fā)點(diǎn)的激發(fā)強(qiáng)度能夠得到保證；(b)在不同的光柵單元 中，對于具有不同幻影模中心波長的傾斜光柵而言，當(dāng)系統(tǒng)提供的脈沖激光信號與某光柵 單元的幻影模工作波長對應(yīng)時(shí)，該光柵單元的多個(gè)超聲激發(fā)點(diǎn)被激活；上述兩項(xiàng)功能相結(jié) 合能夠大大提高系統(tǒng)超聲激發(fā)點(diǎn)的容納個(gè)數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖激光超聲換能器，其特征在于：通過控制光源的 工作波長，實(shí)現(xiàn)超聲激發(fā)點(diǎn)在不同光柵單元之間的切換功能。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于傾斜光柵包層模耦合強(qiáng)度及波長控制的分布式光纖激光超聲換能器,將激光種子光源、高功率光放大器、高功率光隔離器、傾斜光柵串依次連接構(gòu)成了超聲激發(fā)裝置。傾斜光柵串中包括若干個(gè)幻影模工作波長不相同光柵單元，每個(gè)單元中又含有若干個(gè)工作波長相同而幻影模耦合強(qiáng)度不同的傾斜光柵。每個(gè)傾斜光柵前面光纖鏈路中靠近光柵的一段光纖包層被部分去掉并填充吸收材料，以釋放和吸收光纖包層中的幻影模的能量，并利用熱彈性膨脹效應(yīng)激發(fā)超聲波。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、便于操作、分布式能力強(qiáng)以及抗電磁干擾等諸多優(yōu)勢，能夠廣泛地應(yīng)用在醫(yī)療診斷、超聲測試、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域中，具有很高的應(yīng)用前景。
【IPC分類】A61B8-00, B06B1-00
【公開號】CN104741305
【申請?zhí)枴緾N201510099880
【發(fā)明人】田佳峻, 李苑, 全明冉, 姚勇
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年3月6日