本發(fā)明屬于光聲檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種微納光纖光聲檢測裝置及其檢測方法。

背景技術(shù)：

光聲成像目前正處于蓬勃發(fā)展階段，如何更方便、更快捷、更有效的探測光聲信號(hào)是其重要的組成部分。因此，對(duì)性能更優(yōu)異的傳感器的研發(fā)已經(jīng)成為新階段光聲成像發(fā)展的關(guān)鍵問題。大多數(shù)光聲成像方法都是采用點(diǎn)狀傳感器探測光聲信號(hào)，要獲得一幅完整的圖像，需要傳感器或樣品作圓弧形掃描。這些點(diǎn)狀傳感器通常由壓電超聲傳感器實(shí)現(xiàn)，即使組合成的陣列也都是點(diǎn)陣列形式。它對(duì)窄帶光聲信號(hào)的采集能達(dá)到較好的成像效果，但由于壓電傳感器尺寸的限制，對(duì)寬帶光聲信號(hào)的采集卻不理想。

經(jīng)過多年研究，奧地利因斯布魯克大學(xué)研究組提出了積分傳感器的概念，它只需沿著一個(gè)維度積分壓力信號(hào)即可。在實(shí)踐中很容易構(gòu)建只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的設(shè)備，由于壓力場是沿著傳感器積分的，所以三維傳播的壓力場可以減小到二維傳播處理。積分傳感器可以使用光纖型傳感器來實(shí)現(xiàn)，該傳感器測量原理是由于光聲壓引起的折射率的變化，它的實(shí)現(xiàn)方式既可以是空間光束，也可以是光纖中的傳輸光束。對(duì)于臨床醫(yī)療影像，特別是成像，要求整個(gè)傳感器具有恒定的高分辨率。因此，空間光束傳感器并非是最佳選擇。由于光纖直徑沿整個(gè)纖芯是均勻不變的，分辨率不依賴位置的變化，從理論上說，分辨率僅由9μm單模光纖的纖芯直徑?jīng)Q定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種微納光纖光聲檢測裝置及其檢測方法，本發(fā)明具有高探測靈敏度以及抗電磁干擾的特性，能夠檢測到高靈敏度、高對(duì)比度的光聲信號(hào)。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種微納光纖光聲檢測裝置，該裝置包括可調(diào)諧激光源、微納光纖光聲傳感器、光電探測單元、數(shù)字存儲(chǔ)示波單元以及紅光激光輻照光源；所述光聲傳感器包括兩個(gè)級(jí)聯(lián)的波長匹配的微納光纖布拉格光柵，以及位于兩個(gè)布拉格光柵之間的微納光纖，微納光纖將兩個(gè)布拉格光柵連接；

微納光纖布拉格光柵相當(dāng)于反射鏡的作用，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過光纖光柵射入時(shí)，在光柵處會(huì)有選擇的反射回一個(gè)窄帶光；

微納光纖，用于光波在兩個(gè)布拉格光柵內(nèi)多次反射和傳輸形成多光束干涉；

光電探測單元，用于先把被測量的光聲變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；

數(shù)字存儲(chǔ)示波單元，用于將所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)或者轉(zhuǎn)換為示波信號(hào)并顯示；

其中，所述可調(diào)諧激光源、光聲傳感器、光電探測單元、數(shù)字存儲(chǔ)示波單元依次通過普通光纖連接；

所述光聲傳感器正上方設(shè)置紅光激光輻照光源，所述光聲傳感器與紅光激光輻照光源之間放置待檢測物體。

優(yōu)選地，所述可調(diào)諧激光源的輸出光譜為1370nm～1660nm，且所述可調(diào)諧激光源的輸出光譜范圍與微納光纖光譜范圍匹配。

優(yōu)選地，所述微納光纖的直徑為4.2μm。

優(yōu)選地，所述微納光纖的長度為6mm；所述布拉格光柵的長度為3mm。

優(yōu)選地，該裝置還包括玻璃容器；其中，所述玻璃容器內(nèi)裝有去離子水，所述去離子水中設(shè)有可調(diào)諧激光源、光聲傳感器、光電探測單元、數(shù)字存儲(chǔ)示波單元、紅光激光輻照光源。

優(yōu)選地，所述玻璃容器內(nèi)壁包覆有吸聲材料。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種微納光纖光聲檢測裝置的檢測方法，該微納光纖光聲檢測裝置包括可調(diào)諧激光源、微納光纖光聲傳感器、光電探測單元、數(shù)字存儲(chǔ)示波單元以及紅光激光輻照光源；所述光聲傳感器包括兩個(gè)級(jí)聯(lián)的波長匹配的微納光纖布拉格光柵，以及位于兩個(gè)布拉格光柵之間的微納光纖，微納光纖將兩個(gè)布拉格光柵連接；

維納光纖布拉格光柵相當(dāng)于反射鏡的作用，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過光纖光柵射入時(shí)，在光柵處有選擇的反射回一個(gè)窄帶光；

微納光纖，用于光波在兩個(gè)布拉格光柵內(nèi)多次反射和傳輸形成多光束干涉；

光電探測單元，用于先把被測量的光聲變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；

數(shù)字存儲(chǔ)示波單元，用于將所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字示波信號(hào)并存儲(chǔ)；

其中，所述可調(diào)諧激光源、光聲傳感器、光電探測單元、數(shù)字存儲(chǔ)示波單元依次通過普通光纖連接；

所述光聲傳感器正上方設(shè)置紅光激光輻照光源，所述光聲傳感器與紅光激光輻照光源之間放置待檢測物體；

該檢測方法包括以下步驟：

(1)將微納光纖光聲檢測裝置淹沒在玻璃容器內(nèi)的去離子水中；

(2)將待檢測物體置于光聲傳感器正上方焦距范圍內(nèi)，啟動(dòng)可調(diào)諧激光源、紅光激光輻照光源；

(3)對(duì)光聲傳感器采取360°旋轉(zhuǎn)掃描方式，每隔設(shè)定角度探測一次光聲信號(hào)；

(4)光電探測單元通過直接檢測傳輸光的強(qiáng)度信息進(jìn)行光聲信號(hào)重建。

優(yōu)選地，在步驟(1)中，所述去離子水是用來確保檢測物體和微納光纖之間光聲耦合的一致性和可重復(fù)性；

優(yōu)選地，在步驟(1)中，所述玻璃容器內(nèi)壁包覆有一層用來減弱光聲波的反射干擾的吸聲材料；

優(yōu)選地，在步驟(1)中，微納光纖的長度為6mm；所述微納光纖布拉格光柵的長度為3mm；微納光纖的直徑為4.2μm。

在本發(fā)明中，光聲信號(hào)改變了傳輸光往返光相位的變化，從而導(dǎo)致透射光波長的變化；由于光聲信號(hào)比微納光纖的直徑大很多，微納光纖此時(shí)具有軸向約束，因此軸向伸長量為零；即只有折射率變化有助于光相位的改變。此外，通過增加光譜條紋的斜率誘導(dǎo)更多的往返光相移來提高光聲傳感器的靈敏度，具體做法是增加微納光纖布拉格光柵的反射率；或者通過減少微納光纖直徑增加模式折射率變化的方法來提高傳感器的靈敏度，對(duì)于光聲傳感器來說，這是由于強(qiáng)烈倏逝場的相互作用，模式折射率的變化對(duì)傳輸光波長的變化起主導(dǎo)作用。

優(yōu)選地，在步驟(2)中，可調(diào)諧激光源輸出1370nm～1660nm光譜；紅光激光輻照光源為632nm固體紅光激光器，重復(fù)頻率為20Hz、脈寬為7ns，脈沖能量為15mJ/cm²。在步驟(2)中，輻照激光完全均勻地照射在待檢測物體上，忽略激光持續(xù)時(shí)間和光束的不均勻性的影響。

本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微納光纖光聲檢測裝置及其檢測方法。在本發(fā)明中，微納光纖作為一種新型光纖，對(duì)比傳統(tǒng)光纖的優(yōu)勢在于體積小巧，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)更為簡單，傳輸模式單一，對(duì)光的束縛性強(qiáng)，制作過程簡單等。同時(shí)，由于微納光纖的包層可以近似認(rèn)為是空氣，纖芯則為石英光纖本身，這就使得微納光纖具有較大的數(shù)值孔徑和折射率差，使用微納光纖制成的光聲傳感器具有更高的靈敏度和更快速的響應(yīng)特性。

此外，本發(fā)明中，激光被限制在纖芯中，可以很容易到處移動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生激光損傷和輻射，對(duì)于光聲信號(hào)有一定保證；同時(shí)，本發(fā)明裝置不需要電氣設(shè)備連接，全部采用光纖連接，無電擊情況發(fā)生，非常適合應(yīng)用于大體積、高分辨率的光聲信號(hào)檢測設(shè)備中。

相比于現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明裝置以微納光纖和兩個(gè)波長匹配的微納光纖布拉格光柵作為傳感單元。首先，微納光纖中的基模以倏逝場的形式擴(kuò)散到周圍液體中，橫向模場和相應(yīng)的有效折射率可以通過改變液體的折射率實(shí)現(xiàn)；然后，通過改變微納光纖中的光相位，引起光譜條紋的偏移，將可調(diào)諧激光耦合進(jìn)入微納光纖中，并且調(diào)節(jié)激光的波長使之位于光譜條紋的最大斜率處；最后，傳輸光可以通過光聲信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，即通過直接檢測傳輸光的強(qiáng)度信息可以重建出光聲信號(hào)。

(2)本發(fā)明裝置具有強(qiáng)倏逝場特性，因此能夠精確測量出光聲信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)光聲信號(hào)測量高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)；而且，本發(fā)明可以通過增加微納光纖光柵反射率提高條紋斜率的方法，提高光聲傳感器的靈敏度；或者通過減少微納光纖直徑增加模式折射率變化的方法，提高光聲傳感器的靈敏度；另外，本發(fā)明裝置組成結(jié)構(gòu)簡單，采用全光纖結(jié)構(gòu)，具有集成度高、穩(wěn)定性好和制作成本低的優(yōu)點(diǎn)。

(3)本發(fā)明裝置采用多模光纖進(jìn)行拉錐和光纖布拉格光柵的刻寫，這是由于多模光纖在橫截面有一個(gè)更大的摻鍺區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)更高的光敏性和更高的反射率特性。

(4)本發(fā)明裝置中所使用的微納光纖直徑為4.2μm，因此不僅具有基模特性，還具有高階模特性；通過分布于“包層”的高階模式可以更為有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境折射率變化的感測能力，更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)光聲信號(hào)的高靈敏度檢測要求；本發(fā)明所使用的傳感區(qū)域長度為6mm，因此，本發(fā)明光聲傳感器的體積非常小，非常適合嵌入式的檢測。

(5)本發(fā)明裝置的光電探測單元，采用歸一化的光強(qiáng)解調(diào)，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，克服了光源抖動(dòng)和光路損耗帶來的系統(tǒng)誤差，從而使得監(jiān)測到的結(jié)果更加穩(wěn)定可靠。

(6)本發(fā)明裝置與傳統(tǒng)電類傳感器相比，由于其采用了光纖技術(shù)，所以具有不受電磁干擾、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且無電火花等安全隱患。

附圖說明

圖1是本發(fā)明微納光纖光聲傳感器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明微納光纖光聲傳感器的工作原理圖；

圖3是本發(fā)明微納光纖光聲傳感器的檢測位置圖；

圖4是本發(fā)明微納光纖光聲傳感器的檢測路徑圖；

圖5是本發(fā)明微納光纖光聲傳感器的檢測光譜圖；

圖6是本發(fā)明微納光纖光聲傳感器檢測的光聲信號(hào)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明公開了一種微納光纖光聲檢測裝置，如圖1所示，包括可調(diào)諧激光源1、微納光纖光聲傳感器3、光電探測單元6、數(shù)字存儲(chǔ)示波單元7以及紅光激光輻照光源9；所述光聲傳感器3包括兩個(gè)級(jí)聯(lián)的波長匹配的微納光纖布拉格光柵4，以及位于兩布拉格光柵4之間的微納光纖5；其中，

所述可調(diào)諧激光源1、光聲傳感器3、光電探測單元6、數(shù)字存儲(chǔ)示波單元7依次通過普通光纖2連接；

所述光聲傳感器3正上方設(shè)置紅光激光輻照光源9，所述光聲傳感器3與紅光激光輻照光源9之間放置待檢測物體8。

在本發(fā)明實(shí)施例中，微納光纖布拉格光柵4相當(dāng)于反射鏡的作用，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過光纖光柵射入時(shí)，在光柵處有選擇的反射回一個(gè)窄帶光；

微納光纖5，用于光波在兩個(gè)布拉格光柵內(nèi)多次反射和傳輸形成多光束干涉；

光電探測單元6，用于先把被測量的光聲變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；

數(shù)字存儲(chǔ)示波單元7，用于將所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)或者轉(zhuǎn)換為示波信號(hào)并顯示。

本發(fā)明實(shí)施例中，采用的可調(diào)諧激光源1輸出光譜為1370nm～1660nm，其輸出光譜的范圍與微納光纖5光譜匹配。

本發(fā)明實(shí)施例中，兩個(gè)布拉格光柵4之間設(shè)有微納光纖5，微納光纖5將兩個(gè)布拉格光柵4連接，微納光纖5的直徑為4.2μm，微納光纖5的長度為6mm，微納光纖布拉格光柵4的長度為3mm，能夠與微納光纖5折射率匹配，進(jìn)而增強(qiáng)探測靈敏度。

進(jìn)一步的，本發(fā)明公開的微納光纖光聲檢測裝置還包括透明的玻璃容器；其中，所述玻璃容器內(nèi)裝有去離子水，去離子水中設(shè)有可調(diào)諧激光源1、微納光纖光聲傳感器3、光電探測單元6、數(shù)字存儲(chǔ)示波單元7、紅光激光輻照光源9。所述玻璃容器內(nèi)壁包覆有一層用來減弱光聲波的反射干擾的吸聲材料。

進(jìn)一步的，本發(fā)明還公開了上述微納光纖光聲檢測裝置的檢測方法，包括以下步驟：

(1)將微納光纖光聲檢測裝置淹沒在玻璃容器內(nèi)的去離子水中；

(2)將待檢測物體8置于光聲傳感器3正上方焦距范圍內(nèi)，啟動(dòng)可調(diào)諧激光源1、紅光激光輻照光源9；

(3)對(duì)光聲傳感器3采取360°旋轉(zhuǎn)掃描方式，每隔設(shè)定角度探測一次光聲信號(hào)；

(4)光電探測單元6通過直接檢測傳輸光的強(qiáng)度信息進(jìn)行光聲信號(hào)重建。

在步驟(1)中，微納光纖光聲檢測裝置被完全放入裝滿去離子水的玻璃容器中，去離子水是用來確保檢測物體8和微納光纖5之間光聲耦合的一致性和可重復(fù)性；玻璃容器的內(nèi)壁包覆有一層吸聲材料，用來減弱光聲波的反射干擾。

在步驟(2)中，可調(diào)諧激光源1輸出1370nm～1660nm光譜；紅光激光輻照光源9為632nm固體紅光激光器，重復(fù)頻率為20Hz、脈寬為7ns，脈沖能量為15mJ/cm²。

在步驟(3)中，632nm固體激光器正交投射到檢測物體8上，輻照激光完全均勻地照射在待檢測物體8上，忽略激光持續(xù)時(shí)間和光束的不均勻性的影響。

如圖2所示，待檢測物體8被放置在旋轉(zhuǎn)軸上而無需額外的固定，微納光纖光聲檢測裝置采取旋轉(zhuǎn)掃描方式，每隔一定角度光聲傳感器3探測一次，共探測一周360°，待檢測物體8放在光聲傳感器3的正前方3cm處位置，微納光纖光聲檢測裝置與旋轉(zhuǎn)軸的方向平行，光聲傳感器3的傳感區(qū)域與輻照激光的方向垂直，這樣更容易探測到光聲信號(hào)。

如圖3所示，微納光纖5中能夠支持光傳播的模式個(gè)數(shù)是有限的，只有同時(shí)滿足波動(dòng)方程及邊界條件的模式才能傳播。由于邊界條件的約束，微納光纖5的纖芯包層交界面與局域平面波相關(guān)的模場表現(xiàn)出沿著遠(yuǎn)離軸向呈指數(shù)關(guān)系衰減的特性。這種衰減幾乎對(duì)所有光波能量來說都是非常迅速的，并且以光的自由空間波長的倒數(shù)在纖芯內(nèi)呈指數(shù)關(guān)系變化，這種衰減稱為倏逝。因此，一部分光波能量以倏逝波的形式逸出纖芯結(jié)構(gòu)，光纖倏逝波在纖芯包層交界面向外延伸的距離稱為穿透深度，在交界面到倏逝波穿透深度之間的區(qū)域稱為光纖的倏逝場(Evanescent field)。從圖3中可以看出，微納光纖5具有更大的倏逝場。

在步驟(4)中，裝置保持實(shí)時(shí)接收信號(hào)狀態(tài)，光聲信號(hào)使用光電探測單元6進(jìn)行測量和監(jiān)控。光聲傳感器3中的傳輸光可以通過光聲信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，光電探測單元6通過直接檢測傳輸光的強(qiáng)度信息可以重建出光聲信號(hào)。

在本發(fā)明的檢測結(jié)果中，如圖4所示，直線表示光聲傳感器3圍繞待檢測物體8旋轉(zhuǎn)掃描的路徑；圓點(diǎn)表示光聲傳感器3在掃描時(shí)候的探測位置。每隔幾度測量一個(gè)位置，總共有大于100個(gè)測量位置用于收集信號(hào)，最終形成一個(gè)圓形閉合回路。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高信噪比，每個(gè)測量數(shù)據(jù)都進(jìn)行了10次均值處理。讀出過程后，數(shù)據(jù)被數(shù)字存儲(chǔ)示波單元7存儲(chǔ)。

如圖5所示，圖5為本發(fā)明裝置放置在去離子水中的光譜條紋。它是采用分辨率為0.02nm的光學(xué)頻譜分析儀測量得到，光譜的透射深度為12.23dB，中心波長為1518.50nm?？烧{(diào)諧激光入射到條紋的最大斜率處，輸出波長為1512.22nm，使之達(dá)到微納光纖光聲檢測裝置的高線性度的特性。

如圖6所示，圖6為本發(fā)明裝置測得的光聲信號(hào)，其峰值振幅是14.85mV和谷值振幅是-14.92mV，兩者之間的幅值差對(duì)應(yīng)于12.63kPa的光聲信號(hào)值。從圖中可以看出，檢測到的光聲信號(hào)為寬帶光聲信號(hào)，其波形完整、幅值較高、背景噪聲很小；證明本發(fā)明微納光纖光聲檢測裝置具有高響應(yīng)靈敏度的特性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。