專利名稱：光纖法布里-珀羅超聲水聽器及系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于光纖傳感技術領域,尤其涉及一種光纖法布里-拍羅(Fabry-Perot)超聲水聽器及系統。
背景技術：
HIFU (High Intensity Focused Ultrasound,高強度聚焦超聲)技術是一種非侵入性的治療技術，它是將體外低能量超聲波聚焦于體內靶區，在靶區產生瞬態高溫，達到消融組織的目的。由于在HIFU聲場的焦點處，超聲的聲強可達幾萬W/cm2，并同時產生高溫效應和高達IOOMPa的聲壓，以及伴隨極強的非線性高次諧波，因此為了能進行安全、有效的HIFU治療，避免HUFU超聲損傷靶區周圍正常的組織，十分有必要確定HIFU聲場的能量分布和聲焦區域大小，即對HIFU聲場進行測量。同時，由于HIFU聲場呈橢球狀(長軸約6mm IOmm,短軸約為Imm),因此要求測量HIFU聲場的超聲傳感設備的直徑不得大于0.5mm。當前 ，測量HIFU聲場的超聲傳感設備主要有PVDF (聚偏氟乙烯)壓電水聽器、光纖探頭水聽器、光纖端面鍍聚合物薄膜的法布里-珀羅光纖超聲水聽器、光纖FBG (FiberBragg Grating,布拉格光柵)水聽器。其中，PVDF壓電水聽器可用于測量HIFU聲場的聲壓，但其孔徑較大(約為0.5mm),且在此尺寸范圍的PVDF壓電水聽器造價昂貴。同時在高超聲功率下，PVDF探頭極易被打壞，因此其存在不能承受高聲壓，低空間分辨率和易受電磁干擾的缺點。光纖探頭水聽器可用于測量HIFU聲場的聲壓，但其存在低分辨率、低靈敏度的缺點。光纖端面鍍聚合物薄膜的法布里-珀羅光纖超聲水聽傳感器可用于同時測量HIFU聲場的聲壓和溫度。但是，在較高聲強級的HIFU聲場中，其傳感頭端部的聚合物薄膜或反射面金屬層易被打壞，其耐高聲壓能力有限。同時，由于其對溫度和聲壓都敏感，將產生溫度和聲壓的交互作用，給準確分離溫度和聲壓帶來一定困難，導致后續需要處理的數據量龐大，使得由其構建的測量系統復雜、昂貴，較難批量推廣。光纖FBG水聽器也可用于同時測量HIFU聲場的聲壓和溫度，但是其同樣存在對溫度和聲壓都敏感的問題，給準確確定HIFU聲場的聲壓分布帶來了困難。同時，光纖FBG水聽器的傳感尺寸在毫米數量級，這在測量高頻超聲場時容易引入空間均分效應，限制了它的空間分辨率。
發明內容
有鑒于此，本發明提供了一種光纖法布里-珀羅超聲水聽器及系統。能夠承受HIFU聲場的高聲壓、高溫，并且具有高空間分辨率、高靈敏度和同時溫度測量的特性。本發明提供的一種光纖法布里-珀羅超聲水聽器，包括:單模光纖，反射光纖和石英毛細管，所述石英毛細管的兩端分別與所述單模光纖和反射光纖連接，所述石英管內的空氣腔作為干涉腔。
進一步，所述反射光纖中相對于與所述石英毛細管連接的一端為毛化結構。進一步，所述空氣腔的兩個反射面鍍膜。進一步，所述單模光纖、石英毛細管和反射光纖的外表面鍍膜或鎧裝。進一步，所述反射光纖為石英材質的光纖或石英纖維。進一步，所述石英毛細管為空心光纖或空心光子晶體光纖。相應的，本發明還提供了一種光纖法布里-珀羅超聲水聽系統，光源組件、光纖組件、如上所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽器、以及探測與反饋組件，所述光源組件發出的光經過所述光纖組件到達所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器后，被超聲調制的所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器的反射光經過所述光纖組件被所述探測與反饋組件接收并處理。進一步，所述夾具包括:夾持桿、彈性體和夾持頭，所述夾持桿、彈性體和夾持頭均設置有軸向通孔，所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器依次穿過夾持桿、彈性體和夾持頭，所述夾持桿和所述夾持頭采用螺紋連接，通過擠壓所述彈性體將所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器固定在所述夾具中。進一步，所述夾具包括:夾持桿和夾持頭，所述夾持桿和夾持頭均設置有軸向通孔，在所述夾持桿的頭上還具有圓錐形狀的夾頭，所述夾持桿和夾持頭采用螺紋連接，通過上緊螺紋擠壓所述夾頭，將所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器固定在所述夾具中。進一步，所述光纖組件為光纖環形器、或串聯的光隔離器和耦合器，所述探測與反饋組件包括:光電探測器和反饋電路，所述光電探器接收所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器的反射光，并分為兩路，一路輸出超聲的聲壓信號，另一種輸至反饋電路，由反饋電路根據該路信號對所述光源組件進行波長反饋調節。
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本發明的有益效果:本發明實施例的光纖法布里-珀羅超聲水聽器由石英毛細管兩端分別連接單模光纖和反射光纖構成，并且將石英毛細管內的空氣腔作為干涉腔，其聲壓靈敏度較高。由于光纖的芯徑較細，光纖法布里-珀羅腔的長度可以達到幾十微米，因此傳感器具有較高的空間分辨率。采用熔接加工方法將石英毛細管和單模光纖和反射光纖連接可以使傳感器可以承受HIFU聲場的高聲壓。因此，光纖法布里-珀羅超聲水聽器及系統對HIFU聲場的測量具有獨特的優勢和潛在的實用價值。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述:圖1是本發明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第一實施例的結構示意圖。圖2是本發明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第二實施例的結構示意圖。圖3是本發明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第三實施例的結構示意圖。圖4是本發明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統的第一實施例的結構示意圖。圖5是本發明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統的第二實施例的結構示意圖。圖6是本發明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統的第三實施例的結構示意圖。
圖7是本發明提供的用于夾持光纖法布里-珀羅超聲水聽器的夾具的第一實施例的結構示意圖。圖8是本發明提供的用于夾持光纖法布里-珀羅超聲水聽器的夾具的第二實施例的結構示意圖。圖9是本發明提供的應用光纖法布里-珀羅超聲水聽系統測量HIFU聲場的應用實施例的結構示意圖。圖10是光纖法布里-珀羅水聽器系統測量HIFU聲場的聲壓輸出結果圖。
具體實施例方式第一部分:關于光纖法布里-珀羅超聲水聽器的三個實施例。該光纖法布里-珀羅超聲水聽器可以為端部敏感型光纖法布里-珀羅超聲水聽器，具有耐高溫、耐高壓的特性，十分適合于測量HIFU聲場。并且，該光纖法布里珀羅超聲水聽器可以同時測量聲壓和溫度，具有高空間分辨率、高靈敏度等特性。實施例一:請參考圖1，是本發明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第一實施例的結構示意圖。該光纖法布里-珀羅超聲水聽器包括:單模光纖18、石英毛細管19和反射光纖21。其中，單模光纖18可以采用普通的單模裸光纖，即圖中所示。石英毛細管19的兩端分別與單模光纖18的一端和反射光纖21的一端通過熔接等方式連接，反射光纖21的另一端，即相對于與石英毛細管19連接的一端，做毛化處理，以降低端面22的反射率，避免形成多個法布里-珀羅干涉腔；或者，反射光纖21的另一端先切平，然后鍍膜。石英毛細管中的空氣腔20作為光纖法布里-珀羅超聲水聽器的干涉腔。優選的，反射光纖21的材質可以為石英，或者所述反射光纖可以為石英纖維，石英毛細管19為空心光纖或空心光子晶體光纖。實施例二:`請參考圖2，是本發明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第二實施例的結構示意圖。圖2與圖1的差別主要在于:在單模光纖18'、石英毛細管19'、距離石英毛細管19' 一段距離的單模光纖18'的涂覆層23和反射光纖21'的周圍鍍保護膜24或進行鎧裝，以提高光纖法布里-珀羅超聲水聽器的強度。實施例三:請參考圖3，是本發明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第三實施例的結構示意圖。圖3與圖1的主要區別在于:在空氣腔20" —個反射面鍍半反膜25，相對的另一個反射面鍍反射膜26，以提高靈敏度。在單模光纖18"、涂覆層23"、石英毛細管19"和反射光纖21"的周圍鍍保護膜24"或進行鎧裝，以提高強度。第二部分:關于光纖法布里-拍羅超聲水聽系統的三個實施例。該光纖法布里-拍羅超聲水聽系統由于采用圖1-3實施例的光纖法布里-珀羅超聲水聽器，因此十分適合于進行HIFU聲場的測量，并且如下的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統由于結構簡單，因此成本也低、易于實用化，便于大規模推廣。實施例一:請參考圖4，是光纖法布里-珀羅超聲水聽系統的第一實施例的結構示意圖。該光纖法布里-珀羅超聲水聽系統包括:光源1、光隔離器2、耦合器3、光纖法布里-珀羅超聲水聽器4和光電探測器5。其中，光源I連接光隔離器2的，耦合器具有三個端口，該三個端口分別與光隔離器2、光纖法布里-珀羅超聲水聽器4和光電探測器5連接。光源I發出的光經過光隔離器2和耦合器3被送至光纖法布里-珀羅超聲水聽器4，光纖法布里-珀羅超聲水聽器4的反射光經過耦合器3，被光電探測器5接收轉化為電壓信號輸出。此處光電探測器5可同時具有放大信號的作用。當該光纖法布里-珀羅超聲水聽系統進行HIFU聲場測量時，由于光纖法布里-珀羅超聲水聽器4的反射光是被超聲調制的，因此通過測量該反射光，可以實現對HIFU聲場的調制。實施例二:請參考圖5，是光纖法布里-珀羅超聲水聽系統的第二實施例的結構示意圖。其與圖4的主要區別在于:由光源驅動及接口設備7和波長可調窄線寬光源8代替圖4中的光源，由光纖環形器9代替圖4中的光隔離器2和耦合器3。另外，圖5中還包括:夾持光纖法布里-珀羅超聲水聽器的夾具，模數轉換器11和微處理器12。具體的，由夾具10保證光纖法布里-珀羅超聲水聽器4的穩定性，光電探測器5的輸出分成兩路，一路輸出為聲壓信號14，另一路連接至模數轉換器11，模數轉換器11連接至微處理器12，微處理器12通過光源驅動及接口設備7對波長可調窄線寬光源8進行波長反饋控制。另外，微處理器12同時輸出溫度信號15。實施例三:請參考圖6，是光纖法布里-珀羅超聲水聽系統的第三實施例的結構示意圖。其與圖5的主要區別在于，圖5中的模數轉換器11和微處理器12由圖6中的數據采集設備16和計算機17代替。光電探測器的輸出分成兩路，其中一路輸出通過數據采集設備16輸入計算機17，計算機17通過光源驅動及接口設備7對波長可調窄線寬光源8進行波長反饋控制。第三部分；關于圖5和6中涉及的 夾具10的兩個實施例。該夾具10是專為光纖法布里-珀羅超聲水聽器設計的，具有極好的夾持性。實施例一:請參考圖7，是夾具10的第一實施例的結構示意圖。該夾具10包含:夾持桿27、彈性體28和夾持頭29。其中夾持桿27、彈性體28和夾持頭29分別在軸線上打有通孔30、30;、30"，光纖法布里-珀羅超聲水聽器4依次穿過夾持桿27、彈性體28和夾持頭29，并且彈性體28的外側和夾持頭29內側具有圓錐面31，夾持桿27和夾持頭29采用螺紋32連接，通過上緊螺紋32擠壓彈性體28使光纖法布里-珀羅超聲水聽器4固定在夾具10中。實施例二:請參考圖8，是夾具10的第二實施例的結構示意圖。該夾具10包含:夾持桿33和夾持頭29'。夾持桿33和夾持頭29'分別在軸線上打有通孔36、36"，光纖法布里-珀羅超聲水聽器4依次穿過夾持桿33和夾持頭29,，在夾持桿33的頭上具有柔性梁34和帶錐度的設有通孔36'的夾頭35，夾頭35外側和夾持頭29'內側具有圓錐面31'，夾持桿33和夾持頭29'采用螺紋32'連接，通過上緊螺紋32'擠壓使夾頭35夾緊光纖法布里-珀羅超聲水聽器4，將其固定在夾具10中。第四部分:關于本發明實施例的光纖法布里-珀羅超聲水聽器系統測量HIFU聲場的應用實例:
請參考圖9，光纖法布里-珀羅超聲水聽器系統測量HIFU聲場的應用系統包括:波長可調窄帶激光器8，光纖環形器9，光纖法布里-珀羅超聲水聽器4，夾具10，光電探測器5，示波器46，多維移動平臺45，多維移動平臺控制器44，功率驅動源43，超聲換能器41，及水箱42。具體操作步驟為，夾具10夾緊光纖法布里-珀羅超聲傳感器4，再固定于多維移動平臺45上，光纖法布里-珀羅超聲傳感器4的敏感軸線方向與HIFU換能器聲軸方向平行；波長可調窄帶激光器8與光纖環形器9的一端的一臂相連，光纖環形器9的一端另一臂與光電探測器5的輸入端相連，光纖環形器9的另一端與光纖法布里-珀羅超聲水聽器4相連，光電探測器5的輸出端與示波器46相連；波長可調窄帶激光器8的波長調節到光纖法布里-珀羅超聲水聽器4反射譜偏置點；功率驅動源43激勵超聲換能器41在消聲除氣水水槽中形成高強度聚焦超聲場；在多維移動平臺44帶動光纖法布里-珀羅超聲水聽器4進行聲場掃描，此時示波器顯示的聲壓變化圖如圖10所示。在圖9中，當超聲到達光纖端面時，會在水一光纖介面發生反射和透射。如果超聲波的波長遠大于水聽器的直徑時，可以把透射進入光纖端面的超聲看作平面波。透射的超聲分兩個部分傳播，一部分超聲經過光纖端部的反射光纖到達光纖一空氣的界面。另一部分超聲由于光纖和石英毛細管相同的聲阻抗，將沿著光纖和石英毛細管中傳播。超聲在反射光纖和石英毛細管中的傳感波將導致其應力發生變化，即超聲會使光纖法布里-珀羅超聲水聽器的腔長發生改變。另外，超聲導致的切向應變也會導致光纖法布里-珀羅超聲水聽器的腔長發生改變，即超聲將引起光纖法布里-珀羅超聲水聽器的反射光的變化，通過分析該反射光的變化，可以得到超聲的相關信息。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。 ·
權利要求
1.一種光纖法布里-珀羅超聲水聽器，包括:單模光纖，反射光纖和石英毛細管，所述石英毛細管的兩端分別與所述單模光纖和反射光纖連接，所述石英管內的空氣腔作為干涉腔。
2.如權利要求1所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽器，其特征在于:所述反射光纖中相對于與所述石英毛細管連接的一端為毛化結構。
3.如權利要求1所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽器，其特征在于:在所述空氣腔的兩個反射面鍍膜。
4.如權利要求1所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽器，其特征在于:在所述單模光纖、石英毛細管和反射光纖的外表面鍍膜或鎧裝。
5.如權利要求1所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽器，其特征在于:所述反射光纖為石英材質光纖或石英纖維。
6.如權利要求1所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽器，其特征在于:所述石英毛細管為空心光纖或空心光子晶體光纖。
7.一種光纖法布里-珀羅超聲水聽系統，其特征在于:包括:光源組件、光纖組件、如權利要求1-6中任一項所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽器、用于夾持所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器的夾具以及探測與反饋組件；所述光源組件發出的光經過所述光纖組件到達所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器后，被超聲調制的所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器的反射光經過所述光纖組件被所述探測與反饋組件接收并處理。
8.如權利要求7所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統，其特征在于:所述夾具包括:夾持桿、彈性體和夾持頭，所述夾持桿、彈性體和夾持頭均設置有軸向通孔，所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器依次穿過夾持桿、彈性體和夾持頭，所述夾持桿和所述夾持頭采用螺紋連接，通過擠壓所述彈性體將所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器固定在所述夾具中。
9.如權利要求7所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統，其特征在于:所述夾具包括:夾持桿和夾持頭，所述夾持桿和夾持頭均設置有軸向通孔，在所述夾持桿的頭上還具有圓錐形狀的夾頭，所述夾持桿和夾持頭采用螺紋連接，通過上緊螺紋擠壓所述夾頭，將所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器固定在所述夾具中。
10.如權利要求7-9中任一項所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統，其特征在于:所述光纖組件為光纖環形器、或串聯的光隔離器和耦合器，所述探測與反饋組件包括:光電探測器和反饋電路，所述光電探器接收所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器的反射光，并分為兩路，一路輸出超聲的聲壓信號，另一種輸至反饋 電路，由反饋電路根據該路信號對所述光源組件進行波長反饋調節，同時輸出溫度信號。
全文摘要
本發明公開了一種光纖Fabry-Perot超聲水聽器及系統，可以用于測量高強度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)聲場。其中系統包括光源組件、光纖組件、光纖法布里-珀羅超聲水聽器、夾持光纖法布里-珀羅超聲水聽器的夾具和探測與反饋組件；光源組件發出的光經過光纖組件到達光纖法布里-珀羅超聲水聽器后，被超聲調制的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的反射光經過光纖組件被探測與反饋組件接收并處理。其中光纖Fabry-Perot超聲水聽器，包括單模光纖，反射光纖和石英毛細管，石英毛細管的兩端分別與單模光纖和反射光纖連接，石英管內的空氣腔作為干涉腔。本發明能夠承受HIFU聲場的高聲壓，并且具有聲壓靈敏度高，空間分辨率高和同時溫度測量的特性。
文檔編號G01H9/00GK103234619SQ201310147859
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月25日 優先權日2013年4月25日
發明者王代華, 賈平崗, 王帥杰 申請人:重慶大學
專業數控銑床產品供應商
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