基于光纖錯(cuò)位熔接的分布式光纖激光超聲換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于光纖錯(cuò)位熔接的分布式光纖激光超聲換能器，包括依次連接的脈沖激光器、高功率脈沖激光放大器、高功率脈沖激光隔離器、光纖錯(cuò)位熔接串；其中，光纖錯(cuò)位熔接串包含一系列不同光纖纖芯錯(cuò)位量的光纖錯(cuò)位熔接單元，所述光纖錯(cuò)位熔接單元按照光纖錯(cuò)位量由小到大連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)超聲激發(fā)點(diǎn)多的光纖激光超聲激發(fā)。單模光纖錯(cuò)位熔接后將光纖錯(cuò)位熔接點(diǎn)處附近的部分包層去除，并在此處涂覆光聲轉(zhuǎn)換材料。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)可控的分布式光纖激光超聲同時(shí)激發(fā)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備容易、成本低、超聲激發(fā)點(diǎn)多、抗電磁干擾性能強(qiáng)并可以永久式、嵌入式使用。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)、生物醫(yī)療、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、材料特性分析等領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】
基于光纖錯(cuò)位熔接的分布式光纖激光超聲換能器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光聲換能技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖錯(cuò)位熔接的分布式光纖激 光超聲換能器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前全光纖的激光超聲換能器的結(jié)構(gòu)和光聲轉(zhuǎn)換材料都等到了快速的發(fā)展，大大 的提高了光聲轉(zhuǎn)換效率、激發(fā)的超聲頻率，但分布式光纖激光超聲換能器還存在很多困難， 例如單點(diǎn)激發(fā)超聲強(qiáng)度的不可控、分布式能力差、不易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)激發(fā)超聲、制備成本 高、制作工藝復(fù)雜、操作困難等。
[0003] 在非專利文獻(xiàn) 1 ( "A11-f iber opt i c u 1 trasoni c struetura 1 heal th monitoring system" SPIE, 2009,72923D-72923D-8)中提出通過(guò)打磨的方法在光纖上實(shí)現(xiàn) 分布式，在光纖局部側(cè)表面打磨至纖芯并涂覆上轉(zhuǎn)換材料，光聲轉(zhuǎn)換材料通過(guò)熱膨脹效應(yīng) 產(chǎn)生超聲，在一根光纖多處重復(fù)操作實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)同時(shí)激發(fā)超聲，但單點(diǎn)激發(fā)超聲強(qiáng)度的不 可控、同時(shí)超聲激發(fā)的強(qiáng)度小、分布式能力差。
[0004] 非專利文獻(xiàn)2( "Distributed fiber-optic laser-ultrasound generation based on ghost-mode of tilted fiber Bragg gratings^Opt. express,2013,21(5): 6109-6114.)提出基于傾斜布拉格光柵在光纖上實(shí)現(xiàn)分布式超聲激發(fā)，傾斜布拉格光柵可 以將其"幻影模"耦合到光纖包層，將傾斜布拉格光柵前端部分包層去除并涂覆上光聲轉(zhuǎn)換 材料，并通過(guò)熱膨脹效應(yīng)產(chǎn)生超聲。在一根鏈路上串聯(lián)多個(gè)這樣的具有不同波長(zhǎng)的"幻影 模"的傾斜布拉格光柵，利用輸入不同波長(zhǎng)的激光實(shí)現(xiàn)了分布式超聲激發(fā)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn) 同時(shí)激發(fā)超聲波。由于使用了高功率的脈沖激光，脈沖激光的中心波長(zhǎng)需要與傾斜布拉格 光柵的"幻影模"波長(zhǎng)匹配，但實(shí)際制備的傾斜布拉格光柵無(wú)法與光源的中心波長(zhǎng)匹配，需 要對(duì)傾斜布拉格光柵施加外力使其與光源的中心波長(zhǎng)匹配，因此大大增加了損壞風(fēng)險(xiǎn)，制 備過(guò)程復(fù)雜不易操作，光柵在長(zhǎng)期拉伸的條件下也會(huì)使其性能發(fā)生變化。另外該方法要求 必須使用窄線寬、波長(zhǎng)可調(diào)諧的脈沖光源；同時(shí)傾斜布拉格光柵制備相對(duì)困難，提高了整體 的制作成本。
[0005] 專利文獻(xiàn)1(中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN104741305A)在非專利文獻(xiàn)2的基礎(chǔ)上提出了一種 基于傾斜光柵幻影模耦合強(qiáng)度及波長(zhǎng)控制的分布式光纖激光超聲換能器。在保留前人使用 不同波長(zhǎng)的"幻影模"的傾斜布拉格光柵的基礎(chǔ)上，控制單一波長(zhǎng)的"幻影模"的傾斜布拉格 光柵的耦合強(qiáng)度彌補(bǔ)了其不能多點(diǎn)同時(shí)激發(fā)的缺陷，但其同樣需要對(duì)傾斜布拉格光柵施加 外力使其與光源的中心波長(zhǎng)匹配，產(chǎn)生損壞的風(fēng)險(xiǎn)，制備過(guò)程復(fù)雜不易操作，光柵在長(zhǎng)期拉 伸的條件下也會(huì)使其性能發(fā)生變化;傾斜布拉格光柵制備困難，同時(shí)提高了整體的制作成 本等問(wèn)題尚未解決。
[0006] 綜上所述，為了提高分布式光纖激光超聲換能器的性能，為了滿足多點(diǎn)同時(shí)激發(fā)， 單點(diǎn)激發(fā)超聲強(qiáng)度可控，超聲激發(fā)點(diǎn)多，制備容易，操作簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)高功率脈沖激光光 源條件寬泛，本發(fā)明提出了一種基于光纖錯(cuò)位熔接的分布式光纖激光超聲換能器，大大提 高了其實(shí)際應(yīng)用能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于光纖錯(cuò)位熔接的分 布式光纖激光超聲換能器，可以在無(wú)損檢測(cè)、生物醫(yī)療、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、材料特性分析等領(lǐng) 域廣泛應(yīng)用。
[0008] 為達(dá)上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種基于光纖錯(cuò)位熔接的分布式光纖激光超聲換能器，包括依次連接的脈沖激光 器、高功率脈沖激光放大器、高功率脈沖激光隔離器、光纖錯(cuò)位熔接串。其中，光纖錯(cuò)位熔接 串包含一系列不同光纖纖芯錯(cuò)位量的光纖錯(cuò)位熔接單元。光纖錯(cuò)位熔接單元按照光纖錯(cuò)位 量由小到大連接。所述光纖錯(cuò)位熔接單元包括腐蝕后的單模光纖和光聲轉(zhuǎn)換材料，其中，所 述單模光纖錯(cuò)位熔接，將光纖錯(cuò)位熔接點(diǎn)處附近的部分包層去除，并在此處涂覆光聲轉(zhuǎn)換 材料。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明利用輸入錯(cuò)位熔接單元的高功率脈沖激光在錯(cuò)將位 熔接點(diǎn)處部分將激光能量泄露在包層，由于該處部分包層被去除并涂覆了光聲轉(zhuǎn)換材料， 因此泄露在包層的激光能量被光聲轉(zhuǎn)換材料吸收并產(chǎn)生超聲波。由于光纖纖芯錯(cuò)位量的大 小決定其泄露到包層的激光能量的大小，可以通過(guò)控制光纖纖芯錯(cuò)位量控制單點(diǎn)激發(fā)出的 超聲強(qiáng)度，同時(shí)合理設(shè)置每個(gè)光纖錯(cuò)位熔接單元中光纖纖芯錯(cuò)位量，可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工作 波長(zhǎng)條件下多個(gè)光纖錯(cuò)位單元同時(shí)激發(fā)超聲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)可控的分布式光纖激光超聲同 時(shí)激發(fā)。這種結(jié)構(gòu)的具體優(yōu)勢(shì)在于：
[0011] (1)光纖錯(cuò)位熔接可以通過(guò)改變光纖纖芯錯(cuò)位量控制其泄露到光纖包層的激光能 量，進(jìn)而控制該點(diǎn)處激發(fā)超聲波的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)分布式光纖激光超聲換能器單點(diǎn)可控。
[0012] (2)光纖錯(cuò)位熔接，改變光纖纖芯微小的錯(cuò)位量就會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的能量泄露，所 以本發(fā)明超聲激發(fā)點(diǎn)多。
[0013] (3)光纖錯(cuò)位熔接使用的是普通的單模光纖，大大降低了制作成本。
[0014] (4)光纖錯(cuò)位熔接制作僅需一臺(tái)普通的光纖熔接即可完成，制作工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí) 際應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的基于光纖錯(cuò)位熔接的分布式光纖激光超聲換能器的裝置結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0016] 圖2是錯(cuò)位熔接單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖3是單模光纖錯(cuò)位量與泄露激光能量關(guān)系圖；
[0018] 圖4是單模光纖錯(cuò)位量與泄露激光能量百分比關(guān)系圖；
[0019] 圖5是光纖錯(cuò)位熔接效果圖；
[0020] 圖6是光纖錯(cuò)位熔接腐蝕前后對(duì)比圖；
[0021] 圖7是本發(fā)明的超聲激發(fā)與檢測(cè)系統(tǒng)圖；
[0022]圖8是光纖錯(cuò)位熔接串超聲激發(fā)的效果圖。 具體實(shí)施方案
[0023] 下面通過(guò)【具體實(shí)施方式】結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0024] 如附圖1所示，本發(fā)明的基于光纖錯(cuò)位熔接的分布式光纖激光超聲換能器的裝置 包括:脈沖激光器101、高功率脈沖激光放大器102、高功率脈沖激光隔離器103、光纖錯(cuò)位熔 接串104。上述器件依次連接構(gòu)成了本發(fā)明的超聲激發(fā)裝置，其中，光纖錯(cuò)位熔接串104包含 一系列不同光纖纖芯錯(cuò)位量的光纖錯(cuò)位熔接單元105。光纖錯(cuò)位熔接單元105按照光纖錯(cuò)位 量由小到大連接，這樣連接保證下游還有充足的能量用來(lái)激發(fā)超聲，進(jìn)而增強(qiáng)分布式能力。
[0025] 光纖錯(cuò)位熔接單元105的結(jié)構(gòu)如附圖2所示，其包括腐蝕后的單模光纖201和光聲 轉(zhuǎn)換材料204,其中，所述單模光纖201錯(cuò)位熔接，將光纖錯(cuò)位熔接點(diǎn)處附近的部分包層去 除，并在此處涂覆光聲轉(zhuǎn)換材料204。光在所述單模光纖201中形成了芯模202和包層模203。 光聲轉(zhuǎn)換材料包括:環(huán)氧樹(shù)脂和石墨混合物、聚二甲基硅氧烷和金納米顆?；旌衔?、環(huán)氧樹(shù) 脂和碳納米管等利用熱彈性膨脹效應(yīng)產(chǎn)生超聲波的材料。
[0026] 在錯(cuò)將位熔接點(diǎn)處，入射的高功率脈沖激光的部分能量會(huì)泄露在包層，由于該處 部分包層被去除并涂覆了光聲轉(zhuǎn)換材料，因此泄露在包層的激光能量被光聲轉(zhuǎn)換材料吸收 并產(chǎn)生超聲波。
[0027] 本發(fā)明的基于光纖錯(cuò)位熔接的分布式光纖激光超聲換能器具體工作原理如下:對(duì) 于不同單模光纖錯(cuò)位量與泄露激光能量滿足下面的公式：
[0029] n=16k2/(l+k)4 (2)
[0030] k = m/n〇 (3)
[0031] 其中，公式（1)中Ao為修正因子，d為光纖錯(cuò)位量，ωο為模場(chǎng)半徑，Ld泄露到包層的 激光能量。公式(3)中m為纖芯折射率，no為兩端面間物質(zhì)的折射率。單模光纖錯(cuò)位量與泄露 激光能量關(guān)系，如附圖3所示。單模光纖錯(cuò)位量與泄露激光能量百分比關(guān)系，如附圖4所示。
[0032] 由于光纖纖芯錯(cuò)位量的大小決定其泄露到包層的激光能量大小，可以通過(guò)控制光 纖纖芯錯(cuò)位量控制單點(diǎn)激發(fā)出的超聲強(qiáng)度，同時(shí)合理設(shè)置每個(gè)光纖錯(cuò)位熔接單元中光纖纖 芯錯(cuò)位量，可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工作波長(zhǎng)條件下多個(gè)光纖錯(cuò)位單元同時(shí)激發(fā)超聲，并通過(guò)錯(cuò)位 量的選擇控制激發(fā)點(diǎn)的激發(fā)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)一種分布式光纖激光超聲同時(shí)激發(fā)。
[0033] 本發(fā)明的基于光纖錯(cuò)位熔接的分布式光纖激光超聲換能器的光纖錯(cuò)位熔接單元 具體制備方法如下：
[0034] (1)配置光聲轉(zhuǎn)換材料，本實(shí)施例采用環(huán)氧樹(shù)脂與石墨的混合物，配置石墨的濃度 為3% 〇
[0035] (2)通過(guò)合理控制光纖熔接機(jī)的放電時(shí)間和放電強(qiáng)度，手動(dòng)將兩端單模光纖進(jìn)行 熔接，光纖錯(cuò)位熔接效果圖，如附圖5所示。
[0036] (3)將錯(cuò)位熔接后的光纖放置在自制的塑料材質(zhì)的光纖腐蝕槽里，然后用蠟封的 方法將兩端固定同時(shí)可以與腐蝕槽內(nèi)的液體隔離。然后在通風(fēng)櫥內(nèi)將40 %濃度的HF倒入腐 蝕槽，一段時(shí)間后取出腐蝕槽(腐蝕時(shí)間可以控制光纖腐蝕深度，本實(shí)施例腐蝕40分鐘），然 后用蒸餾水清洗。光纖錯(cuò)位熔接腐蝕前后對(duì)比圖，如附圖6所示。
[0037] (4)將腐蝕后的光纖從腐蝕槽內(nèi)取出，在一塊小鋁板上刻出一個(gè)淺槽，將光纖放在 槽內(nèi)。在將事先配置好的光聲轉(zhuǎn)換材料涂覆在槽內(nèi)的光纖上。
[0038] (5)然后將涂覆結(jié)束的鋁板和光纖放置在溫度可控的高溫爐里120度恒溫加熱4小 時(shí)使轉(zhuǎn)換材料固化。
[0039] 本發(fā)明的超聲激發(fā)與檢測(cè)系統(tǒng)如附圖7所示，其由脈沖激光器702、高功率脈沖激 光放大器703、高功率脈沖激光隔離器(附圖7中未示出）、光纖錯(cuò)位熔接串704、壓電陶瓷超 聲探頭705、電學(xué)放大器706、示波器707依次連接。脈沖激光器702與5V恒功率電源701和電 腦708連接，其中，5V恒功率電源701用于為脈沖激光器702提供電源，電腦708用于為脈沖激 光器702提供控制信號(hào)。用壓電陶瓷超聲探頭705探測(cè)激發(fā)出的超聲波，在探頭上涂上適量 的甘油，緊貼在鋁板709涂覆的反面探測(cè)超聲波，通過(guò)示波器707顯示超聲波的強(qiáng)弱變化，選 取合適的探測(cè)位置，獲得最優(yōu)的探測(cè)位置。
[0040] 本實(shí)施例選擇一個(gè)包括5個(gè)光纖錯(cuò)位熔接點(diǎn)的激光超聲換能器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每段泄 露到包層的能量分別為0.98(^、1.44(^、1.61(^、3.04(^、28.53(^，每段泄露到包層的能量 占總能量的百分比分別為20.2 %、22.52%、17.76 %、19.88%、19.61 %。選取輸入激光脈沖 寬度為60ns，頻率為3kHz，輸入平均功率為239.33mW。我們使用超聲探測(cè)頭(PZT)探測(cè)每段 的超聲信號(hào)，探測(cè)到的每個(gè)錯(cuò)位熔接點(diǎn)激發(fā)的超聲信號(hào)，均是與激光脈沖相同頻率(3kHz) 的超聲波脈沖，如附圖8所示。附圖8中左側(cè)一列是每個(gè)錯(cuò)位熔接點(diǎn)激發(fā)的超聲序列，附圖8 中右側(cè)一列是其對(duì)應(yīng)的單個(gè)脈沖的時(shí)間波形。從附圖8中可以觀察到每個(gè)錯(cuò)位點(diǎn)所激發(fā)的 超聲脈沖幅度均近似相等，證明了本發(fā)明通過(guò)控制光纖的錯(cuò)位量，可以很好的控制每個(gè)點(diǎn) 的超聲激發(fā)強(qiáng)度。
[0041] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于光纖錯(cuò)位熔接的分布式光纖激光超聲換能器，其特征在于:所述光纖激光 超聲換能器包括依次連接的脈沖激光器、高功率脈沖激光放大器、高功率脈沖激光隔離器、 光纖錯(cuò)位熔接串；其中，所述光纖錯(cuò)位熔接串包含一系列不同光纖纖芯錯(cuò)位量的光纖錯(cuò)位 熔接單元，所述光纖錯(cuò)位熔接單元按照光纖錯(cuò)位量由小到大連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)超聲激發(fā)點(diǎn)多 的光纖激光超聲激發(fā)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光超聲換能器，其特征在于:所述光纖錯(cuò)位熔接單元包 括腐蝕后的單模光纖和光聲轉(zhuǎn)換材料，其中，所述單模光纖錯(cuò)位熔接，將光纖錯(cuò)位熔接點(diǎn)處 附近的部分包層去除，并在此處涂覆光聲轉(zhuǎn)換材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖激光超聲換能器，其特征在于:所述光聲轉(zhuǎn)換材料為利用 熱彈性膨脹效應(yīng)產(chǎn)生超聲波的材料，包括:環(huán)氧樹(shù)脂和石墨混合物、聚二甲基硅氧烷和金納 米顆?；旌衔铩h(huán)氧樹(shù)脂和碳納米管。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖激光超聲換能器，其特征在于:所述光纖激光超聲換能器 的工作原理為：由于纖芯錯(cuò)位，所述光纖錯(cuò)位熔接單元的輸入的高功率脈沖激光在錯(cuò)將位 熔接點(diǎn)處部分激光能量泄露在包層，由于該處部分包層被去除并涂覆了光聲轉(zhuǎn)換材料，因 此泄露在包層的激光能量被光聲轉(zhuǎn)換材料吸收并產(chǎn)生超聲波;光纖纖芯錯(cuò)位量的大小決定 其泄露到包層的激光能量大小，通過(guò)控制光纖纖芯錯(cuò)位量控制單點(diǎn)激發(fā)出的超聲強(qiáng)度，同 時(shí)合理設(shè)置每個(gè)光纖錯(cuò)位熔接單元中光纖纖芯錯(cuò)位量，以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工作波長(zhǎng)條件下多個(gè) 光纖錯(cuò)位單元同時(shí)激發(fā)超聲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分布式光纖激光超聲同時(shí)激發(fā)。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖激光超聲換能器，其特征在于:所述光纖錯(cuò)位熔接單元具 體制備方法如下： 1) 配置光聲轉(zhuǎn)換材料； 2) 通過(guò)合理控制光纖熔接機(jī)的放電時(shí)間和放電強(qiáng)度，手動(dòng)將兩端單模光纖進(jìn)行熔接； 3) 將錯(cuò)位熔接后的光纖放置在塑料材質(zhì)的光纖腐蝕槽里，然后用蠟封的方法將兩端固 定同時(shí)可以與腐蝕槽內(nèi)的液體隔離;然后在通風(fēng)櫥內(nèi)將40%濃度的HF倒入腐蝕槽，一段時(shí)間 后取出腐蝕槽，然后用蒸餾水清洗； 4) 將腐蝕后的光纖從腐蝕槽內(nèi)取出，在鋁板上刻出一個(gè)淺槽，將光纖放在槽內(nèi)；再將事 先配置好的光聲轉(zhuǎn)換材料涂覆在槽內(nèi)的光纖上； 5) 然后將涂覆結(jié)束的鋁板和光纖放置在溫度可控的高溫爐里120度恒溫加熱4小時(shí)使 轉(zhuǎn)換材料固化。
【文檔編號(hào)】G02B6/255GK106094110SQ201610604595
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月27日 公開(kāi)號(hào)201610604595.0, CN 106094110 A, CN 106094110A, CN 201610604595, CN-A-106094110, CN106094110 A, CN106094110A, CN201610604595, CN201610604595.0
【發(fā)明人】田佳峻, 高士民, 張新, 姚勇
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院