基于光纖錯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】本發明提供了一種基于光纖錯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、光纖錯位熔接串；其中，光纖錯位熔接串包含一系列不同光纖纖芯錯位量的光纖錯位熔接單元，所述光纖錯位熔接單元按照光纖錯位量由小到大連接，實現實時超聲激發點多的光纖激光超聲激發。單模光纖錯位熔接后將光纖錯位熔接點處附近的部分包層去除，并在此處涂覆光聲轉換材料。本發明實現單點可控的分布式光纖激光超聲同時激發，結構簡單、制備容易、成本低、超聲激發點多、抗電磁干擾性能強并可以永久式、嵌入式使用。本發明可廣泛應用于無損檢測、生物醫療、結構健康監測、材料特性分析等領域。
【專利說明】
基于光纖錯位熔接的分布式光纖激光超聲換能器
技術領域
[0001] 本發明涉及光聲換能技術領域，尤其涉及一種基于光纖錯位熔接的分布式光纖激 光超聲換能器。
【背景技術】
[0002] 目前全光纖的激光超聲換能器的結構和光聲轉換材料都等到了快速的發展，大大 的提高了光聲轉換效率、激發的超聲頻率，但分布式光纖激光超聲換能器還存在很多困難， 例如單點激發超聲強度的不可控、分布式能力差、不易實現多點同時激發超聲、制備成本 高、制作工藝復雜、操作困難等。
[0003] 在非專利文獻 1 ( "A11-f iber opt i c u 1 trasoni c struetura 1 heal th monitoring system" SPIE, 2009,72923D-72923D-8)中提出通過打磨的方法在光纖上實現 分布式，在光纖局部側表面打磨至纖芯并涂覆上轉換材料，光聲轉換材料通過熱膨脹效應 產生超聲，在一根光纖多處重復操作實現了多點同時激發超聲，但單點激發超聲強度的不 可控、同時超聲激發的強度小、分布式能力差。
[0004] 非專利文獻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現分布式超聲激發，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換 材料，并通過熱膨脹效應產生超聲。在一根鏈路上串聯多個這樣的具有不同波長的"幻影 模"的傾斜布拉格光柵，利用輸入不同波長的激光實現了分布式超聲激發，但無法實現多點 同時激發超聲波。由于使用了高功率的脈沖激光，脈沖激光的中心波長需要與傾斜布拉格 光柵的"幻影模"波長匹配，但實際制備的傾斜布拉格光柵無法與光源的中心波長匹配，需 要對傾斜布拉格光柵施加外力使其與光源的中心波長匹配，因此大大增加了損壞風險，制 備過程復雜不易操作，光柵在長期拉伸的條件下也會使其性能發生變化。另外該方法要求 必須使用窄線寬、波長可調諧的脈沖光源；同時傾斜布拉格光柵制備相對困難，提高了整體 的制作成本。
[0005] 專利文獻1(中國專利公開號CN104741305A)在非專利文獻2的基礎上提出了一種 基于傾斜光柵幻影模耦合強度及波長控制的分布式光纖激光超聲換能器。在保留前人使用 不同波長的"幻影模"的傾斜布拉格光柵的基礎上，控制單一波長的"幻影模"的傾斜布拉格 光柵的耦合強度彌補了其不能多點同時激發的缺陷，但其同樣需要對傾斜布拉格光柵施加 外力使其與光源的中心波長匹配，產生損壞的風險，制備過程復雜不易操作，光柵在長期拉 伸的條件下也會使其性能發生變化;傾斜布拉格光柵制備困難，同時提高了整體的制作成 本等問題尚未解決。
[0006] 綜上所述，為了提高分布式光纖激光超聲換能器的性能，為了滿足多點同時激發， 單點激發超聲強度可控，超聲激發點多，制備容易，操作簡單，成本低，對高功率脈沖激光光 源條件寬泛，本發明提出了一種基于光纖錯位熔接的分布式光纖激光超聲換能器，大大提 高了其實際應用能力。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種基于光纖錯位熔接的分 布式光纖激光超聲換能器，可以在無損檢測、生物醫療、結構健康監測、材料特性分析等領 域廣泛應用。
[0008] 為達上述目的，本發明通過以下技術方案實現：
[0009] -種基于光纖錯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、光纖錯位熔接串。其中，光纖錯位熔接 串包含一系列不同光纖纖芯錯位量的光纖錯位熔接單元。光纖錯位熔接單元按照光纖錯位 量由小到大連接。所述光纖錯位熔接單元包括腐蝕后的單模光纖和光聲轉換材料，其中，所 述單模光纖錯位熔接，將光纖錯位熔接點處附近的部分包層去除，并在此處涂覆光聲轉換 材料。
[0010] 本發明的有益效果是:本發明利用輸入錯位熔接單元的高功率脈沖激光在錯將位 熔接點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換材料， 因此泄露在包層的激光能量被光聲轉換材料吸收并產生超聲波。由于光纖纖芯錯位量的大 小決定其泄露到包層的激光能量的大小，可以通過控制光纖纖芯錯位量控制單點激發出的 超聲強度，同時合理設置每個光纖錯位熔接單元中光纖纖芯錯位量，可以實現在一個工作 波長條件下多個光纖錯位單元同時激發超聲，進而實現單點可控的分布式光纖激光超聲同 時激發。這種結構的具體優勢在于：
[0011] (1)光纖錯位熔接可以通過改變光纖纖芯錯位量控制其泄露到光纖包層的激光能 量，進而控制該點處激發超聲波的強度，實現分布式光纖激光超聲換能器單點可控。
[0012] (2)光纖錯位熔接，改變光纖纖芯微小的錯位量就會產生不同強度的能量泄露，所 以本發明超聲激發點多。
[0013] (3)光纖錯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)光纖錯位熔接制作僅需一臺普通的光纖熔接即可完成，制作工藝簡單，易于實 際應用。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明的基于光纖錯位熔接的分布式光纖激光超聲換能器的裝置結構示意 圖；
[0016] 圖2是錯位熔接單元的結構示意圖；
[0017] 圖3是單模光纖錯位量與泄露激光能量關系圖；
[0018] 圖4是單模光纖錯位量與泄露激光能量百分比關系圖；
[0019] 圖5是光纖錯位熔接效果圖；
[0020] 圖6是光纖錯位熔接腐蝕前后對比圖；
[0021] 圖7是本發明的超聲激發與檢測系統圖；
[0022]圖8是光纖錯位熔接串超聲激發的效果圖。 具體實施方案
[0023] 下面通過【具體實施方式】結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0024] 如附圖1所示，本發明的基于光纖錯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、光纖錯位熔 接串104。上述器件依次連接構成了本發明的超聲激發裝置，其中，光纖錯位熔接串104包含 一系列不同光纖纖芯錯位量的光纖錯位熔接單元105。光纖錯位熔接單元105按照光纖錯位 量由小到大連接，這樣連接保證下游還有充足的能量用來激發超聲，進而增強分布式能力。
[0025] 光纖錯位熔接單元105的結構如附圖2所示，其包括腐蝕后的單模光纖201和光聲 轉換材料204,其中，所述單模光纖201錯位熔接，將光纖錯位熔接點處附近的部分包層去 除，并在此處涂覆光聲轉換材料204。光在所述單模光纖201中形成了芯模202和包層模203。 光聲轉換材料包括:環氧樹脂和石墨混合物、聚二甲基硅氧烷和金納米顆粒混合物、環氧樹 脂和碳納米管等利用熱彈性膨脹效應產生超聲波的材料。
[0026] 在錯將位熔接點處，入射的高功率脈沖激光的部分能量會泄露在包層，由于該處 部分包層被去除并涂覆了光聲轉換材料，因此泄露在包層的激光能量被光聲轉換材料吸收 并產生超聲波。
[0027] 本發明的基于光纖錯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 于不同單模光纖錯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為光纖錯位量，ωο為模場半徑，Ld泄露到包層的 激光能量。公式(3)中m為纖芯折射率，no為兩端面間物質的折射率。單模光纖錯位量與泄露 激光能量關系，如附圖3所示。單模光纖錯位量與泄露激光能量百分比關系，如附圖4所示。
[0032] 由于光纖纖芯錯位量的大小決定其泄露到包層的激光能量大小，可以通過控制光 纖纖芯錯位量控制單點激發出的超聲強度，同時合理設置每個光纖錯位熔接單元中光纖纖 芯錯位量，可以實現在一個工作波長條件下多個光纖錯位單元同時激發超聲，并通過錯位 量的選擇控制激發點的激發強度，實現一種分布式光纖激光超聲同時激發。
[0033] 本發明的基于光纖錯位熔接的分布式光纖激光超聲換能器的光纖錯位熔接單元 具體制備方法如下：
[0034] (1)配置光聲轉換材料，本實施例采用環氧樹脂與石墨的混合物，配置石墨的濃度 為3% 〇
[0035] (2)通過合理控制光纖熔接機的放電時間和放電強度，手動將兩端單模光纖進行 熔接，光纖錯位熔接效果圖，如附圖5所示。
[0036] (3)將錯位熔接后的光纖放置在自制的塑料材質的光纖腐蝕槽里，然后用蠟封的 方法將兩端固定同時可以與腐蝕槽內的液體隔離。然后在通風櫥內將40 %濃度的HF倒入腐 蝕槽，一段時間后取出腐蝕槽(腐蝕時間可以控制光纖腐蝕深度，本實施例腐蝕40分鐘），然 后用蒸餾水清洗。光纖錯位熔接腐蝕前后對比圖，如附圖6所示。
[0037] (4)將腐蝕后的光纖從腐蝕槽內取出，在一塊小鋁板上刻出一個淺槽，將光纖放在 槽內。在將事先配置好的光聲轉換材料涂覆在槽內的光纖上。
[0038] (5)然后將涂覆結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 時使轉換材料固化。
[0039] 本發明的超聲激發與檢測系統如附圖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）、光纖錯位熔接串704、壓電陶瓷超 聲探頭705、電學放大器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。用壓電陶瓷超聲探頭705探測激發出的超聲波，在探頭上涂上適量 的甘油，緊貼在鋁板709涂覆的反面探測超聲波，通過示波器707顯示超聲波的強弱變化，選 取合適的探測位置，獲得最優的探測位置。
[0040] 本實施例選擇一個包括5個光纖錯位熔接點的激光超聲換能器進行實驗，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。我們使用超聲探測頭(PZT)探測每段 的超聲信號，探測到的每個錯位熔接點激發的超聲信號，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中左側一列是每個錯位熔接點激發的超聲序列，附圖8 中右側一列是其對應的單個脈沖的時間波形。從附圖8中可以觀察到每個錯位點所激發的 超聲脈沖幅度均近似相等，證明了本發明通過控制光纖的錯位量，可以很好的控制每個點 的超聲激發強度。
[0041] 以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的 保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于光纖錯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、 光纖錯位熔接串；其中，所述光纖錯位熔接串包含一系列不同光纖纖芯錯位量的光纖錯位 熔接單元，所述光纖錯位熔接單元按照光纖錯位量由小到大連接，實現實時超聲激發點多 的光纖激光超聲激發。2. 根據權利要求1所述的光纖激光超聲換能器，其特征在于:所述光纖錯位熔接單元包 括腐蝕后的單模光纖和光聲轉換材料，其中，所述單模光纖錯位熔接，將光纖錯位熔接點處 附近的部分包層去除，并在此處涂覆光聲轉換材料。3. 根據權利要求2所述的光纖激光超聲換能器，其特征在于:所述光聲轉換材料為利用 熱彈性膨脹效應產生超聲波的材料，包括:環氧樹脂和石墨混合物、聚二甲基硅氧烷和金納 米顆粒混合物、環氧樹脂和碳納米管。4. 根據權利要求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：由于纖芯錯位，所述光纖錯位熔接單元的輸入的高功率脈沖激光在錯將位 熔接點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換材料，因 此泄露在包層的激光能量被光聲轉換材料吸收并產生超聲波;光纖纖芯錯位量的大小決定 其泄露到包層的激光能量大小，通過控制光纖纖芯錯位量控制單點激發出的超聲強度，同 時合理設置每個光纖錯位熔接單元中光纖纖芯錯位量，以實現在一個工作波長條件下多個 光纖錯位單元同時激發超聲，進而實現分布式光纖激光超聲同時激發。5. 根據權利要求2所述的光纖激光超聲換能器，其特征在于:所述光纖錯位熔接單元具 體制備方法如下： 1) 配置光聲轉換材料； 2) 通過合理控制光纖熔接機的放電時間和放電強度，手動將兩端單模光纖進行熔接； 3) 將錯位熔接后的光纖放置在塑料材質的光纖腐蝕槽里，然后用蠟封的方法將兩端固 定同時可以與腐蝕槽內的液體隔離;然后在通風櫥內將40%濃度的HF倒入腐蝕槽，一段時間 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取出，在鋁板上刻出一個淺槽，將光纖放在槽內；再將事 先配置好的光聲轉換材料涂覆在槽內的光纖上； 5) 然后將涂覆結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小時使 轉換材料固化。
【文檔編號】G02B6/255GK106094110SQ201610604595
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月27日 公開號201610604595.0, CN 106094110 A, CN 106094110A, CN 201610604595, CN-A-106094110, CN106094110 A, CN106094110A, CN201610604595, CN201610604595.0
【發明人】田佳峻, 高士民, 張新, 姚勇
【申請人】哈爾濱工業大學深圳研究生院