專利名稱：端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明具體涉及一種端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲(HighIntensityFocused Ultrasound)傳感器及系統(tǒng),能對高強度聚焦超聲聲場分布進行準確快速測量，屬于傳感技術領域。
背景技術：
高強度聚焦超聲治療是新興的無創(chuàng)/微創(chuàng)治療腫瘤癌癥技術。高強度聚焦超聲治療利用聚焦超聲產生的巨大能量，殺死超聲聚焦區(qū)域內的腫瘤細胞，而周圍組織受損較小，它具有非侵入性治療等優(yōu)點。為了能進行完全和有效的高強度聚焦超聲治療，必須準確地確定高強度聚焦超聲聲場分布、聲能量分布和聲焦域大小。目前主要采用壓電水聽器測量高強度聚焦超聲聲場，但壓電水聽器存在難以承受高聲壓的缺點，主要應用于對低強度聲 場的測量。一般通過低強度聲場下壓電水聽器測量結果理論推算得到高強度聲場特性，理論推算得到高強度聲場參數(shù)很不準確，這給高強度聚焦超聲治療帶來安全隱患。光纖水聽器(Fiber optic hydrophone)具有屏蔽電磁干擾、承受高聲壓和高空間分辨率等優(yōu)勢,光纖水聽器主要有基于Fresnel端面反射原理的光強型光纖水聽器、光纖Fabry-Perot水聽器和光纖Bragg光柵水聽器?；贔resnel端面反射原理的光強型光纖水聽器可實現(xiàn)高強度聚焦超聲聲場端部敏感，能測量極高聲壓，但是最小可測聲壓高O O. 9MPa)、聲壓分辨率低，難以滿足高分辨率聲場測量要求([l]Staudenraus J and Eisenmenger ff, Ultrasonics, Vol31, No 4,267-273, 1993 ； [2]Canney M S，et al, Journal of theAcoustical Society ofAmerica, Vol 124, No 4，2406-2420，2008 ; [3]Umchid S, et al, Ultrasonics, Vol 49, No3,306-311, March 2009 ； [4]Ueberle F and Jamshidi-Rad A, Proceedings of the 26thInternational Conference on Low Temperature Physics,Beijing, China, Vol 279, NoI,012001-012007, 2011)。光纖Fabry-Perot水聽器主要通過在光纖端部鍍膜(包括鋁膜的PET(聚乙烯對酞酸鹽)([5]Beard P C and Mills T N, Electronics Letters, Vol 33，No 8,801-803,1997)、殼聚糖膜(Chitosan membrane) ( [6]Chen L H, et al, Proceedingsof the SPIEConference on Advanced Sensor Systems and Applications IV, Beijing, China1Vol7853，pp. 78530-78534，2010)和聚對二甲苯-C (Parylene-C) ([7]MorrisP, et al, Journalof the Acoustical Society of America, Vol 125, No 6, 3611-3622,2009.))構成Fabry-Perot腔實現(xiàn)。一方面需要苛刻的鍍膜技術使得膜層厚度很難保證，另一方面在高強度聚焦超聲場中傳感頭端面的聚合物薄膜或反射面金屬層會被打壞或脫落。Fisher 等人([8]Fisher N E, et al, Applied Optics, Vol 37, No34, 8120-8128, 1998 ； [9]Fisher N E, et al, Proceedings of the 12th InternationalConference onOptical Fiber Sensors, Virginia, USA, pp. 190-192, 1997 ； [10]SurowiecJ, et al, Proceedings of 1996IEEE Ultrasonic Symposium, San Antonio, Texas, USA,pp. 1051-1054, 1996)較早利用超聲場引起應變改變光纖Bragg光柵中心波長的原理研究了高頻率的超聲場測量問題，F(xiàn)omitchov和Krishnaswamy ([ll]Fomitchov P andKrishnaswamy S，Optical Engineering, Vol 42, No 4, 956-963, 2003)米用光纖 Bragg光柵研究了平面超聲場的測量問題，Guan等人([12]GuanB O, et al, IEEE PhotonicsTechnology Letters, Vol 16,No 1，169-171，2005 ; [13]Tam HY, et al, United StatesPatent No. :US7, 206, 259B2, Apr 17，2007)采用分布式Bragg反射光纖激光器實現(xiàn)超聲場和溫度同時測量，Rosenthal 等人([16]Rosenthal A, et al, Optics Letters, Vol 36, No10，1833-1835，May 2011)采用Ji相移光纖Bragg光柵測量超聲波。光纖光柵具有高聲壓靈敏度和耐高聲壓的優(yōu)勢，上述研究工作均采用光纖Bragg光柵側向敏感的方法進行低強度超聲測量，這種方法空間分辨率低，難于夾持，易受駐波干擾，以及易被沖擊波損壞，不適用于高強度聚焦超聲聲場傳感和測量。目前未見到端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的相關報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器及系統(tǒng)，端部敏感 型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器克服壓電水聽器測量范圍小和易損壞的缺點，聲壓靈敏度比光強型光纖水聽器高，理論上可測聲壓極值可達幾十MPa ;端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器與側向敏感方式的光纖光柵傳感器相比，消除超聲駐波影響。該傳感器構成的系統(tǒng)簡單，滿足MHz超聲波測量要求。本發(fā)明的端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器，在單模光纖的端部有柵區(qū)長度為L2的光纖光柵，柵區(qū)長度為L2的光纖光柵的中心位置位于距離單模光纖端部LI的位置，所述光纖光柵為光纖Bragg光柵，也可以是其它類型的光纖光柵。進一步，測量高強度聚焦超聲聲場時，端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器軸心線與高強度聚焦超聲換能器的聲軸方向平行；進一步，柵區(qū)長度L2小于被測的高強度聚焦超聲聲波半波長；且1^1 ^ L2/2 ;進一步，在端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器上鍍膜；進一步，端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器上鍍用于提高傳感器耐壓程度，且改變傳感器的靈敏度和溫度特性的膜，所述膜包括金屬膜、介質膜、介質金屬復合膜、有機物膜或聚合物膜；進一步，在使用時安裝在對其進行夾持和定位的傳感器柔性夾具；進一步，所述端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器懸置安裝于傳感器柔性夾具上且懸置長度可調用于改變端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的靈敏度和分辨率。本發(fā)明還公開了一種利用端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器形成的傳感器系統(tǒng)，包括波長可調窄帶激光器、光隔離器、光纖耦合器、端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器、光電探測器和示波器，所述波長可調窄帶激光器通過光隔離器與光纖耦合器的一端的一臂相連，光纖耦合器的一端的另一臂與光電探測器輸入端相連，光纖耦合器的另一端與端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器相連，光電探測器輸出端連接示波器。
進一步,光纖稱合器是2X2或1X2光纖稱合器。本發(fā)明的有益效果I、端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的聲壓靈敏度比基于Fresnel端面反射原理的光強型光纖水聽器高，且為全石英結構，采用端部敏感結構，承受聲壓能力強。2、端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器與側向敏感的光纖光柵傳感器相t匕，易于夾持、免受沖擊波損壞、能夠克服超聲駐波的干擾。3、在端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器上鍍不同類型的膜，可以增加其抗聲壓能力或提高其聲壓靈敏度。4、加入套管鎧裝的端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器可以免受聲場空 化效應的損壞；用楊氏模量小材料對傳感器增敏封裝，實現(xiàn)低聲強聲場的測量。5、端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器系統(tǒng)簡單，滿足MHz超聲波測量要求。


圖I為端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的基本結構；圖2為端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的鍍膜結構；圖3為另一種端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的鍍膜結構；圖4為端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器系統(tǒng)示意圖；圖5為端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器在傳感器柔性夾具中的安裝方法及傳感器柔性夾具的結構圖；圖6為端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器系統(tǒng)的應用實例。圖1-6中，1，1’和I”是端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器，2，2’和2”是懸置的單模裸光纖，3，3’和3”是光纖光柵柵區(qū)，4，4’和4”是涂覆層，5，5’和5”是光纖護套，6和6’是膜，7是波長可調窄帶激光器，8是光隔離器，9是光纖耦合器，10是光電探測器，11是示波器，12是夾持桿，13是彈性體，14是夾持頭，18是傳感器柔性夾具，19是三維移動平臺，20是超聲換能器，21是信號源。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I由單模光纖和位于單模光纖上的光纖光柵構成，如圖I所示，在單模光纖的端部有柵區(qū)長度為L2的光纖光柵，柵區(qū)長度為L2的光纖光柵的中心位置位于距離單模光纖端部LI的位置，所述光纖光柵為光纖Bragg光柵，也可以是其它類型的光纖光柵；也就是在單模光纖的一端距離端部LI處刻寫柵區(qū)長度為L2的光柵構成端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器；或將柵區(qū)長度為L2的光纖光柵一端單模光纖切去構成端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器；端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器滿足LI ^ L2/2和柵區(qū)長度L2小于被測的高強度聚焦超聲聲波半波長；當LI過長時會影響其壽命；在去掉涂覆層的端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I上鍍不同類型的膜6，可以增加抗聲壓能力或提高聲壓靈敏度。
本實施例中，測量高強度聚焦超聲聲場時，端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的軸心線與高強度聚焦超聲換能器的聲軸方向平行；端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器系統(tǒng)包括波長可調窄帶激光器7，光隔離器8，光纖耦合器9，端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I，光電探測器10和示波器11 ;波長可調窄帶激光器7線寬遠小于端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I反射譜帶寬；波長可調窄帶激光器7通過光隔離器8與光纖耦合器9的一端的一臂相連，光纖耦合器9的一端另一臂與光電探測器10的輸入端相連，光纖耦合器9的另一端與端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I相連，光電探測器10連接示波器11。波長可調窄帶激光器7發(fā)出的光經過光隔離器8傳入光纖耦合器9的一端的一臂中，再傳入端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I，端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I的反射光強被光電探測器10接受，然后通過示波器11顯示。為確保端部敏 感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器以端部敏感方式傳感高強度聚焦超聲聲場，使用時端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I由傳感器柔性夾具18夾持并保持在高強度聚焦超聲聲場的聲焦域內的端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I的敏感軸線與高強度聚焦超聲換能器的聲軸平行。波長可調窄帶激光器7的波長調節(jié)到端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I的反射譜線性部分中點對應波長位置，即波長可調窄帶激光器7的波長調節(jié)到端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I反射譜偏置點。高強度聚焦超聲聲場作用在端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I上，引起其反射譜平移，實現(xiàn)高強度聚焦超聲聲場傳感。根據(jù)光纖光柵傳感原理，高強度聚焦超聲聲場產生聲壓引起光纖光柵中心波長的平移，關系式為K1P(I)
Λ式中△ λ為端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器反射譜的中心波長變化量，λ為未加聲場時光纖光柵中心波長，K1為光纖光柵聲壓靈敏度，P為聲壓。本實施例中光隔離器8和光纖耦合器9可采用光環(huán)形器代替，屬于等同替換，同樣能夠實現(xiàn)發(fā)明目的。圖I為一種端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I的基本結構。端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I由距離單模光纖端部LI的位置的柵區(qū)長度為L2的光纖光柵構成，如圖所示，在單模光纖的一端距離端部LI處刻寫柵區(qū)長度為L2的光柵3構成端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器；或將光纖光柵的柵區(qū)3 —端的單模光纖的延伸部分切去構成端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器；端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器滿足LI ^ L2/2和柵區(qū)長度L2小于被測的高強度聚焦超聲聲波半波長；光纖光柵柵區(qū)3保留的一段單模裸光纖2、帶涂覆層4的尾纖構成一種端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I的基本結構。其中，光纖護套5可以不包括在內。圖2為一種端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I的鍍膜結構；在懸置的單模裸光纖2’，光纖光柵柵區(qū)3’和涂覆層4’周圍鍍不同類型的膜。其中，光纖護套5’可以不包括在內。圖3為另一種端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I的鍍膜結構。在懸置的單模裸光纖2”，光纖光柵柵區(qū)3”和涂覆層4”和一段光纖護套5”周圍鍍不同類型的膜。圖2和圖3的結構中，所述膜包括金屬膜、介質膜、介質金屬復合膜、有機物膜或聚合物膜，用于提高端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器耐壓程度，且改變傳感器的靈敏度和溫度特性。圖4為一種端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器系統(tǒng)示意圖；包括端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器1，光纖耦合器9，波長可調窄帶激光器7，光隔離器8，光電探測器10和示波器11 ;具體操作步驟波長可調窄帶激光器7通過光隔離器8與光纖耦合器9的一端的一臂相連，光纖耦合器9的一端的另一臂與光電探測器10的輸入端相連，光纖耦合器9的另一端與端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I相連，光電探測器10的輸出端連接示波器11。本實施例中，光纖耦合器可采用2X2或1X2光纖耦合器。且光隔離器8和光纖耦合器9可以為光環(huán)形器所替換。 圖5為端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器在一種傳感器柔性夾具中的安裝方法及柔性夾具的結構圖；包括夾持桿12、彈性體13和夾持頭14 ;具體操作步驟 端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I依次通過夾持桿12的通孔15，彈性體13的通孔16和夾持頭14的微通孔17，夾持桿12和夾持頭14同軸螺紋配合且扭緊夾持桿12和夾持頭14壓縮彈性體13固定端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器1，如圖所示，端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I呈懸置狀態(tài)安裝，懸置長度可調并用于改變端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的靈敏度和分辨率。圖6為端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器系統(tǒng)的應用實例。包括波長可調窄帶激光器7，光隔離器8，光纖耦合器9，端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器1，傳感器柔性夾具18，光電探測器10，示波器11，三維移動平臺19，信號源21，超聲換能器
20;具體操作步驟傳感器柔性夾具18夾緊端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器1，再固定于三維移動平臺19上；波長可調窄帶激光器7通過光隔離器8與光纖耦合器9的一端的一臂相連，光纖耦合器9的一端另一臂與光電探測器10的輸入端相連，光纖耦合器9的另一端與端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I相連，光電探測器10的輸出端與示波器11相連；波長可調窄帶激光器7的波長調節(jié)到端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I反射譜偏置點，示波器11會有直流信號輸出，即表示端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I沒有損壞；信號源21激勵超聲換能器20在消聲除氣水水槽中形成高強度聚焦超聲場；在三維移動平臺19帶動端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器I進行聲場掃描。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)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(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器,其特征在于在單模光纖的端部有柵區(qū)長度為L2的光纖光柵，柵區(qū)長度為L2的光纖光柵的中心位置位于距離單模光纖端部LI的位置。
2.根據(jù)權利要求I所述端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器，其特征在于測量高強度聚焦超聲聲場時，端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的軸心線與高強度聚焦超聲換能器的聲軸方向平行。
3.根據(jù)權利要求I所述端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器，其特征在于柵區(qū)長度L2小于被測的高強度聚焦超聲聲波半波長。
4.根據(jù)權利要求I所述端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器，其特征在于在端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器上鍍膜。
5.根據(jù)權利要求4所述的端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器，其特征在于端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器上鍍用于提高傳感器耐壓程度、改變傳感器的靈敏度和溫度特性的膜，所述膜包括金屬膜、介質膜、介質金屬復合膜、有機物膜或聚合物膜。
6.根據(jù)權利要求1-5所述的端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器，其特征在于在使用時安裝在對其進行夾持和定位的傳感器柔性夾具上。
7.根據(jù)權利要求6所述的端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器，其特征在于所述端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器懸置安裝于傳感器柔性夾具上且懸置長度可調用于改變端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的靈敏度和分辨率。
8.一種利用端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器形成的傳感器系統(tǒng)，其特征在于包括波長可調窄帶激光器、光隔離器、光纖耦合器、端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器、光電探測器和示波器，所述波長可調窄帶激光器通過光隔離器與光纖耦合器的一端的一臂相連，光纖耦合器的一端的另一臂與光電探測器輸入端相連，光纖耦合器的另一端與端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器相連，光電探測器輸出端連接示波器。
9.根據(jù)權利要求8所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于光纖耦合器是2X2或1X2光纖率禹合器。
10.根據(jù)權利要求8所述的傳感器系統(tǒng)，其特征在于光隔離器8和光纖耦合器9可以為光環(huán)形器。
全文摘要
本發(fā)明提供的端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的柵區(qū)長度為L2，柵區(qū)中心位置位于距離單模光纖端部的長度L1范圍內；本發(fā)明提供的端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器的聲壓靈敏度比基于Fresnel端面反射原理的光強型光纖水聽器高，且為全石英結構，采用端部敏感結構，承受聲壓能力強；端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器與側向敏感的光纖光柵傳感器相比，易于夾持、免受沖擊波損壞、能夠克服超聲駐波的干擾；在端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器上鍍不同類型的膜，可以增加其抗聲壓能力或提高其聲壓靈敏度；加入套管鎧裝的端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器可以免受聲場空化效應的損壞；端部敏感型光纖光柵高強度聚焦超聲傳感器系統(tǒng)簡單，滿足MHz超聲波測量要求。
文檔編號G01H9/00GK102944298SQ20121043835
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權日2012年11月6日
發(fā)明者王代華, 馬茲國, 賈平崗 申請人:重慶大學