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專利名稱：光纖法布里-珀羅超聲水聽器及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種光纖法布里-拍羅(Fabry-Perot)超聲水聽器及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
HIFU (High Intensity Focused Ultrasound,高強(qiáng)度聚焦超聲)技術(shù)是一種非侵入性的治療技術(shù)，它是將體外低能量超聲波聚焦于體內(nèi)靶區(qū)，在靶區(qū)產(chǎn)生瞬態(tài)高溫，達(dá)到消融組織的目的。由于在HIFU聲場的焦點(diǎn)處，超聲的聲強(qiáng)可達(dá)幾萬W/cm2，并同時(shí)產(chǎn)生高溫效應(yīng)和高達(dá)IOOMPa的聲壓，以及伴隨極強(qiáng)的非線性高次諧波，因此為了能進(jìn)行安全、有效的HIFU治療，避免HUFU超聲損傷靶區(qū)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(qū)域大小，即對HIFU聲場進(jìn)行測量。同時(shí)，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(shè)備的直徑不得大于0.5mm。當(dāng)前 ，測量HIFU聲場的超聲傳感設(shè)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(jià)昂貴。同時(shí)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(diǎn)。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(diǎn)。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(shí)測量HIFU聲場的聲壓和溫度。但是，在較高聲強(qiáng)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(shí)，由于其對溫度和聲壓都敏感，將產(chǎn)生溫度和聲壓的交互作用，給準(zhǔn)確分離溫度和聲壓帶來一定困難，導(dǎo)致后續(xù)需要處理的數(shù)據(jù)量龐大，使得由其構(gòu)建的測量系統(tǒng)復(fù)雜、昂貴，較難批量推廣。光纖FBG水聽器也可用于同時(shí)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(zhǔn)確確定HIFU聲場的聲壓分布帶來了困難。同時(shí)，光纖FBG水聽器的傳感尺寸在毫米數(shù)量級，這在測量高頻超聲場時(shí)容易引入空間均分效應(yīng)，限制了它的空間分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種光纖法布里-珀羅超聲水聽器及系統(tǒng)。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(shí)溫度測量的特性。本發(fā)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(xì)管，所述石英毛細(xì)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(nèi)的空氣腔作為干涉腔。
進(jìn)一步，所述反射光纖中相對于與所述石英毛細(xì)管連接的一端為毛化結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，所述空氣腔的兩個(gè)反射面鍍膜。進(jìn)一步，所述單模光纖、石英毛細(xì)管和反射光纖的外表面鍍膜或鎧裝。進(jìn)一步，所述反射光纖為石英材質(zhì)的光纖或石英纖維。進(jìn)一步，所述石英毛細(xì)管為空心光纖或空心光子晶體光纖。相應(yīng)的，本發(fā)明還提供了一種光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)，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(fā)出的光經(jīng)過所述光纖組件到達(dá)所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器后，被超聲調(diào)制的所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器的反射光經(jīng)過所述光纖組件被所述探測與反饋組件接收并處理。進(jìn)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(shè)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(jìn)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(shè)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(jìn)一步，所述光纖組件為光纖環(huán)形器、或串聯(lián)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(jù)該路信號對所述光源組件進(jìn)行波長反饋調(diào)節(jié)。
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本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明實(shí)施例的光纖法布里-珀羅超聲水聽器由石英毛細(xì)管兩端分別連接單模光纖和反射光纖構(gòu)成，并且將石英毛細(xì)管內(nèi)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(xì)，光纖法布里-珀羅腔的長度可以達(dá)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(xì)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(tǒng)對HIFU聲場的測量具有獨(dú)特的優(yōu)勢和潛在的實(shí)用價(jià)值。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:圖1是本發(fā)明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)的第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)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(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本發(fā)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(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是本發(fā)明提供的應(yīng)用光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)測量HIFU聲場的應(yīng)用實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是光纖法布里-珀羅水聽器系統(tǒng)測量HIFU聲場的聲壓輸出結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式第一部分:關(guān)于光纖法布里-珀羅超聲水聽器的三個(gè)實(shí)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(shí)測量聲壓和溫度，具有高空間分辨率、高靈敏度等特性。實(shí)施例一:請參考圖1，是本發(fā)明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)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(xì)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(xì)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(xì)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(gè)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(xì)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(yōu)選的，反射光纖21的材質(zhì)可以為石英，或者所述反射光纖可以為石英纖維，石英毛細(xì)管19為空心光纖或空心光子晶體光纖。實(shí)施例二:`請參考圖2，是本發(fā)明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)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(xì)管19'、距離石英毛細(xì)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(hù)膜24或進(jìn)行鎧裝，以提高光纖法布里-珀羅超聲水聽器的強(qiáng)度。實(shí)施例三:請參考圖3，是本發(fā)明提供的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3與圖1的主要區(qū)別在于:在空氣腔20" —個(gè)反射面鍍半反膜25，相對的另一個(gè)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(xì)管19"和反射光纖21"的周圍鍍保護(hù)膜24"或進(jìn)行鎧裝，以提高強(qiáng)度。第二部分:關(guān)于光纖法布里-拍羅超聲水聽系統(tǒng)的三個(gè)實(shí)施例。該光纖法布里-拍羅超聲水聽系統(tǒng)由于采用圖1-3實(shí)施例的光纖法布里-珀羅超聲水聽器，因此十分適合于進(jìn)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(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單，因此成本也低、易于實(shí)用化，便于大規(guī)模推廣。實(shí)施例一:請參考圖4，是光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)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(gè)端口，該三個(gè)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(fā)出的光經(jīng)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(jīng)過耦合器3，被光電探測器5接收轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出。此處光電探測器5可同時(shí)具有放大信號的作用。當(dāng)該光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)進(jìn)行HIFU聲場測量時(shí)，由于光纖法布里-珀羅超聲水聽器4的反射光是被超聲調(diào)制的，因此通過測量該反射光，可以實(shí)現(xiàn)對HIFU聲場的調(diào)制。實(shí)施例二:請參考圖5，是光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。其與圖4的主要區(qū)別在于:由光源驅(qū)動及接口設(shè)備7和波長可調(diào)窄線寬光源8代替圖4中的光源，由光纖環(huán)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(shù)轉(zhuǎn)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(wěn)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(shù)轉(zhuǎn)換器11，模數(shù)轉(zhuǎn)換器11連接至微處理器12，微處理器12通過光源驅(qū)動及接口設(shè)備7對波長可調(diào)窄線寬光源8進(jìn)行波長反饋控制。另外，微處理器12同時(shí)輸出溫度信號15。實(shí)施例三:請參考圖6，是光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)的第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。其與圖5的主要區(qū)別在于，圖5中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器11和微處理器12由圖6中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備16和計(jì)算機(jī)17代替。光電探測器的輸出分成兩路，其中一路輸出通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備16輸入計(jì)算機(jī)17，計(jì)算機(jī)17通過光源驅(qū)動及接口設(shè)備7對波長可調(diào)窄線寬光源8進(jìn)行波長反饋控制。第三部分；關(guān)于圖5和6中涉及的 夾具10的兩個(gè)實(shí)施例。該夾具10是專為光纖法布里-珀羅超聲水聽器設(shè)計(jì)的，具有極好的夾持性。實(shí)施例一:請參考圖7，是夾具10的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)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(cè)和夾持頭29內(nèi)側(cè)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(shí)施例二:請參考圖8，是夾具10的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)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(shè)有通孔36'的夾頭35，夾頭35外側(cè)和夾持頭29'內(nèi)側(cè)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(guān)于本發(fā)明實(shí)施例的光纖法布里-珀羅超聲水聽器系統(tǒng)測量HIFU聲場的應(yīng)用實(shí)例:
請參考圖9，光纖法布里-珀羅超聲水聽器系統(tǒng)測量HIFU聲場的應(yīng)用系統(tǒng)包括:波長可調(diào)窄帶激光器8，光纖環(huán)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(qū)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(diào)窄帶激光器8與光纖環(huán)形器9的一端的一臂相連，光纖環(huán)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(huán)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(diào)窄帶激光器8的波長調(diào)節(jié)到光纖法布里-珀羅超聲水聽器4反射譜偏置點(diǎn)；功率驅(qū)動源43激勵超聲換能器41在消聲除氣水水槽中形成高強(qiáng)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(jìn)行聲場掃描，此時(shí)示波器顯示的聲壓變化圖如圖10所示。在圖9中，當(dāng)超聲到達(dá)光纖端面時(shí)，會在水一光纖介面發(fā)生反射和透射。如果超聲波的波長遠(yuǎn)大于水聽器的直徑時(shí)，可以把透射進(jìn)入光纖端面的超聲看作平面波。透射的超聲分兩個(gè)部分傳播，一部分超聲經(jīng)過光纖端部的反射光纖到達(dá)光纖一空氣的界面。另一部分超聲由于光纖和石英毛細(xì)管相同的聲阻抗，將沿著光纖和石英毛細(xì)管中傳播。超聲在反射光纖和石英毛細(xì)管中的傳感波將導(dǎo)致其應(yīng)力發(fā)生變化，即超聲會使光纖法布里-珀羅超聲水聽器的腔長發(fā)生改變。另外，超聲導(dǎo)致的切向應(yīng)變也會導(dǎo)致光纖法布里-珀羅超聲水聽器的腔長發(fā)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(guān)信息。最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。 ·
權(quán)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(xì)管，所述石英毛細(xì)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(nèi)的空氣腔作為干涉腔。
2.如權(quán)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(xì)管連接的一端為毛化結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)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(gè)反射面鍍膜。
4.如權(quán)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(xì)管和反射光纖的外表面鍍膜或鎧裝。
5.如權(quán)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(zhì)光纖或石英纖維。
6.如權(quán)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(xì)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(tǒng)，其特征在于:包括:光源組件、光纖組件、如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)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(fā)出的光經(jīng)過所述光纖組件到達(dá)所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器后，被超聲調(diào)制的所述光纖法布里-珀羅超聲水聽器的反射光經(jīng)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(quán)利要求7所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)，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(shè)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(quán)利要求7所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)，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(shè)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(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的光纖法布里-珀羅超聲水聽系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖組件為光纖環(huán)形器、或串聯(lián)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(jù)該路信號對所述光源組件進(jìn)行波長反饋調(diào)節(jié)，同時(shí)輸出溫度信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖Fabry-Perot超聲水聽器及系統(tǒng)，可以用于測量高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)聲場。其中系統(tǒng)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(fā)出的光經(jīng)過光纖組件到達(dá)光纖法布里-珀羅超聲水聽器后，被超聲調(diào)制的光纖法布里-珀羅超聲水聽器的反射光經(jīng)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(xì)管，石英毛細(xì)管的兩端分別與單模光纖和反射光纖連接，石英管內(nèi)的空氣腔作為干涉腔。本發(fā)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(shí)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(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者王代華, 賈平崗, 王帥杰 申請人:重慶大學(xué)