測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于高頻超聲場測量領(lǐng)域，具體涉及一種測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著醫(yī)療超聲的廣泛使用，高頻換能器得到越來越廣泛的應用，對其聲場特性尤其是近場聲壓分布的測量正引起人們的關(guān)注。高頻換能器的聲場特性通常是通過水聽器進行檢測，而其近場聲壓分布則通過水聽器空間掃描獲取不同位置的聲信號(幅度、相位)后經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得。考慮到近場測量時需盡可能減少水聽器對待測聲場的擾動，一般要求水聽器的有效尺寸應遠小于聲波波長的四分之一。另外，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，聲壓信號采集的準確性和有效性由單個波長內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)點密度來決定，而采樣點的密度取決于水聽器的有效尺寸和空間掃描精度。綜合考慮上述兩個因素，減小水聽器敏感元件的有效尺寸，方能精準測量繪制高頻換能器的近場聲壓分布。傳統(tǒng)的水聽器通常采用壓電陶瓷或者PVDF薄膜作為敏感元件制備而成，受限于設(shè)計制作工藝，其有效尺寸一般在幾毫米到數(shù)十個毫米量級。對于工作頻率在IMHz乃至更高頻率的高頻換能器，對應的聲波波長在1.5mm以下，根據(jù)前述結(jié)論，傳統(tǒng)水聽器將無法精準繪制換能器的近場聲壓分布。
[0003]得益于光纖的尺寸小(標準單?；蚨嗄９饫w的直徑僅為0.1mm)、復用能力強等優(yōu)勢以及光纖光柵傳感技術(shù)的迅猛發(fā)展，采用光纖光柵作為水聽器的敏感元件，成為時下的研宄和開發(fā)熱點，有望解決小尺寸陣列和大規(guī)模復用等工程應用問題。其中，光纖布拉格光柵(FBG)是采用光刻技術(shù)在光纖纖芯處形成折射率周期分布的光柵，其光柵周期(柵距在微米量級)遠小于高頻聲波的波長，因此采用FBG作為水聽器的敏感元件能獲得遠高于傳統(tǒng)壓電水聽器的空間分辨力和指向性，從而滿足高頻水聽器近場測量對于空間分辨率和聲場微擾的基本要求。但裸光纖光柵用作水聽器往往存在聲壓靈敏度低的問題(僅0.007nm/MPa)，因此在實際的工程應用中，通常是采用復雜的外部結(jié)構(gòu)增敏技術(shù)和更高精度的波長解調(diào)技術(shù)；前者將增大水聽器的尺寸從而降低空間分辨率和測量準確性，而后者將增加系統(tǒng)復雜度和檢測難度。另外值得一提的是，采用外部結(jié)構(gòu)增敏技術(shù)的FBG水聽器只能作為單陣元的器件使用，失去了光纖可陣列化的固有優(yōu)勢。因此，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)增敏來提高水聽器的聲壓靈敏度，有望實現(xiàn)高頻換能器的近場聲壓分布的準確測量。
[0004]光纖光柵水聽器的聲壓靈敏度與氧化硅玻璃材料的楊氏模量有關(guān)，采用楊氏模量更小的材料對水聽器敏感元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行增敏設(shè)計，有望提高聲壓靈敏度，改善上述存在的問題。高分子聚合物材料的楊氏模量(IGPa)相比氧化硅玻璃(70GPa)要小得多，同時它也是制作集成光波導器件的基本材料，具有成本低廉、光傳輸損耗低、折射率高、器件尺寸小、易于集成等優(yōu)點。采用目前已經(jīng)十分成熟的半導體薄膜等大規(guī)模光電器件集成工藝(甩膜、光刻、納米壓印等技術(shù))，可以制備出光學性能優(yōu)良的聚合物微納光波導及布拉格光柵波導結(jié)構(gòu)。另一方面，采用側(cè)面拋光技術(shù)制備出D型結(jié)構(gòu)的光纖作為光波導和光傳感的基元，也已得到成熟廣泛的應用。若將聚合物薄膜波導布拉格光柵與D型結(jié)構(gòu)光纖復合作為水聽器的敏感元件，利用D型光纖的光導特性和倏逝波耦合效應以及聚合物光柵的高聲壓靈敏度優(yōu)勢，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高頻聲場近場性能的精準測量，同時有望實現(xiàn)弱聲高頻信號探測領(lǐng)域的突破。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的在于針對傳統(tǒng)的壓電陶瓷或者PVDF超聲水聽器尺寸大、空間分辨率低、對高頻聲波散射強以及普通的裸光纖光柵水聽器聲壓靈敏度低等問題，提供一種測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器，該光纖光柵水聽器具有結(jié)構(gòu)緊湊、空間分辨率高、聲壓靈敏度高和可陣列化等優(yōu)勢，可解決高頻換能器聲場測量時存在的效率低下、精度差、聲壓靈敏度低等一系列問題，適用于高頻聲場的近場特性測量。
[0006]本實用新型是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0007]本實用新型包括D型標準單模光纖、聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵和聚合物涂覆填充層；所述的D型標準單模光纖為側(cè)面拋光形成填涂槽的氧化硅標準單模光纖；所述的聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵覆蓋D型標準單模光纖的填涂槽底面，聚合物涂覆填充層覆蓋在聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵上；聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵包括聚合物脊型薄膜光波導和光柵刻線；所述的光柵刻線通過紫外光曝光制作在聚合物脊型薄膜光波導中。
[0008]所述填涂槽的長度為5?10mm，槽深為I?2 μπι。
[0009]所述聚合物涂覆填充層的材料為聚胺。
[0010]所述聚合物脊型薄膜光波導的長度為3?8mm，厚度為I?2 μπι。
[0011]所述聚合物脊型薄膜光波導的材料可以為聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯。
[0012]所述的光柵刻線呈周期變化，周期為572?660nm，形成的光柵總長度為4?8mm。
[0013]本實用新型具有的有益效果是:本實用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、空間分辨力好、聲壓靈敏度高、可陣列化且陣元之間相幅一致性好的特點，適用于高頻換能器的近場聲壓分布測量，可實現(xiàn)200kHz及以上的高頻換能器的近場探測。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中:1、D型標準單模光纖，2、聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵，3、聚合物涂覆填充層。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作詳細描述。
[0017]如圖1所示，測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器，由D型標準單模光纖1、聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵2和聚合物涂覆填充層3組成；D型標準單模光纖I為側(cè)面拋光形成填涂槽的氧化硅標準單模光纖，填涂槽的長度為5?10mm，槽深(纖芯下拋深度)為I?2 μπι ;聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵2覆蓋D型標準單模光纖I的填涂槽底面；聚合物涂覆填充層3覆蓋在聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵2上；聚合物涂覆填充層3的材料為聚胺，用于封裝保護和進一步聲增敏；聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵2由聚合物脊型薄膜光波導和光柵刻線組成；聚合物脊型薄膜光波導的長度為3?8mm，厚度為I?2μπι，材料可以為聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯；光柵刻線通過紫外光曝光制作在聚合物脊型薄膜光波導中，呈周期變化，周期為572?660nm，形成的光柵總長度為4?8_。
[0018]該測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器的工作原理如下:
[0019]將該光纖光柵水聽器的傳感單元置于聲場中，待測聲信號垂直作用在聚合物涂覆填充層3上，使聚合物涂覆填充層3產(chǎn)生沿光纖軸向的振動分量。該振動分量有如下兩方面的作用:首先，聚合物涂覆填充層3的受迫振動將直接作用于聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵2上，使得光柵柵距發(fā)生與待測聲信號相同頻率的變化；由于聚合物涂覆填充層3的楊氏模量比氧化硅玻璃小得多，因此產(chǎn)生的應變相對更大，由此產(chǎn)生的光柵反射譜的頻移量也更大。其次，聚胺材料的軸向振動分量也會被D型標準單模光纖I的填涂槽的兩個拋光端面反射，形成一個聲學共振腔，該共振腔有助于對聲信號進一步放大，其共振頻率由共振腔的腔長和聚胺材料中的聲速所決定。在光與光柵相互作用及光信號檢測方面，入射光(寬帶的連續(xù)光源)從光纖的一個端面耦合進來并沿著光纖傳播到拋光處，即聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵2處，一部分的光能量將以倏逝光的形式耦合進入到聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵2中，隨后被光柵反射后形成反射光譜；剩余光能量將從光纖的另一端面透過，形成透射光譜。由于透射光譜中含有比重較大的未與光柵相互作用的光信號，因此信噪比相對反射光譜要差，在實際應用中選擇測試反射光譜的頻移。在待測聲信號的作用下，通過測量反射光譜信號的頻移，即可獲得待測聲場對應的聲壓強度、相位以及振幅等信息。
[0020]以下結(jié)合具體數(shù)值說明該光纖光柵水聽器對高頻換能器近場聲壓分布的測量效果O
[0021]若填涂槽的長度(即聲共振腔腔長)為5mm，則對應的共振聲波波長I為10mm，聚胺材料的聲速c為2000m/s，則根據(jù)f=c/l計算可得共振頻率f為200kHz。即，該光纖光柵水聽器除了對任意頻率的聲信號有響應之外，對200kHz的聲信號尤其敏感。
[0022]上述【具體實施方式】用于解釋說明本實用新型，而不是對本實用新型進行限制，在本實用新型的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本實用新型做出的任何修改和改變，都落入本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器，包括D型標準單模光纖、聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵和聚合物涂覆填充層，其特征在于:所述的D型標準單模光纖為側(cè)面拋光形成填涂槽的氧化硅標準單模光纖；所述的聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵覆蓋D型標準單模光纖的填涂槽底面，聚合物涂覆填充層覆蓋在聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵上；聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵包括聚合物脊型薄膜光波導和光柵刻線；所述的光柵刻線通過紫外光曝光制作在聚合物脊型薄膜光波導中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器，其特征在于:所述填涂槽的長度為5?10mm，槽深為I?2 μπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器，其特征在于:所述聚合物涂覆填充層的材料為聚胺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器，其特征在于:所述聚合物脊型薄膜光波導的長度為3?8_，厚度為I?2 μπι。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器，其特征在于:所述聚合物脊型薄膜光波導的材料可以為聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚碳酸酯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器，其特征在于:所述的光柵刻線呈周期變化，周期為572?660nm，形成的光柵總長度為4?8mm。
【專利摘要】本實用新型公開了一種測量高頻換能器近場聲壓分布的光纖光柵水聽器。傳統(tǒng)壓電陶瓷或PVDF超聲水聽器空間分辨率低、對高頻聲波散射強。本實用新型包括D型標準單模光纖、聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵和聚合物涂覆填充層；D型標準單模光纖為側(cè)面拋光形成填涂槽的氧化硅標準單模光纖；聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵覆蓋D型標準單模光纖的填涂槽底面，聚合物涂覆填充層覆蓋在聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵上；聚合物脊型薄膜光波導布拉格光柵包括聚合物脊型薄膜光波導和光柵刻線。本實用新型可解決高頻換能器聲場測量效率低、精度差、聲壓靈敏度低的問題，適用于高頻聲場的近場特性測量。
【IPC分類】G01H9-00
【公開號】CN204535846
【申請?zhí)枴緾N201520223912
【發(fā)明人】王月兵, 李威, 鄭慧峰, 唐廷浩, 王成
【申請人】中國計量學院
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年4月14日