[发明专利]一种光纤法珀声波探头及信号解调系统

说明书

本发明涉及光纤技术、光学工程、材料工程及信号处理技术领域，具体涉及一种光纤法珀声波探头及信号解调系统。本发明的光纤法珀声波探头采用还原氧化石墨烯薄膜作为声波振动敏感薄膜，易于转移、制作简单、成本低、成品率高；其解调系统采用了一种三波长相位解调方法，宽带光源、环形器、光纤法珀声波探头、波分复用器、三通道光电探测器、数据采集卡和数据处理模块的配合运用，使本发明的光纤法珀声波探头在工作中不受温度影响。本发明的解调系统适用成本低的宽带光源且稳定性高，与本发明的光纤法珀声波探头配合可应用于安全布防监控、医学及生物医学工程等领域。

技术领域

本发明涉及光纤技术、光学工程、材料工程及信号处理技术领域，具体涉及一种光纤法珀声波探头及其信号解调系统。

背景技术

光纤法珀腔作为一种十分重要的光学结构，由于其体积小，成本低，抗电磁干扰，可远距离传输信号的诸多优点被广泛应用于精密仪器、工业生产、通信、传感等领域。也正是由于这些优点，基于光纤法珀腔声波传感器的研究也得到了越来越多人的关注。

传统的光纤法珀声波探头一般是由光纤和振动膜片组成，光纤端面和振动膜片组成法珀腔的两个反射面，空气作为腔体介质。对于这种结构的光纤声波探头，影响探测灵敏度的两个关键因素就是振动膜片的反射率和厚度。目前，对于振动膜片的选择通常有有机膜和金属膜等，但是这些类型的振动膜片厚度都很难做薄，而且制作过程复杂，工艺要求高，这在很大程度上限制了声波探头的灵敏度提高和批量生产。石墨烯作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，已经被广泛地应用于各个领域。

对于石墨烯的压力传感器，靳伟等人于2012年制作了本征型石墨烯膜光纤法珀干涉传感器(参见：Jun Ma，Wei Jin,Hoi Lut Ho，etal.High-sensitivity fiber-tippressure sensor withgraphene diaphragm[J].Optics letters,2012,13(37):2493-2495.)，以及于2014年制作了非本征型石墨烯膜光纤法珀干涉传感器(参见：Jun Ma,WeiJin,HaifengXuan，etal.Fiber-optic ferrule-top nanomechanical resonator withmultilayer graphene film[J].Optics letters,2014,16(39):4769-4772.)。申请专利号为201310564209.6、申请公开号为CN103557929A的中国发明专利“一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器制作方法及其测量方法、装置”公开了一种基于石墨烯膜的光纤法珀声压传感器。他们都是用的单层或多层石墨烯薄膜。

这种纯石墨烯膜的探头都存在一些缺点。首先，在制作薄膜方面，这种单层或多层的石墨烯通常采用化学气相沉积的方法，这种方法需要昂贵的设备和复杂的工艺，这大大增加了制作成本和制作难度。其次，单层或多层的石墨烯厚度只有几纳米至几十个纳米，在薄膜的转移过程中，它们通常需要一层聚合物薄膜(PMMA)作为衬底，否则转移到套管端面非常困难，在最后去除PMMA膜的时候极易使石墨烯膜破裂，这就使得石墨烯探头的成品率很低。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决如何优化光纤法珀声波探头的制作工艺，降低制作成本，提高成品率，得到能实用化的声波探头产品。如何克服传统解调方法中的一些缺点，使得该光纤声波探测系统的更接近实用化。本发明提供了一种光纤法珀声波探头及其信号解调系统。

一种光纤法珀声波探头，包括：两端喇叭口形玻璃套管，其一端覆盖石墨烯薄膜，另一端插入单模光纤，光纤端面与石墨烯薄膜形成干涉法珀腔。

所述石墨烯薄膜为还原氧化石墨烯薄膜作为声波敏感元件，其弹性模量为50-100GPa，厚度为0.1-1微米。光纤为单模光纤，其大小与玻璃套管内径相适应，玻璃套管两端为喇叭开口形状，目的一是为了易于插入光纤，二是为了增大悬空还原氧化石墨烯薄膜的振动面积，增加声波探头对声波探测的灵敏度，玻璃套管的喇叭开口端最大处的直径为0.8-2.8毫米。