[发明专利]柔性超声换能器、制作方法及全光超声发射与检测方法

说明书

本发明公开了一种基于微纳光纤的柔性超声换能器、制作方法及全光超声发射与检测方法，包括环形微纳光纤法布里‑珀罗腔、光纤表面的光吸收材料和柔性保护基底。光吸收材料在吸收由倐逝波耦合至环形微纳光纤表面的脉冲/周期调制加热光后，受热膨胀发射超声；超声回波信号作用于法布里‑珀罗腔，引起腔中干涉光的相位改变，该相位变化由一束窄带激光基于光学干涉原理检测。本发明中的超声换能器利用环形微纳光纤的倏逝波加热表面光吸收材料发射超声，利用环形微纳光纤构建法布里‑珀罗腔检测超声，在实现全光超声发射与检测的同时，具有灵敏度高、抗电磁环境干扰、结构紧凑、柔性可弯曲等优点。

技术领域

本发明涉及柔性光电器件技术领域，具体涉及一种基于微纳光纤的柔性超声换能器、制作方法及全光超声发射与检测方法。

背景技术

随着科技迅速发展，柔性光电器件在可穿戴设备、生物医学健康检测等方面的巨大发展潜力，得到了广泛的关注和研究。它将柔性的基底材料与微型光电子元件、微机电系统、智能织物等器件结合，克服了传统刚性器件的不适性，具备良好的柔韧性、可拉伸性、可以自由弯曲甚至折叠，结构形式灵活多样，能够非常方便地对被测物体进行检测。同时，超声换能器是一种测量过程中非常关键的仪器设备，能够同时发出和接收超声。随着科学技术的发展，目前超声换能器逐渐走向微型化，更具有便携性，在声学机器人、环境监测、医学健康检测和成像、无损评估等技术领域有广泛的应用前景。

现阶段，柔性超声换能器主要在柔性基底上结合传统刚性超声换能器，进行整体结构的柔性化，分为压电式和电容式两种。但是这类换能器在应对曲面物体或者人体皮肤这类需要柔性、灵活性的医疗应用方面还有所欠缺。同时，这类电学的超声换能器易受到电磁干扰、光学不透明，且灵敏度会随着探测面积的减小而降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提出一种基于微纳光纤的柔性超声换能器、制作方法及全光超声发射与检测方法，实现全光学手段的超声收发一体，同时结合微纳光纤易弯曲、弯曲损耗低的特点，实现超声的聚焦与焦距调谐，本发明提出的柔性超声换能器灵敏度高、制作简单、抗电磁干扰、结构紧凑。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于微纳光纤的柔性超声换能器，该柔性超声换能器包括环形微纳光纤法布里-珀罗腔、光纤表面的光吸收材料和柔性保护基底，其中，所述的环形微纳光纤法布里-珀罗腔由普通光纤101制备而来，所述的普通光纤101的中间部分通过氢氧焰加热至熔融状态，然后将熔融态的光纤通过拉锥机均匀拉伸至直径微米量级，并将其弯曲成环形几何结构，形成具有较强倐逝波的环形微纳光纤102，所述的环形微纳光纤102，两侧部分刻写一对中心波长匹配的光纤布拉格光栅103，形成环形微纳光纤法布里-珀罗腔；所述的光吸收材料104通过化学修饰方法结合于环形微纳光纤102的表面；所述的柔性保护基底利用柔性材料105对环形微纳光纤102进行封装形成；

其中，所述的环形微纳光纤102用于产生倐逝场对光吸收材料加热而产生超声；所述的环形微纳光纤法布里-珀罗腔用于高精度超声信号检测；通过改变环形微纳光纤的弯曲半径，实现超声聚焦与焦距调谐；所述的柔性保护基底用于提高柔性超声换能器机械强度。

该基于微纳光纤的柔性超声换能器，通过在环形微纳光纤102上刻写一对中心波长匹配的光纤布拉格光栅103形成光纤法布里-珀罗腔。向环形微纳光纤中通入脉冲光或者周期调制光，加热涂敷于光纤表面的光吸收材料，光吸收材料受热膨胀后产生超声。当腔体受到超声回波信号或外界施加的超声的作用时，其腔内干涉光相位改变，引起反射谱干涉条纹变化。注入窄带检测光，反射回的检测光强度在超声作用下发生相应变化，通过光电探测器测量检测光的强度变化，实现超声检测。

进一步地，所述的微纳光纤的直径为0.5μm-20μm，由单模或者多模、无掺杂或掺杂光纤拉制而成，环形微纳光纤的直径均匀区域长度为1mm-10cm，弯曲半径为100μm-10cm。