专利摘要

本发明提出了一种基于无芯光纤的光纤激光分布式超声换能装置，通过将脉冲种子源、高功率掺铒光纤光放大器、高功率光纤隔离器以及具有无芯光纤的能量耦合结构按顺序连接构成超声换能器激发系统。每个具有无芯光纤的能量耦合结构的超声换能装置是由不同长度的无芯光纤单元所组成的，每个单元的具体结构为单模光纤‑无芯光纤‑单模光纤，每个无芯光纤单元的激光能量耦合比由无芯光纤的长度所决定。所述超声换能器激发系统将每个无芯光纤单元的耦合比按照从小到大的顺序依次连接，而且将无芯光纤的能量耦合结构中的导出单模光纤包层去除并填充上激光吸收材料，通过具有高热吸收系数以及高热弹系数的材料产生超声信号，实现了分布式超声信号均衡式激发。

权利要求

1.一种基于无芯光纤的分布式光纤激光超声换能装置，其特征在于：所述超声换能装置基于无芯光纤的包层能量辐射比可控，通过将脉冲种子源、高功率掺铒光纤光放大器、高功率光纤隔离器以及具有无芯光纤的能量辐射结构组依次连接组成分布式光纤激光超声换能系统；其中，所述具有无芯光纤的能量辐射结构组包扩若干个由不同长度的无芯光纤的包层模激发单元，每个单元的具体结构为单模光纤-无芯光纤-单模光纤，所述的若干个包层模激发单元是按照无芯光纤部分的长度由短到长顺次连接；

其中，所述包层模激发单元包括导入单模光纤、无芯光纤、导出单模光纤以及光声转换材料；其工作过程是，入射的基模光束在导入单模光纤中传输，到达无芯光纤时激发出各种高阶模式，然后进入到导出单模光纤时形成导模传输到光声转换材料处，所述光声转换材料处的包层模用于产生超声信号，而在所述导出单模光纤的纤芯中传输的芯模继续在纤芯中传输直到下一个包层模激发单元的超声激发点。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤激光超声换能装置，其特征在于：所述光声转换材料包括复合材料和金属材料；所述复合材料包括金纳米颗粒-聚二甲基硅氧烷混合物、石墨-环氧树脂混合物、碳纳米纤维-聚二甲基硅氧烷混合物或者碳纳米管-聚二甲基硅氧烷混合物；金属材料包括铬、钢、金、金纳米颗粒或者钛铝合金。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤激光超声换能装置，其特征在于：所述包层模激发单元的制备包括导出单模光纤处的涂覆层的去除、包层的腐蚀以及超声激发材料的涂敷，其中，超声激发材料吸收包层模能量产生超声信号。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤激光超声换能装置，其特征在于：利用无芯光纤与单模光纤模式失配的特点以及无芯光纤包层模能量分布的特性，制备出不同激光能量耦合比的超声换能单元；当经过高功率掺铒光纤光放大器放大的脉冲激光到达无芯光纤单元处时，包层模式被激发，并且进入导出的单模光纤时，一部分激光能量继续留在纤芯传输为下游的超声激发点提供能量，另一部分能量转变为包层模式，传输一段距离后被涂敷的超声激发材料吸收用于超声激发。

5.根据权利要求1-4任一项所述的分布式光纤激光超声换能装置，其特征在于：单个包层模激发单元的制备流程为：首先(1)将无芯光纤与空芯光纤熔接，然后(2)切割下一段无芯光纤，再(3)将解理后的无芯光纤与单模光纤熔接在一起，接着(4)使用机械微位移平台和高倍率显微装置精确切割下一定长度的无芯光纤，最后(5)将这一端的无芯光纤与单模光纤熔接。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光超声波激发领域，特别是一种基于无芯光纤的均衡的光纤激光多点超声激发换能装置。

背景技术

近年来，民用建筑、工业工程、航天结构等重要设施的结构健康受到越来越多的关注。一系列的环境因素，如高温、强腐蚀和严重碰撞，可能对这些结构的健康有破坏性的影响。因此，对于重要的结构来说，结构的健康检测和性能监测尤为重要，尤其是及时发现和修复初始损伤结构，可以避免人员伤亡和经济损失。无损检测技术是一种理想的结构健康监测方法，不会对检测结构造成损伤，能检测出广泛的结构损伤类型。在许多无损检测技术中，基于超声原理的检测方法因其具有灵活性、材料穿透性、灵敏度高、检测速度快等特点而被广泛应用。

目前，基于电学的超声换能器被广泛应用，超声波信号通过压电、电磁和电容效应而产生。其中，压电超声换能器(PZT)是电学类超声换能装置的典型代表，其具有体积大、带宽有限的缺点，难以满足当前的需求。今年来，一种可替代传统压电陶瓷换能器的方案是使用基于光声转换效应的激光超声换能装置。全光纤超声换能装置具有耐高温、耐腐蚀、高分辨率和抗电磁干扰等优点。由于光纤体积小，重量轻，使得其更适合嵌入式和集成使用。

然而，目前基于光纤的超声换能装置大多都是在光纤端面实现单点式的超声激发，少部分提出了在单根光纤上完成分布式的超声激发系统，有研究人员提出利用倾斜布拉格光栅的耦合到光纤包层中的“幻影模”的方法实现了(非专利文献1：“Study ofdistributed fiber-optic laser-ultrasound generation based on ghost-mode oftilted fiber Bragg gratings,”Proc.SPIE.,2013,8722,872208.)分布式的超声激发，但是这种方式无法完成多点同时的超声激发，激发的条件比较苛刻，需要进行波长的匹配，以及倾斜布拉格光纤光栅的制备比较复杂、性价比低、纤芯能量利用不完全。此外，这种方式的超声换能器装置需要价格昂贵的可调谐的脉冲激光光源，使得整体的超声换能系统成本急剧提高。

专利文献1(中国专利申请号201610604595.0)提出了一种基于光纤错位熔接的分布式光纤激光超声换能器。在光纤侧壁多点超声激发这一思想上，通过控制光纤纵向的错位量的控制实现了多点超声激发，解决了倾斜布拉格光纤光栅超声换能器不能同时激发的问题，但是这种纵向的错位量急剧的降低了光纤径向和轴向的机械性能，光纤变得很脆弱，在外力的作用下容易断裂，并且该方法使用的熔接机控制精度不高，很容易产生系统误差，使得制备的超声换能器的能量辐射比达不到要求。

针对上述问题，迫切的需要能够同时激发、机械性能高、激光能量辐射比控制精度高、成本低廉、制备过程简单、超声激发条件宽泛的高性能分布式光纤激光超声激发换能器，能够进行大规模的生产以及嵌入式使用。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明提出了一种基于无芯光纤结构的多点同时激发的超声换能器，在提高超声换能器数目的同时，还提升了制备超声换能器的制备效率，进一步增强了单个超声换能器的机械性能，使得其在实际的嵌入式应用中具备较高的鲁棒性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为提供一种基于无芯光纤的均衡的分布式光纤激光超声换能器，通过将脉冲种子源、高功率掺铒光纤光放大器、高功率光纤隔离器以及具有无芯光纤的能量辐射结构组依次连接组成分布式光纤激光超声换能系统；其中，所述具有无芯光纤的能量辐射结构组包扩若干个由不同长度的无芯光纤的包层模激发单元，每个单元的具体结构为单模光纤-无芯光纤-单模光纤，所述的若干个包层模激发单元是按照无芯光纤部分的长度由短到长顺次连接。

作为本发明的进一步改进，所述包层模激发单元包括导入单模光纤、无芯光纤、导出单模光纤以及光声转换材料204；其工作过程是，入射的基模光束在导入单模光纤中传输，到达无芯光纤时激发出各种高阶模式，然后进入到导出单模光纤时形成导模传输到光声转换材料处，其包层模用于产生超声信号，而在纤芯中传输的芯模继续在纤芯中传输直到下一个超声激发点。

作为本发明的进一步改进，所述光声转换材料包括复合材料和金属材料；所述复合材料包括金纳米颗粒-聚二甲基硅氧烷混合物、石墨-环氧树脂混合物、碳纳米纤维-聚二甲基硅氧烷混合物或者碳纳米管-聚二甲基硅氧烷混合物；金属材料包括铬、钢、金、金纳米颗粒或者钛铝合金。

作为本发明的进一步改进，所述包层模激发单元的制备包括导出单模光纤处的涂覆层的去除、包层的腐蚀以及超声激发材料的涂敷，其中，超声激发材料吸收包层模能量产生超声信号。

作为本发明的进一步改进，利用无芯光纤与单模光纤模式失配的特点以及无芯光纤包层模能量分布的特性，制备出不同激光能量耦合比的超声换能单元；当经过高功率掺铒光纤光放大器放大的脉冲激光到达无芯光纤单元处时，包层模式被激发，并且进入导出的单模光纤时，一部分激光能量继续留在纤芯传输为下游的超声激发点提供能量，另一部分能量转变为包层模式，传输一段距离后被涂敷的超声激发材料吸收用于超声激发。

作为本发明的进一步改进，单个包层模激发单元的制备流程为：首先(1)将无芯光纤与空芯光纤熔接，然后(2)切割下一段无芯光纤，再(3)将解理后的无芯光纤与单模光纤熔接在一起，接着(4)使用机械微位移平台和高倍率显微装置精确切割下一定长度的无芯光纤，最后(5)将这一端的无芯光纤与单模光纤熔接。

本发明的有益效果是：本发明的超声换能器的优势在于：(1)接入无芯光纤可以通过改变无芯光纤的长度控制到达导出单模光纤中的激光能量辐射比，从而起到控制该点的激光超声的幅值调控的作用，达到在多点超声系统中单个超声激发器的可控性要求。(2)通过精密的机械辅助微位移平台以及高倍率光学显微镜可以获得足够短的无芯光纤长度，并且无芯光纤的长度可以通过端面研磨机进行进一步控制，起到了多重控制的作用，所能够集成的超声激发点数也足够多。(3)无芯光纤的包层直径与单模光纤的直径相同，保持了超声换能器较高的机械性能。(4)无芯光纤的接入过程与单模光纤的熔接过程相同，制备的工艺比较简单，能够广泛的利用到实际的产品中。

附图说明

图1是本发明的基于无芯光纤的分布式光纤激光超声换能装置的结构示意图；

图2是本发明的单模-无芯-单模光纤结构单元的结构示意图；

图3是本发明的超声激发单元制备流程图；

图4是腐蚀装置图；

图5是无芯光纤长度与激光能量辐射量比的关系图；

图6是无芯光纤辐射结构图；

图7是的采用本发明的分布式光纤激光超声换能装置的实验装置图；

图8是超声换能器腐蚀前后的对比图；

图9是超声换能器单元实物图；

图10(a)是脉冲光源的输出光谱；

图10(b)是脉冲光源的输出信号波形图；

图10(c)是激发效果示意图；

图10(d)是SNS结构激发的超声波信号波形图；

图11(a)是单元1的单模-无芯-单模光纤结构串的时域波形图；

图11(b)是单元2的单模-无芯-单模光纤结构串的时域波形图；

图11(c)是单元3的单模-无芯-单模光纤结构串的时域波形图；

图11(d)是单元4的单模-无芯-单模光纤结构串的时域波形图；

图11(e)是单元5的单模-无芯-单模光纤结构串的时域波形图；

图11(f)是单元1的单模-无芯-单模光纤结构串的频域谱；

图11(g)是单元2的单模-无芯-单模光纤结构串的频域谱；

图11(h)是单元3的单模-无芯-单模光纤结构串的频域谱；

图11(i)是单元4的单模-无芯-单模光纤结构串的频域谱；

图11(j)是单元5的单模-无芯-单模光纤结构串的频域谱；

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明的核心机理是：利用无芯光纤与单模光纤之间模式失配，使得导入单模光纤的光传输到无芯光纤时，单模传输的条件被打破，各种高阶包层模被激发出来，进入导出单模光纤的激光能量由无芯光纤的长度所决定，而处于导出光纤包层中的高阶模式，由于导出光纤的包层被部分腐蚀以提高激光能量利用效率，并涂敷上超声-激光转换材料，在包层中的激光能量被材料吸收并转换为热量，由于材料具有一定的热膨胀系数，材料会受热膨胀，当使用的脉冲激光光源时，这种热量的产生是受脉冲的间隔时间调制的，在脉冲到达的间隙，材料会因热量的消失而收缩，这种膨胀收缩过程就产生了超声信号，并且这种信号是受脉冲激光光源调制的，信号的幅值是受超声激发点的能量辐射比以及腐蚀深度控制的。

如图1所示，本发明的基于无芯光纤的分布式光纤激光超声换能器的装置主要由脉冲种子源101、高功率掺铒光纤光放大器102、高功率光纤隔离器103以及单模-无芯-单模光纤结构串(也称能量辐射结构)104依次连接组成。其中，单模-无芯-单模光纤结构串104是由一系列不同无芯光纤长度的超声激发单元(也称包层模激发单元)105通过单模光纤连接构成。超声激发单元105通过将无芯光纤部分的长度从短到长连接入光路中，使得整个超声激发系统的每个超声激发点都获得均衡的激光能量用于超声激发。

超声激发单元105的具体结构如图2所示，其主要由导入单模光纤201、无芯光纤202、导出单模光纤203以及光声转换材料204组成。其工作过程是，入射的基模光束205在导入单模光纤201中传输，到达无芯光纤202时激发出各种高阶模式206，然后进入到导出单模光纤203时形成导模207传输到光声转换材料204处，其包层模用于产生超声信号209，而在纤芯中传输的芯模208继续在纤芯中传输直到下一个超声激发点。其中，光声转换材料204包括(金纳米颗粒-聚二甲基硅氧烷混合物、石墨-环氧树脂混合物、碳纳米纤维-聚二甲基硅氧烷混合物以及碳纳米管-聚二甲基硅氧烷混合物等)复合材料和(铬、钢、金、金纳米颗粒以及钛铝合金等)金属材料。

超声激发单元的制备流程如图3所示，包括：1)通过单模光纤和无芯光纤的切割以及熔纤机的熔接，并将熔接好的单模光纤和无芯光纤的结构固定在光纤微位移平台；2)将固定后的光纤结构在光学显微装置的辅助观测下，微调微位移平台，通过光纤切割刀切出合适长度的无芯光纤，并将切出的光纤与导出的单模光纤熔接；3)将熔接好的具有无芯光纤的能量耦合结构的导出单模光纤部分放置在聚碳酸酯树脂材料制成的方形槽中进行包层腐蚀，接着用蜡将光纤的两端固封以及隔离腐蚀性酸液；4)在化学通风橱中向方形槽中加入40％浓度、1.15密度的氢氟酸至淹没光纤，在设定的时间处理掉酸液并用去离子水清洗光纤表面；5)将腐蚀后的光纤放置于刻有凹槽的薄铝板的槽中，铝板起固定光纤的作用，并将一定量的超声激发材料涂敷在腐蚀的光纤处。特殊的超声激发材料需要放置于高温炉中，并在特定的温度固化一段时间。

本发明中的腐蚀装置如图4所示，其材料可以是塑料等抗弱酸腐蚀的材料，其主要包括腐蚀槽401和两个光纤夹持槽402、403组成，通过将制备完成的单模-无芯-单模结构的导出单模光纤203的特定位置放置于腐蚀槽401中，并将两端分别放置于光纤夹持槽402、403中，再用蜡进行固封，蜡可以起到固定光纤以及防止酸液腐蚀其他部分光纤的作用。本发明中的酸液使用的是40％浓度、1.15密度的氢氟酸。不同的腐蚀时间可以获得不同腐蚀深度的光纤，这可以灵活调整以适应最佳的应用场景，在本发明中光纤的腐蚀时间是45分钟。

本发明中无芯光纤长度与激光能量辐射比例的光纤如图5所示。其中，随着无芯光纤的长度的增加，导出单模光纤中，包层的能量不断的增大，而纤芯中的激光能量比例却持续下降。

本发明的超声激发单元中的光纤部分的结构典型实物图如图6所示。在本发明中采用五个激光能量耦合比分别是20.17％,24.46％,34.86％,52.21％,90.10％进行表现超声换能器1～5。除了直接机械切屑控制无芯光纤之外，还可以通过光纤端面腐蚀以及光纤端面研磨的方式二次加工严格控制其精度。

本发明的超声激发以及超声探测系统如图7所示。其主要由高功率掺铒光纤放大器701、高功率光纤隔离器702、超声激励单元703、压电陶瓷探测器704、电放大器705、示波器706以及脉冲激光光源707组成。脉冲激光光源707发出脉冲光经过高功率掺铒光纤放大器701放大光功率，放大后的脉冲激光再经过高功率光纤隔离器进入到单个的超声激励单元703进行超声激发，高功率光纤隔离器可以防止反射的激光损伤高功率掺铒光纤放大器701和脉冲激光光源707。激励的超声信号由超声探测设备压电陶瓷探测器704探测到，并将其传输到电放大器705进行信号放大，最后输入到示波器中进行超声波形的显示以及分析。

本发明中腐蚀后的超声换能器单元中的光纤部分的实物图如图8所示。其主要分为导入单模光纤连接部分801，腐蚀的渐变区803以及腐蚀出的导出光纤部分802。光声转换材料主要涂敷在腐蚀平缓的导出单模光纤部分802处，本发明中采用的光声转换材料是石墨与环氧树脂的混合材料，在涂敷后需要在高温箱中120℃条件下固化四个小时。

本发明的超声换能器单元如图9所示。其主要由带有凹槽的支撑铝板901、涂敷有光声转化材料的光纤部分902、压电陶瓷声信号探测器903以及辅助支持装置904组成。其中，支撑铝板901的凹槽是用于放置光纤并固定光纤的。

本发明的所使用的光源特性以及参数如图10(a)-图10(d)所示。脉冲激光的重复频率设置为3kHz，脉冲宽度设置为5纳秒。超声激励源是由EDFA放大的脉冲光源，其输出光谱由光谱仪示出，分辨率为0.02nm，如图10(a)所示。从光源的光谱图可知，脉冲激光的中心波长接近1550.2nm，3dB带宽为0.12nm，相应的线宽为1.12nm。适当减小EDFA的放大功率，并在输出端增加一定的损耗。接着，使用光电探测器接收放大器后面的输出信号，并使用示波器来显示和记录其波形。图10(b)示出该信号具有5ns的脉冲宽度，并且其最大振幅接近280mV。

图10(c)展示出由EDFA放大的信号具有与光源相同的重复频率，并且脉冲间隔约为3.3毫秒，并且每个脉冲具有相同的峰值功率和相同的脉冲宽度。将EDFA的放大功率调节到120毫瓦，等效单脉冲能量为0.04mJ。由于不同的SNS结构具有不同的耦合比，耦合比按小到大的顺序连接到系统。本发明中展示的是五点超声波激励系统的设计，每个超声激励点应该能够从光纤芯中提取20％的能量到纤维包层。也就是说，每一个超声波激励点具有0.008兆焦耳的能量来激励超声信号。每个超声激发点的石墨环氧化合物吸收耦合的光能并进行周期性的膨胀和收缩过程。由SNS结构激发的超声波信号如图10(d)所示。从图中可以看出，超声信号具有与脉冲激光光源相同的3kHz的重复频率，每个脉冲的峰-峰值幅值接近于510mV。因此，激励的超声信号具有与光源相同的特性，并且超声信号的振幅也非常稳定。

本发明中超声激发单元的所有探测结果如图11(a)-图11(e)所示。每个超声波信号的峰-峰值可以分别计算为517mV，525mV，510mV，519mV，和522mV，都处于510mV附近。超声信号峰值与峰值的小差异与SNS结构的耦合比和光声材料在检测点的涂层厚度有关。显然，每一个信号都是平衡激发的，其弛豫时间约为5μs。对每个时域信号进行快速傅立叶变换，并且可以得到相应的频域谱，如图11(f)-图11(j)所示。图11(a)-图11(j)显示超声信号具有非常宽的约10兆赫的频谱。另外，各超声激励点在频域中的振幅在-40dB以下，中心频率接近4MHz。由于超声信号具有相同的特性和相似的脉冲形状，可以得出平衡的多点超声波激励。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

一种基于无芯光纤的分布式光纤激光超声换能装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。