一种基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法技术

一种基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法，包括依次设置的激光器、半波片、差分干涉仪和光电探测单元，差分干涉仪是由依次设置的起偏器、第一沃拉斯顿棱镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第二沃拉斯顿棱镜和检偏器构成，光电探测单元是由依次设置的第三聚焦透镜、多模光纤和光电探测器构成，起偏器的输入侧位于半波片的输出侧，检偏器输出侧位于第三聚焦透镜的输入侧，光电探测器的输出端依次通过低通滤波器和高速数据采集卡连接计算机。本发明专利技术不仅具有宽带宽、高灵敏、小探测区域等特点，同时探测光路还具有稳定性高、易调节等优势。本发明专利技术的探测器可以很容易与共聚焦拉曼、荧光等显微成像技术结合，实现亚微米尺度的多模态显微成像。模态显微成像。模态显微成像。

【技术实现步骤摘要】
一种基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法


[0001]本专利技术涉及一种全光学超声探测器。特别是涉及一种基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法。

技术介绍

[0002]影像技术是现代医学的支柱，其中基于超声探测的影像技术具有无创、快速、无电离辐射等特点已在临床诊断中广泛应用。基于超声探测的影像技术既包括传统的B超和彩超技术，也包括近年来兴起的光声成像技术，其核心功能器件是超声探测器。超声探测器的重要参数包括灵敏度、带宽、等效噪声压力以及传感元件的物理尺寸等，直接决定了超声或光声成像的成像质量和空间分辨率。传统的光声和超声成像大多使用基于压电材料的超声换能器进行超声波探测，这些换能器带宽通常有限(以它们的谐振频率为中心)。此外，由于存在固有的机械和电气损耗，随着换能器尺寸变小，电噪声显著增加，传感器的灵敏度随着传感面积平方根的减小呈现成比例下降的趋势，限制了小尺寸传感器在大规模阵列中的使用。基于这些问题，人们开始将目光投向基于全光学效应的超声探测方式。全光学超声探测是一种很有前途的超声检测方式，虽然它仅能接收超声波，但可以提供较高的超声检测灵敏度和较大的带宽，并且这些性能几乎与传感器的探测区域尺寸无关，应用于超声和光声成像时可获得较高的空间分辨率和优良的成像质量。
[0003]目前人们已经提出多种基于全光学的超声检测方法，包括迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer，MI)、马赫
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曾德尔干涉仪(Mach
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Zehnder interferometer，M
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ZI)、表面位移干涉仪、全场散斑干涉仪、法布里
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珀罗聚合物干涉仪(Fabry
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P
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rot interferometer，FPI)、微环谐振器、低相干干涉仪、表面等离子体共振探测器、基于探针光束偏转技术、基于偏振相关光反射技术以及基于弹光效应的光声遥感(Photoacoustic remote sensing，PARS)显微技术等。这些全光学的超声探测器实现微米级探测区域的同时仍然保持有非常高的带宽和灵敏度，并且其探测构型更容易地应用于光声成像系统。
[0004]虽然如此，这些类型的探测器仍存在一些局限性。比如现有的各种基于干涉的超声探测技术对光路调节要求非常高，工作点需要位于干涉条纹的坡度最陡处，每次测量前都需要校准。此外，由于信号光与参考光走不同的路径，系统工作状态容易受到环境影响。而光声遥感探测器本身并非探测传播的超声波，而是探测脉冲激发引起的初始声压，具有很大的应用局限性。因此，构建一个宽带宽、高灵敏、结构简单、抗干扰能力强的全光学超声探测器具有非常重要的应用价值。
[0005]传统的超声换能器在小型化、微型化时带宽和灵敏度大幅下降。全光学的超声探测器能够很好地克服这些局限性，但是现有的探测构型也存在稳定性较差、受环境干扰较大等问题。发展宽带宽、灵敏度高、探测区域小以及稳定性高的超声探测器具有迫切的应用需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，提供一种具有非常宽的超声探测带宽和非常高的探测灵敏度的基于差分干涉的全光学超声探测器及探测方法。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：一种基于差分干涉的全光学超声探测器，包括依次设置的激光器、半波片、差分干涉仪和光电探测单元，所述的差分干涉仪是由依次设置的起偏器、第一沃拉斯顿棱镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第二沃拉斯顿棱镜和检偏器构成，所述的光电探测单元是由依次设置的第三聚焦透镜、多模光纤和光电探测器构成，其中，所述起偏器的输入侧位于所述半波片的输出侧，所述检偏器输出侧位于所述第三聚焦透镜的输入侧，所述光电探测器的输出端依次通过低通滤波器和高速数据采集卡连接计算机。
[0008]所述的差分干涉仪还设置有装有超声传播介质的水槽，所述水槽设置在所述第一沃拉斯顿棱镜和第二沃拉斯顿棱镜之间，并分别在对应所述第一沃拉斯顿棱镜和第二沃拉斯顿棱镜的两个侧壁上开有贯通孔，所述第一聚焦透镜嵌入在所述水槽的临近第一沃拉斯顿棱镜一侧的贯通孔内，所述第二聚焦透镜嵌入在所述水槽的临近第二沃拉斯顿棱镜一侧的贯通孔内，所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的周边与所述的贯通孔为密封连接。
[0009]所述的起偏器的偏振轴方向与水平面夹角为45度，与经由所述半波片2旋转后的探测光偏振方向相同。
[0010]所述的第一沃拉斯顿棱镜的光学轴与水平面平行，将经由所述起偏器输出的45度方向线偏振探测光分解成水平和垂直偏振的两束光，两束光强度相等并以相反的角度出射。
[0011]所述的第一沃拉斯顿棱镜位于所述第一聚焦透镜的前焦平面；所述第一聚焦透镜将偏振相互垂直、出射方向不同的两束探测光聚焦于所述水槽中的超声探测区域；聚焦后的两束探测光的传播轴线方向均平行于水平面；所述第二聚焦透镜的焦距与所述第一聚焦透镜3
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3的焦距相等，二者间距等于它们的焦距之和；所述第二聚焦透镜将两束平行传播、先聚焦后散焦的探测光重新准直成平行光，准直后的两束探测光的传播方向与水平面的夹角相反，角度等于它们从所述第一沃拉斯顿棱镜出射角度的负值；所述第二沃拉斯顿棱镜的参数与所述第一沃拉斯顿棱镜相同，但光学轴与水平面垂直；所述第二沃拉斯顿棱镜位于所述第二聚焦透镜的后焦平面处，用于将振动方向相互垂直、入射角度不同的两束线偏振光重新合二为一，并且合束后的探测光的传播方向与水平面平行。
[0012]所述检偏器的偏振轴与x轴的夹角为135度，并与起偏器的偏振轴相互垂直，仅允许合束后的探测光中偏振方向与检偏器偏振轴方向相同的成分通过。
[0013]所述的多模光纤位于所述第三聚焦透镜的后焦平面上，用于将第三聚焦透镜聚焦的干涉光束输入到光电探测器中。
[0014]一种基于差分干涉的全光学超声探测器的探测方法，包括：
[0015]设定经由所述第一沃拉斯顿棱镜出射的强度相等、偏振方向相互垂直的两束探测光的电场强度的振幅为E0，则它们经过所述第二沃拉斯顿棱镜后的电场矢量分别表示为：
[0016][0017][0018]其中，为x、y方向的电场矢量，为x、y方向的单位矢量，k为探测光的
波数，z为z轴方向的空间坐标，是它们的初始相位，为垂直偏振光相对于水平偏振光的相位差，ω为角频率，t为时间；经过所述第二沃拉斯顿棱镜并合束后的干涉光的电场强度表示为二者的叠加：
[0019][0020]当探测光路中没有超声波影响时，垂直偏振的线偏振光o光和水平偏振的线偏振光e光的相位差则
[0021][0022]其中，为沿着所述起偏器的偏振轴的单位矢量，即与x轴夹角为45度方向的单位矢量；由所述第二沃拉斯顿棱镜合束的偏振干涉光的偏振方向仍为45度方向的线偏振光，偏振方向与所述检偏器的偏振轴方向的单位矢量垂直，光线将被全部阻挡，无光通过，所述电探测器的光电流为0，即没有信号产生；
[0023]当超声波传播至所述水槽中探测光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于差分干涉的全光学超声探测器，包括依次设置的激光器(1)、半波片(2)、差分干涉仪(3)和光电探测单元(4)，其特征在于，所述的差分干涉仪(3)是由依次设置的起偏器(3.1)、第一沃拉斯顿棱镜(3.2)、第一聚焦透镜(3.3)、第二聚焦透镜(3.4)、第二沃拉斯顿棱镜(3.5)和检偏器(3.6)构成，所述的光电探测单元(4)是由依次设置的第三聚焦透镜(4.1)、多模光纤(4.2)和光电探测器(4.3)构成，其中，所述起偏器(3.1)的输入侧位于所述半波片(2)的输出侧，所述检偏器(3.6)输出侧位于所述第三聚焦透镜(4.1)的输入侧，所述光电探测器(4.3)的输出端依次通过低通滤波器(5)和高速数据采集卡(6)连接计算机(7)。2.根据权利要求1所述的一种基于差分干涉的全光学超声探测器，其特征在于，所述的差分干涉仪(3)还设置有装有超声传播介质(3.8)的水槽(3.7)，所述水槽(3.7)设置在所述第一沃拉斯顿棱镜(3.2)和第二沃拉斯顿棱镜(3.5)之间，并分别在对应所述第一沃拉斯顿棱镜(3.2)和第二沃拉斯顿棱镜(3.5)的两个侧壁上开有贯通孔，所述第一聚焦透镜(3.3)嵌入在所述水槽(3.7)的临近第一沃拉斯顿棱镜(3.2)一侧的贯通孔内，所述第二聚焦透镜(3.4)嵌入在所述水槽(3.7)的临近第二沃拉斯顿棱镜(3.5)一侧的贯通孔内，所述第一聚焦透镜(3.3)和第二聚焦透镜(3.4)的周边与所述的贯通孔为密封连接。3.根据权利要求1所述的一种基于差分干涉的全光学超声探测器，其特征在于，所述的起偏器(3.1)的偏振轴方向与水平面夹角为45度，与经由所述半波片2旋转后的探测光偏振方向相同。4.根据权利要求1所述的一种基于差分干涉的全光学超声探测器，其特征在于，所述的第一沃拉斯顿棱镜(3.2)的光学轴与水平面平行，将经由所述起偏器(3.1)输出的45度方向线偏振探测光分解成水平和垂直偏振的两束光，两束光强度相等并以相反的角度出射。5.根据权利要求2所述的一种基于差分干涉的全光学超声探测器，其特征在于，所述的第一沃拉斯顿棱镜(3.2)位于所述第一聚焦透镜(3.3)的前焦平面；所述第一聚焦透镜(3.3)将偏振相互垂直、出射方向不同的两束探测光聚焦于所述水槽(3.7)中的超声探测区域；聚焦后的两束探测光的传播轴线方向均平行于水平面；所述第二聚焦透镜(3.4)的焦距与所述第一聚焦透镜3
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3的焦距相等，二者间距等于它们的焦距之和；所述第二聚焦透镜(3.4)将两束平行传播、先聚焦后散焦的探测光重新准直成平行光，准直后的两束探测光的传播方向与水平面的夹角相反，角度等于它们从所述第一沃拉斯顿棱镜(3.2)出射角度的负值；所述第二沃拉斯顿棱镜(3.5)的参数与所述第一沃拉斯顿棱镜(3.2)相同，但光学轴与水平面垂直；所述第二沃拉斯顿棱镜(3.5)位于所述第二聚焦透镜(3.4)的后焦平面处，用于将振动方向相互垂直、入射角度不同的两束线偏振...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏飞，苗育涵，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：