光纖光柵在光聲成像中的應(yīng)用

張能著，榮 健

(電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610000)

光纖光柵在光聲成像中的應(yīng)用

張能著，榮 健

(電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610000)

光纖光柵作為一種新型傳感器，受到人們廣泛的關(guān)注，世界各國學(xué)者開展了與之相關(guān)的各類研究。該文主要討論光纖光柵在光聲成像系統(tǒng)中對超聲波的探測情況，該系統(tǒng)中，可以得到清晰的鉛筆芯圖像。此外，因?yàn)楣饫w光柵有著體積小和純光學(xué)的特性，可以用在電磁干擾很強(qiáng)的醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡探測中。在將來，光纖光柵結(jié)合光聲成像系統(tǒng)有潛力成為一種高質(zhì)量的成像方式。

光纖光柵；超聲波；內(nèi)窺鏡探測；光聲成像

光聲效應(yīng)是光聲成像的理論基礎(chǔ)，它通過吸收電磁能量(光波或無線電波)產(chǎn)生超聲波。用短脈沖激光去照射生物組織，激光的能量被生物組織吸收并且發(fā)生熱膨脹，產(chǎn)生超聲信號，也就是所謂的光聲信號。光聲成像技術(shù)結(jié)合了純光探測的高分辨率和超聲探測深穿透深度的優(yōu)點(diǎn)，因此它受到了越來越多的關(guān)注。而在整個(gè)探測過程中，超聲信號的探測是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

超聲技術(shù)廣泛應(yīng)用在各學(xué)科和商業(yè)領(lǐng)域中，同樣在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也得到了足夠的重視。傳統(tǒng)的超聲波探頭是基于壓電換能器的壓電效應(yīng)，它通過壓電晶體把超聲信號轉(zhuǎn)化為電信號，然而壓電換能器有著一些無法克服的缺點(diǎn)。在本文中，光纖布拉格光柵作為一種新型的探測超聲波方法，有著獨(dú)特的優(yōu)勢，如體積小、重量輕、抗電磁干擾等，但光纖光柵探測超聲信號最重要的優(yōu)勢是它的波長解調(diào)方式，這樣在信號探測過程中，解調(diào)信號將不再受到光強(qiáng)的限制；另一方面，由于光纖光柵獨(dú)特的性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用[1-2]。

1 光纖光柵傳感原理和解調(diào)原理

均勻光纖布拉格光柵是在單模光纖中使纖芯折射率周期性變化形成的,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。光纖光柵的基本原理是由于光纖纖芯區(qū)域折射率周期變化造成光纖波導(dǎo)條件的改變，導(dǎo)致一定波長的光波發(fā)生相應(yīng)的模式耦合，使得其透射光譜和發(fā)射光譜對該波長出現(xiàn)奇異性[3]。根據(jù)耦合波理論，當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)，光柵的布拉格波長λB= 2neffΛ，其中λB為布拉格波長，neff為光纖傳播的有效折射率，Λ為光柵周期。當(dāng)一束寬帶光進(jìn)入光柵后，波長為λB的光將被反射返回，其余波段的光將通過光柵，沿著光柵向前傳播，反射光的中心波長即是光柵的布拉格波長。

圖1 光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)圖

光纖布拉格光柵的解調(diào)技術(shù)是光纖光柵傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，根據(jù)解調(diào)原理的不同，常用的光纖光柵解調(diào)方法包括干涉法和濾波法兩類[4-5]。

1)干涉型光纖光柵解調(diào)方法的基本原理就是，在一段單模光纖中傳輸?shù)南喔晒庠矗诖郎y能量場的作用下，而相干光產(chǎn)生相位調(diào)制。即利用干涉儀將中心波長的偏移量轉(zhuǎn)化為相位變量進(jìn)行檢測。此類解調(diào)方法具有極高的檢測靈敏度，但是，它也極易受到外界環(huán)境變化的影響，因而一般多用于動(dòng)態(tài)檢測[6-7]。

2)濾波法[8-10]是利用各種濾波器對光纖布拉格光柵傳感器的波長信號進(jìn)行掃描濾波，將波長信號轉(zhuǎn)化為電信號，再進(jìn)行處理和顯示。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖如圖2所示，Nd.YAG激光器用來照射生物組織及仿體產(chǎn)生超聲信號，激光器的波長為532 nm，脈沖間隔為7 ns。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，重復(fù)頻率為1 Hz，照射在組織上的激光強(qiáng)度低于美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)所規(guī)定的20 mW/cm2，探測到的超聲信號通過光電探測器轉(zhuǎn)為電信號，然后通過放大器放大，再通過由電腦控制的數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為50 MHz，硬件的同步和控制由Labview程序控制。

圖2 光纖光柵探測超聲信號的光聲成像系統(tǒng)圖

如圖3所示，3個(gè)鉛筆芯放到仿體上，每兩個(gè)鉛筆芯之間的距離都為5 mm，由延時(shí)疊加算法可知，光纖光柵探頭，圍繞著鉛筆芯探測180個(gè)位置，實(shí)驗(yàn)中低頻信號可能來自機(jī)械擾動(dòng)和外界噪聲，但是不影響成像結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中，用延時(shí)疊加算法[11]得到圖像，重建圖像如圖4所示。和圖3相比，無論在尺寸上、形狀上，還是相對位置上都能一一對應(yīng)，因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖3 放在仿體上的鉛筆芯樣本

圖4 本文鉛筆芯樣本的光聲重建圖像

3 結(jié)束語

通過以上實(shí)驗(yàn)可知，光纖光柵可以很好地應(yīng)用在光聲成像系統(tǒng)當(dāng)中。光纖光柵有著體積小、抗電磁干擾和便宜等特點(diǎn)，基于這些優(yōu)勢，它可以用在醫(yī)用內(nèi)窺鏡檢測當(dāng)中，而且有著很高的商業(yè)前景。

[1] FOMITCHOV P A，KRISHNASWAMY S.Fiber bragg grating ultrasound sensor for process monitoring and NDE applications[EB/OL].[2015-06-22].http://scitation.aip.org/content/aip/proceeding/aipcp/10.1063/1.1472897.

[2] XU Minghua ，WANG Lihoug.Photoacoustic imaging in biomedicine[J].American Institute of Physics, 2006, 77(4):5-13.

[3] YUN S H, RICHARDSON D J, KIM B Y.Interrogation of fiber grating sensor arrays with awavelength-swept fiber laser[J].The Optical Society of American, 1998, 23(11):843-845.

[4] TSUDA H S, KUMAKURA K J, OGIHARA S J.Ultrasonic sensitivity of strain-insensitive fiber bragg grating sensors and evaluation of ultrasound-induced strain[J].Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2010, 10(12):11248-11258.

[5] LAM P M, LAU K T.Acousto-ultrasonic sensing for delaminated GFRP composites using en embedded FBG sensor[J].Science Direct, 2009,47(10):1049-1055.

[6] MURAYAMA H,KAGEYAMA K，SHIRAI T,et al.Guided wave and damage detection in composite laminates using different fiber optic sensors[J].Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2009, 9(5):4005-4021.

[7] LEE J R, TSUDA H, TOYAMA N.Impact waveand damage detections using a strain-free fiber Bragg grating ultrasonic receiver[J].Science Direct, 2007, 40(1): 85-93.

[8] SHOORI R A, GEBREMICHAEL Y M, XIAO S.Time domain multiplexing for a bragg grating strain measurement sensor network[J].Optical Fiber Sensors, 1999(3):3746-3791.

[9] KOOK P, KERSYA D.Bragg grating based laser sensor system with interferometric interrogation and wavelength division multiplexing[J].Journal of Lightwave Technology, 1995, 13(7):1243-1249.

[10] ZHAO D, SHU X, LAI Y, et al.Fiber bragg grating sensor interrogation using chirped fiber grating-based Sagnac loop[J].Sensors Journal, IEEE, 2003, 3(6): 734-738.

[11] XU M, KU G, WANG L.Microwave-induced thermoacoustic tomography using multi-sector scanning[J].Medical Physics, 2001, 28(9): 1958-1963.

Application of Fiber Bragg Grating in Photoacoustic Imaging System

ZHANG Nengzhu，RONG Jian

(School of Physical Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610000,China )

Fiber bragg grating (FBG), as a new type of sensor, has widely attracted much attention by people.Scholars from all over the world have carried out various kinds of research related to it.This paper mainly discusses the detection of the ultrasonic wave in photoacoustic imaging system by FBG, in which the clear photoacoustic image of pencil lead can be obtained..Besides, because the FBG has a small size and pure optical features, this method can be used in medical endoscopic detection with strong electromagnetic environment.In the future, photoacoustic imaging system combined with FBG has the potential to provide a high quality imaging method.

fiber bragg grating；ultrasonic；endoscopic detection; photoacoustic imaging

2015-07-10；修改日期:2015-09-11

高分辨率定量微被熱聲成像技術(shù)及其在早期乳腺癌診斷中的應(yīng)用(2014HH0037)。

張能著(1989-)，男，碩士，主要從事光聲醫(yī)學(xué)成像工作。

榮健(1962-)，教授，rongj@uestc.edu.cn

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.010