一种收发一体式光纤全光超声探头及其制备方法

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1.本发明属于超声换能器技术领域，更具体地，涉及一种收发一体式光纤全光超声探头及其制备方法。

背景技术：

2.光声换能器是通过光声效应将光信号转换成超声信号的一种装置，具有能够超声高强度，高频率和宽带宽的特点，在超声和超声成像上具有很大的应用前景。此外，由于光声换能器可以集成在光纤端面，具备柔性和小型化的特点，抗电磁干扰，能够与其他医疗设备兼容使用。目前基于光纤的全光超声收发探头多是采用超声发射探头与超声接收探头分离的结构，但这种结构的缺点在于发射探头与接收探头不是同轴的，超声回波与探头表面之间存在一个倾角，当这种结构运用于超声成像时，需要对接收信号进行额外的校正处理。且结构紧凑度不够，需要对超声发射探头与超声接收探头再次封装，进一步限制整个收发探头的小型化。
3.中国专利cn111112035b公开了一种收发一体式全光超声换能器装置及其制备方法，虽然它也公开了在光纤端面制备小型化的全光超声收发一体式探头的制备方法，其具体结构是将光纤插入结构化基座，并在结构化基座的另一端粘接平面结构的硬质衬底光声转换薄膜或悬浮的光声转换薄膜。这种方法的缺陷在于探头的小型化难度会随着结构化基座的尺寸减小而显著增大，粘接的稳定性将大受考验。且该装置用于接收时，fp腔的两个端面都是平面，不利于fp腔反射光谱对比度的提高，这也是为什么该专利具体是通过在fp腔的内壁上镀金属膜以增加fp腔的对比度。

技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种收发一体式光纤全光超声探头及其制备方法，其中通过各组件的结构及它们的配合工作方式等进行改进，利用毛细管，并在毛细管末端形成平凹振膜，一方面既利于探头的小型化，另一方面又能显著提高fp腔的反射对比度，提升探测性能。并且，本发明制备方法便捷，通过控制吸入毛细管中的聚合物的量，可以控制平凹振膜的厚度，从而对该探头的超声接收响应进行调控。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种收发一体式光纤全光超声探头，其特征在于，包括光纤(1)、毛细管(2)、平凹振膜(4)以及与平凹振膜(4)的平面端紧密相连的光声转换层(5)，其中，所述光纤(1)用于同时传输激励光和探测光，所述激励光能够透过所述平凹振膜(4)；该平凹振膜(4)的一端为凹面，一端为平面；所述光纤(1)插入并固定至所述毛细管(2)中，并与位于所述毛细管(2)末端的所述平凹振膜(4)相配合，由此形成封闭的fp腔(3)；相应的，所述fp腔(3)的两个端面分别为所述光纤(1)的出射端面和平凹振膜(4)的凹面；所述平凹振膜(4)能够提高fp腔的反射光谱对比度；
6.所述光声转换层(5)能够吸收所述激励光的激光束能量将其转换成超声波并向外
发射，实现收发一体式光纤全光超声探头发射超声波的功能，同时，该光声转换层(5)能够接收超声波回波，并根据超声波回波的强弱产生形变，从而带动所述平凹振膜(4)发生形变、使所述fp腔(3)的腔长发生变化，从而进一步影响回传的探测光信号，通过对回传的探测光信号加以检测，即可实现收发一体式光纤全光超声探头接收声波的功能。
7.作为本发明的进一步优选，所述平凹振膜(4)是基于毛细效应将液态聚合物吸入所述毛细管(2)后固化得到的；
8.所述液态聚合物能够浸润毛细管；优选的，所述聚合物为聚二甲基硅烷(pdms)或uv胶，优选为uv胶。
9.作为本发明的进一步优选，所述毛细管(2)与所述光纤(1)相连接处的内径大于或等于所述光纤(1)的外径，两者的直径之差不大于1mm；
10.所述光纤(1)为单根双包层光纤，其中纤芯用于传输探测光，内包层用于传输激励光；或者，所述光纤(1)是由多根光纤构成的光纤束，该光纤束中一根光纤用于传输探测光，其余的光纤用于传输激励光；
11.优选的，所述光纤(1)为单根双包层光纤。
12.作为本发明的进一步优选，所述毛细管(2)为单根毛细管，或者是由多根尺寸匹配的毛细管互相嵌套得到的组合毛细管；
13.所述毛细管(2)的材质为玻璃、聚合物或金属，优选为石英。
14.作为本发明的进一步优选，所述毛细管(2)的末端是与其长度方向垂直的平面；
15.所述毛细管(2)的末端是与其长度方向垂直的平面，或者是与其长度方向呈非90度夹角的倾斜平面。
16.作为本发明的进一步优选，所述光声转换层(5)是由金属基薄膜或者吸光微纳结构材料和柔性聚合物组成的复合材料薄膜，其中，所述吸光微纳结构材料为碳基微纳结构材料、金属基微纳结构材料或具有微纳结构的二硫化物材料；所述碳基微纳结构材料优选选自薄膜碳纳米管、碳黑颗粒、烛灰颗粒(csnps)、石墨烯或碳纤维；所述金属基微纳结构材料优选选自金属纳米粒子、金属纳米薄膜或金属纳米阵列；所述具有微纳结构的二硫化物材料优选选自颗粒状或薄片状二硫化钼或二硫化钨；
17.优选的，所述光声转换层(5)是由烛灰颗粒(csnps)和聚二甲基硅烷(pdms)组成的复合光声转换层。
18.作为本发明的进一步优选，对于所述光声转换层(5)，所述光声转换层(5)与所述平凹振膜(4)紧密贴合的端面为平面，另一端面为凸面、凹面、相平行的平面或相倾斜的平面，由此得到平凸、平凹、平平或楔形结构；
19.优选的，所述光声转换层(5)为平凸结构，能够作为平凸声透镜，对探头发射的超声波起到汇聚作用。
20.按照本发明的另一方面，本发明提供了上述收发一体式光纤全光超声探头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
21.(1)将基片放置在蜡烛焰心上方，蒸镀烛灰颗粒(csnps)；
22.(2)将内径与光纤外径匹配的毛细管垂直地夹持在位移平台上，并在步骤(1)得到的csnps层上滴涂上聚合物液滴，并使液滴中心在毛细管的正下方，调整位移平台使毛细管下降至接触附着csnps的基片；此时，聚合物液滴将在毛细效应作用下进入毛细管，并形成
凹面液面；待液面稳定后，进行固化，即可得到平凹结构；
23.(3)待固化完成后，将毛细管从附着有csnps层的基片上剥离下来，即可得到与毛细管固定连接的平凹振膜和平凹振膜的平面端连接的csnps层；
24.(4)将位于毛细管内的平凹振膜浸入除泡后的液态pdms预聚体中，蘸涂一层pdms预聚体后，垂直立在洁净的另一基片上，使蘸涂有pdms预聚体的一端与该基片直接接触，然后固化，脱模后即可得到在毛细管端面紧密贴合的复合光声转换层；相应的，所述复合光声转换层为平面结构，它与所述平凹振膜紧密贴合的端面为平面，另一端面为与之相平行的平面；
25.或者是，将位于毛细管内的平凹振膜浸入除泡后的液态pdms预聚体中，蘸涂一层pdms预聚体后，垂直悬空固化，即可得到在毛细管端面紧密贴合的复合光声转换层；相应的，所述复合光声转换层为平凸结构，它与所述平凹振膜紧密贴合的端面为平面，另一端面为凸面；
26.或者是，将位于毛细管内的平凹振膜浸入除泡后的液态pdms预聚体中，蘸涂一层pdms预聚体后，以非90
°
的倾角立在洁净的另一基片上，使蘸涂有pdms预聚体的一端与该基片直接接触，然后固化，脱模后即可得到在毛细管端面紧密贴合的复合光声转换层；相应的，所述复合光声转换层为平面结构，它与所述平凹振膜紧密贴合的端面为平面，另一端面为具有相应倾角的平面；
27.或者是，将位于毛细管内的平凹振膜浸入除泡后的液态pdms预聚体中，蘸涂一层pdms预聚体后，立在一洁净的球面基座上，使蘸涂有pdms预聚体的一端与该球面基座直接接触，然后固化，脱模后即可得到在毛细管端面紧密贴合的复合光声转换层；相应的，所述复合光声转换层为平面结构，它与所述平凹振膜紧密贴合的端面为平面，另一端面为与基座曲率半径相同的凹面；
28.(5)将光纤从毛细管的开放端插入，通过控制光纤插入的深度来调节fp腔的初始腔长，调节好fp腔初始腔长后，将光纤与毛细管固定相连，使两者的相对位置保持固定，即可得到收发一体式光纤全光超声探头。
29.作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述载玻片具体是放置在蜡烛焰心上方1.5cm～3cm处，蒸镀时间为5-40s；
30.所述步骤(4)中，所述固化具体是在75℃～85℃固化2h～4h；
31.所述步骤(2)中，所述聚合物液滴具体为uv胶液滴。
32.按照本发明的又一方面，本发明提供了一种收发一体式光纤全光超声探头，其特征在于，包括光纤(1)、毛细管(2)、以及一体设置的平凹光声转换层，其中，所述光纤(1)用于同时传输激励光和探测光；所述平凹光声转换层的一端为凹面，一端为平面；所述光纤(1)插入并固定至所述毛细管(2)中，并与位于所述毛细管(2)末端的平凹光声转换层相配合，由此形成封闭的fp腔(3)；相应的，所述fp腔(3)的两个端面分别为所述光纤(1)的出射端面和平凹光声转换层的凹面；通过所述平凹光声转换层的平凹端面设置，能够提高fp腔的反射光谱对比度；
33.所述平凹光声转换层能够吸收所述激励光的激光束能量将其转换成超声波并向外发射，实现收发一体式光纤全光超声探头发射超声波的功能，同时，该平凹光声转换层能够接收超声波回波，并根据超声波回波的强弱产生形变，从而使所述fp腔(3)的腔长发生变
化，从而进一步影响回传的探测光信号，通过对回传的探测光信号加以检测，即可实现收发一体式光纤全光超声探头接收声波的功能；
34.优选的，在所述平凹光声转换层的平面端面上，还额外设置有平凸、平凹或楔形结构的附加光声转换层。
35.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于利用毛细管，毛细管的一端嵌入光纤，在毛细管的另一端，聚合物通过毛细效应吸入毛细管，固化后形成平凹振膜，光纤、毛细管以及平凹振膜的凹面配合形成一个fp腔，该fp腔的两个反射面一个是光纤端面，另一个是平凹振膜的凹面，这种凹面反射面能够显著提高fp腔的反射对比度，同时还能对激励光起到一定程度的发散作用，增大光声效应的作用区域，使声源部分面积增大。并且，本发明通过在光纤外嵌套毛细管，更易于探头小型化的实现。本发明中的探头不仅可以分别作为超声波发射器件或探测器件单独使用，还能够对自身所发射的超声波回波信号进行原位接收探测，实现自发自收的功能。
36.本发明通过设置平凹结构(如平凹振膜、或平凹光声转换层)构建fp腔，能够提高fp腔的反射光谱对比度，使探头具有更好的超声探测性能。本发明中的收发一体式全光超声探头是集成在光纤端面的，兼具柔性和小型化的特点，可适用于血管内的超声成像。毛细管组件的尺寸与光纤相匹配，使探头结构紧凑稳定。
37.上述平凹结构的使用除了能够提高超声探头的灵敏度外，由于本发明中的平凹结构尤其是可基于毛细效应的制备得到，更利于探头的小型化。本发明的收发一体式全光超声探头，其制备是通过在毛细管一端，利用毛细效应吸入聚合物，形成一个平凹结构的聚合物振膜，并在该振膜的平面端制备光声转换层用于超声的发射，最后将光纤与毛细管装配起来，从而能够在一跟光纤上同时实现超声的发射与接收，制备便捷。也就是说，平凹振膜可以由液态聚合物经过毛细效应吸入毛细管后固化而形成的。
38.现有技术cn111112035b是采用结构化基座连接振膜和光纤，其一端插入有光纤，另一个端面连接平面振膜和光声转换薄膜；光纤的端面与平面振膜之间形成一个平-平的fp腔结构。结构化基座的外径决定了器件的整体尺寸，如果结构化基座的壁厚度过小(外部尺寸越小)，平面振膜与结构化基座的接触部分越少，不容易粘连形成稳定的器件结构。也就是说，该现有技术中的悬浮膜是要与结构化基座的端面相连接的，为了形成稳定的器件结构，要求结构化基座与悬浮膜紧密相连；在结构化基座的内尺寸与光纤外径相匹配的条件下，器件的总体尺寸取决于结构化基座的外尺寸；结构化基座的外尺寸越大，悬浮膜与结构化基座之间的接触面积越大，器件越牢固，但器件尺寸也越大；反之，结构化基座的外尺寸越小，结构化基座与悬浮膜之间的接触面积越小，越难以让二者紧密相连，不利于器件的小型化。而本发明由于是基于毛细效应，通过毛细效应形成的平凹振膜和光声转换层能够与毛细管之间形成非常紧密的连接(不论毛细管的壁厚如何)，稳定性高，更利于探头的小型化。
39.另外，由于平凹振膜的机械特性是其厚度、直径、杨氏模量等参数共同决定的，当毛细管的内径确定的时候，平凹振膜的直径也就确定下来。此时，平凹振膜的厚度可以通过吸入聚合物的量来控制(例如，可通过控制滴在csnps层上的uv胶的量来控制液面上升的高度)，平凹振膜的厚度越厚，或直径越小，或杨氏模量越大，振膜的频率响应越高。基于本技术，根据不同的实际需求，可以对这些参数进行灵活调控，实现例如对超声探头的超声接收
响应频率的调控，以满足不同应用场景下的工作频率需求。
40.此外，对于本发明中的收发一体式全光超声探头，其中的平凹振膜和光声转换层还可以为相同材质，例如可通过将用于吸收脉冲激光能量的金属颗粒或碳基微纳颗粒与聚合物均匀混合，再通过毛细效应吸入毛细管，固化后得到的平凹结构既可以作为fp腔的振膜，又可以作为光声转换层，吸收激励光的能量，并通过光声效应辐射出超声波。
附图说明
41.图1为本发明实施例1提供的收发一体式全光超声探头的结构示意图。
42.图2为本发明实施例1所得收发一体式全光超声探头其探测光信号随着探头表面与玻璃片表面距离的变化的实验结果图(即，探头与反射面之间的距离变化时，光功率计探测得到的探测光光强变化图)。
43.图3为本发明实施例2提供的收发一体式全光超声探头的结构示意图。
44.图4为对比例1提供的收发一体式全光超声探头的结构示意图。
45.图5为对比例1得到的收发一体式全光超声探头的反射光谱图。
46.图6为本发明实施例1得到的收发一体式全光超声探头的反射光谱图。
47.图7为本发明收发一体式全光超声探头的结构示意图。
48.图中各附图标记的含义如下：1为光纤，2为毛细管，3为fp腔，4为平凹振膜，5为光声转换层(对应平平结构)，6为外层毛细管，7为平凸结构的光声转换层的凸出部分(即，pdms凸出部分)。
具体实施方式
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
50.总的来说，本发明中的收发一体式光纤全光超声探头，如图7所示，包括自左向右、紧密连接的用于传输激励光和探测光的光纤1，光纤1插入毛细管2，二者紧密配合；在毛细管2的右端是聚合物经毛细效应吸入毛细管后固化而形成的平凹振膜4；光纤1、毛细管2和平凹振膜4配合形成密闭的fp腔3；在平凹振膜和毛细管的右端面是紧密相连的光声转换层5。
51.该探头结构可产生超声波和探测超声波，其工作过程如下：发射超声波时，脉冲激励光从光纤端面出射后经过fp腔3和平凹振膜4，传输到达光声转换层5(平凹振膜4对激励光来说是透明的，激励光能够经过该平凹振膜后到达光声转换层)，光声转换层5吸收脉冲激光的能量并通过光声效应辐射出超声波。探测超声波时，反射回来的超声信号会对光声转换层5施加一个压力，继而传导至平凹振膜4并引起其发生形变。考虑到光纤1的出射端面和平凹振膜4的凹面构成了fp腔的两个反射端面，由于压力作用引起平凹振膜4形变，进而会使得fp腔的腔长发生变化，导致探测光光强也相应发生改变，从而实现超声波的探测。
52.当然，平凹振膜4和光声转换层5两者也可以合并，直接形成一体的平凹光声转换层。
53.以使用csnps和pdms构成的复合光声转换层为例，以下为具体实施例：
54.实施例1
55.如图1所示，本实施例中收发一体式全光超声探头，包括：光纤1、毛细管(本实施例中是由内层毛细管2和外层毛细管6嵌套而成)、空气fp腔3、平凹振膜4和光声转换层5。其中光纤1为双包层光纤，内包层传输波长为532nm的脉冲激励光，纤芯传输波长为1550nm的探测光，双包层光纤的外径为0.245mm。内层毛细管内径0.25mm，外径0.6mm，长10mm，外层毛细管内径0.6mm，外径1mm，长6mm；光纤1嵌套在内层毛细管2中，内层毛细管2嵌套在外层毛细管6中，外层毛细管6的另一端用于制备平凹振膜4和光声转换层5。其具体制备过程如下：
56.(1)将载玻片放置有蜡烛焰心上方2cm处，蒸镀烛灰颗粒(csnps)，蒸镀时间为15s；
57.(2)将外层毛细管垂直地夹持在位移平台上，并在步骤(1)所制备的csnps层上滴一滴uv胶；使液滴中心在毛细管的正下方，调整位移平台使外层毛细管下降至接触附着csnps的载玻片，此时uv胶会由于毛细效应进入外层毛细管，液面为凹面，液面上升的高度可以由滴在csnps层上的uv胶的量来控制。待液面稳定后，在外层毛细管上方垂直照射紫外光，使毛细管中的uv胶固化，形成一个平凹结构，经测量得到该平凹结构的最小厚度为0.455mm；
58.(3)将固化后的毛细管从附着有csnps层的载玻片上剥离下来，可以看到csnps也稳定附着到了uv胶和毛细管的端面，形成了一个与毛细管外径(1mm)相同的圆形csnps层区域；
59.(4)将该烛灰层区域浸入除泡后的液态pdms预聚体中，蘸涂一层pdms后，垂直立在洁净的玻璃片上，蘸涂有pdms的一端与玻璃片直接接触，放入烘箱75℃固化4h；脱模即可得到在毛细管端面紧密贴合的csnps和pdms构成的复合光声转换层；
60.(5)将内层毛细管插入外层毛细管，使内层毛细管插入端面距离uv胶振膜约为2mm左右，随后在内层毛细管与外层毛细管外部交接处点胶固化；
61.(6)将双包层光纤从内层毛细管的开放端插入，通过控制光纤插入的深度来调节fp腔的初始腔长，调节好fp腔初始腔长和反射光谱后(即，调节到最优位置，此时fp腔反射光谱对比度最高)，在光纤与内层毛细管外部交接位置点胶固化，形成稳定的探头结构，由此就完成了所述收发一体式全光超声探头的制备。
62.按照上述实施例中的参数，对该收发一体式全光超声探头性能进行了表征，激励光通过耦合器后进入双保层光纤的内包层中传输，经过fp腔和平凹振膜后到达光声转换层。光声转换层吸收脉冲激光的能量并通过光声效应产生超声波，在超声波的传输路径上放置一块与其传输方向垂直的玻璃片，探头发出的超声波到达该玻璃片处会发生全反射，经反射的超声波会沿着与发射超声波相反的方向传播，至探头表面。反射回来的超声信号对探头表面有一个垂直的压力作用，该压力作用经光声转换层5后作用于平凹振膜4，使平凹振膜4发生位移，fp腔3的腔长发生变化，腔长的变化导致探测光强度的变化。图2给出了探测光信号随着探头表面与玻璃片表面距离的变化，可以看到，当探头与玻璃片表面的距离变大时，探测到的光信号在时间轴上变远，且幅值变小。实验结果验证了该收发一体式全光超声探头的可行性。
63.实施例2
64.如图3所示，本实施例中收发一体式全光超声探头，包括：光纤1、毛细管2、空气fp
腔3、平凹振膜4、光声转换层5和pdms凸出部分7(光声转换层5和pdms凸出部分7两者一起构成平凸结构的光声转换层)。其中光纤1为双包层光纤，内包层传输波长为532nm的脉冲激励光，纤芯传输波长为1550nm的探测光，双包层光纤的外径为0.245mm。毛细管内径0.25mm，外径0.7mm，长10mm，光纤1嵌套在毛细管2中，毛细管2的另一端用于制备平凹振膜4和光声转换层5，在光声转换层外有pdms平凸结构，用于作为光声转换的热膨胀层和聚焦声透镜。其具体制备过程如下：
65.(1)将载玻片放置有蜡烛焰心上方2cm处，蒸镀烛灰颗粒(csnps)，蒸镀时间为20s；
66.(2)将外层毛细管垂直地夹持在位移平台上，并在步骤(1)所制备的csnps层上滴一滴uv胶；使液滴中心在毛细管的正下方，调整位移平台使外层毛细管下降至接触附着csnps的载玻片，此时uv胶会由于毛细效应进入毛细管，液面为凹面，液面上升的高度可以由滴在csnps层上的uv胶的量来控制。待液面稳定后，在外层毛细管上方垂直照射紫外光，使毛细管中的uv胶固化，形成一个平凹结构，经测量得到该平凹结构的最小厚度为0.6mm；
67.(3)将固化后的毛细管从附着有csnps层的载玻片上剥离下来，可以看到csnps也稳定附着到了uv胶和毛细管的端面，形成了一个与毛细管外径(0.7mm)相同的圆形csnps层区域；
68.(4)将该烛灰层区域浸入除泡后的液态pdms预聚体中，蘸涂一层pdms后，垂直立在洁净的玻璃片上，蘸涂有pdms的一端与玻璃片直接接触，放入烘箱75℃固化4h；
69.(5)将毛细管从玻璃上剥离，得到发射端面为平面的探头，再将其浸入除泡后的液态pdms预聚体中，蘸涂少量pdms后，放置于烘箱中75℃固化1h，pdms端悬空朝下，在pdms重力的作用下，在探头端面形成一个平凸的pdms结构；
70.(6)将双包层光纤从毛细管的开放端插入，通过控制光纤插入的深度来调节fp腔的初始腔长，调节好fp腔初始腔长和反射光谱值后(即，调节到最优位置，此时fp腔反射光谱对比度最高)，在光纤与毛细管外部交接位置点胶固化，形成稳定的探头结构，由此就完成了所述收发一体式全光超声探头的制备。
71.按照上述实施例中的参数，对该收发一体式全光超声探头性能进行了表征，激励光通过耦合器后进入双保层光纤的内包层中传输，经过fp腔和平凹振膜后到达光声转换层。光声转换层吸收脉冲激光的能量并通过光声效应产生超声波，在超声波的传输路径上放置一块与其传输方向垂直的玻璃片，探头发出的超声波到达该玻璃片处会发生全反射，经反射的超声波会沿着与发射超声波相反的方向传播，至探头表面。反射回来的超声信号对探头表面有一个垂直的压力作用，该压力作用经光声转换层5后作用于平凹振膜4，使平凹振膜4发生位移，fp腔3的腔长发生变化，腔长的变化导致探测光强度的变化。从实验结果可以看到，当探头与玻璃板表面的距离变大时，探测到的光信号在时间轴上变远，且幅值变小。实验结果验证了该收发一体式全光超声探头的可行性。
72.对比例1
73.为分析平凹振膜的作用，发明人设计了本对比例。
74.如图4所示，本对比例中的一收发一体式全光超声探头，包括光纤1、毛细管2、空气fp腔3和与毛细管端面紧密相连的光声转换层5，不含平凹振膜。其中光纤1为双包层光纤，内包层传输波长为532nm的脉冲激励光，纤芯传输波长为1550nm的探测光，双包层光纤的外径为0.245mm。毛细管内径0.25mm，外径2mm，长10mm，光纤1嵌套在毛细管2中，毛细管2的另
一端用于粘接光声转换层5。其具体制备过程如下：
75.(1)在洁净的载玻片上旋涂一层pdms预聚体，随后将该载玻片置于烛焰焰心正上方2.5cm处，旋涂有pdms的一面朝烛焰方向，蒸镀烛灰颗粒csnps，15s，随后放入烘箱75℃固化4h；
76.(2)用刀片将固化的csnps/pdms复合光声薄膜剥离一块，面积为2.2mm
×
2.2mm(为平平结构)，用uv胶将其粘接在毛细管的端面，同时用作光声转换薄膜发射超声和fp腔振膜接收超声；
77.(3)将双包层光纤从毛细管的开放端插入，双包层光纤的端面与光声转换薄膜构成fp腔的两个反射面，通过控制光纤插入的深度来调节fp的腔长的反射光谱。调节到最优位置后(fp腔反射光谱对比度最高时)，在双包层光纤与毛细管的外部交接位置处点胶固化，形成稳定的探头结构。
78.这种方法制备的收发一体全光超声探头，其fp腔的两个反射端面均为平面，其反射光谱如图5所示，对比度约为6db。相比之下，实施例1中的反射光谱对比度则是超过了20db(如图6所示)，从中可见，平凹振膜的存在能够提高超声探头的灵敏度。
79.综上，不难看出，基于本发明的收发一体式全光超声探头，相比于前期成果(中国专利cn111112035b)，不仅从制备方法上大大优化，使探头更加易于小型化，而且基于毛细效应形成的特有的平凹振膜结构，能够大大加高探头上fp腔反射光谱的对比度，从而大大提高超声接收的灵敏度。
80.上述实施例仅为示例，例如，除了平平结构、平凸结构的光声转换层外，还可以根据实际需求采用平凹、楔形(具有倾斜端面)等其它形状结构的光声转换层(这是因为声波是沿着端面的法线方向辐射的，不同的端面形状设计，如凸面、凹面、与前一端面相平行的平面、与前一端面呈一定倾角的平面等，能够对应不同的声波辐射方向)。
81.另外，由于毛细管的内径一般不超过2毫米，因此，基于本发明，探头整体的截面直径可低至几毫米(以实施例1为例，其最大的截面直径即对应外层毛细管的外径，即1mm)，完全满足小型化要求。
82.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种收发一体式光纤全光超声探头，其特征在于，包括光纤(1)、毛细管(2)、平凹振膜(4)以及与平凹振膜(4)的平面端紧密相连的光声转换层(5)，其中，所述光纤(1)用于同时传输激励光和探测光，所述激励光能够透过所述平凹振膜(4)；该平凹振膜(4)的一端为凹面，一端为平面；所述光纤(1)插入并固定至所述毛细管(2)中，并与位于所述毛细管(2)末端的所述平凹振膜(4)相配合，由此形成封闭的fp腔(3)；相应的，所述fp腔(3)的两个端面分别为所述光纤(1)的出射端面和平凹振膜(4)的凹面；所述平凹振膜(4)能够提高fp腔的反射光谱对比度；所述光声转换层(5)能够吸收所述激励光的激光束能量将其转换成超声波并向外发射，实现收发一体式光纤全光超声探头发射超声波的功能，同时，该光声转换层(5)能够接收超声波回波，并根据超声波回波的强弱产生形变，从而带动所述平凹振膜(4)发生形变、使所述fp腔(3)的腔长发生变化，从而进一步影响回传的探测光信号，通过对回传的探测光信号加以检测，即可实现收发一体式光纤全光超声探头接收声波的功能。2.如权利要求1所述收发一体式光纤全光超声探头，其特征在于，所述平凹振膜(4)是基于毛细效应将液态聚合物吸入所述毛细管(2)后固化得到的；所述液态聚合物能够浸润毛细管；优选的，所述聚合物为聚二甲基硅烷(pdms)或uv胶，优选为uv胶。3.如权利要求1所述收发一体式光纤全光超声探头，其特征在于，所述毛细管(2)与所述光纤(1)相连接处的内径大于或等于所述光纤(1)的外径，两者的直径之差不大于1mm；所述光纤(1)为单根双包层光纤，其中纤芯用于传输探测光，内包层用于传输激励光；或者，所述光纤(1)是由多根光纤构成的光纤束，该光纤束中一根光纤用于传输探测光，其余的光纤用于传输激励光；优选的，所述光纤(1)为单根双包层光纤。4.如权利要求1所述收发一体式光纤全光超声探头，其特征在于，所述毛细管(2)为单根毛细管，或者是由多根尺寸匹配的毛细管互相嵌套得到的组合毛细管；所述毛细管(2)的材质为玻璃、聚合物或金属，优选为石英。5.如权利要求1所述收发一体式光纤全光超声探头，其特征在于，所述毛细管(2)的末端是与其长度方向垂直的平面；所述毛细管(2)的末端是与其长度方向垂直的平面，或者是与其长度方向呈非90度夹角的倾斜平面。6.如权利要求1所述收发一体式光纤全光超声探头，其特征在于，所述光声转换层(5)是由金属基薄膜或者吸光微纳结构材料和柔性聚合物组成的复合材料薄膜，其中，所述吸光微纳结构材料为碳基微纳结构材料、金属基微纳结构材料或具有微纳结构的二硫化物材料；所述碳基微纳结构材料优选选自薄膜碳纳米管、碳黑颗粒、烛灰颗粒(csnps)、石墨烯或碳纤维；所述金属基微纳结构材料优选选自金属纳米粒子、金属纳米薄膜或金属纳米阵列；所述具有微纳结构的二硫化物材料优选选自颗粒状或薄片状二硫化钼或二硫化钨；优选的，所述光声转换层(5)是由烛灰颗粒(csnps)和聚二甲基硅烷(pdms)组成的复合光声转换层。7.如权利要求1所述收发一体式光纤全光超声探头，其特征在于，对于所述光声转换层(5)，所述光声转换层(5)与所述平凹振膜(4)紧密贴合的端面为平面，另一端面为凸面、凹
面、相平行的平面或相倾斜的平面，由此得到平凸、平凹、平平或楔形结构；优选的，所述光声转换层(5)为平凸结构，能够作为平凸声透镜，对探头发射的超声波起到汇聚作用。8.如权利要求1-7任意一项所述收发一体式光纤全光超声探头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将基片放置在蜡烛焰心上方，蒸镀烛灰颗粒(csnps)；(2)将内径与光纤外径匹配的毛细管垂直地夹持在位移平台上，并在步骤(1)得到的csnps层上滴涂上聚合物液滴，并使液滴中心在毛细管的正下方，调整位移平台使毛细管下降至接触附着csnps的基片；此时，聚合物液滴将在毛细效应作用下进入毛细管，并形成凹面液面；待液面稳定后，进行固化，即可得到平凹结构；(3)待固化完成后，将毛细管从附着有csnps层的基片上剥离下来，即可得到与毛细管固定连接的平凹振膜和平凹振膜的平面端连接的csnps层；(4)将位于毛细管内的平凹振膜浸入除泡后的液态pdms预聚体中，蘸涂一层pdms预聚体后，垂直立在洁净的另一基片上，使蘸涂有pdms预聚体的一端与该基片直接接触，然后固化，脱模后即可得到在毛细管端面紧密贴合的复合光声转换层；相应的，所述复合光声转换层为平面结构，它与所述平凹振膜紧密贴合的端面为平面，另一端面为与之相平行的平面；或者是，将位于毛细管内的平凹振膜浸入除泡后的液态pdms预聚体中，蘸涂一层pdms预聚体后，垂直悬空固化，即可得到在毛细管端面紧密贴合的复合光声转换层；相应的，所述复合光声转换层为平凸结构，它与所述平凹振膜紧密贴合的端面为平面，另一端面为凸面；或者是，将位于毛细管内的平凹振膜浸入除泡后的液态pdms预聚体中，蘸涂一层pdms预聚体后，以非90
°
的倾角立在洁净的另一基片上，使蘸涂有pdms预聚体的一端与该基片直接接触，然后固化，脱模后即可得到在毛细管端面紧密贴合的复合光声转换层；相应的，所述复合光声转换层为平面结构，它与所述平凹振膜紧密贴合的端面为平面，另一端面为具有相应倾角的平面；或者是，将位于毛细管内的平凹振膜浸入除泡后的液态pdms预聚体中，蘸涂一层pdms预聚体后，立在一洁净的球面基座上，使蘸涂有pdms预聚体的一端与该球面基座直接接触，然后固化，脱模后即可得到在毛细管端面紧密贴合的复合光声转换层；相应的，所述复合光声转换层为平面结构，它与所述平凹振膜紧密贴合的端面为平面，另一端面为与基座曲率半径相同的凹面；(5)将光纤从毛细管的开放端插入，通过控制光纤插入的深度来调节fp腔的初始腔长，调节好fp腔初始腔长后，将光纤与毛细管固定相连，使两者的相对位置保持固定，即可得到收发一体式光纤全光超声探头。9.如权利要求8所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述载玻片具体是放置在蜡烛焰心上方1.5cm～3cm处，蒸镀时间为5-40s；所述步骤(4)中，所述固化具体是在75℃～85℃固化2h～4h；所述步骤(2)中，所述聚合物液滴具体为uv胶液滴。10.一种收发一体式光纤全光超声探头，其特征在于，包括光纤(1)、毛细管(2)、以及一体设置的平凹光声转换层，其中，所述光纤(1)用于同时传输激励光和探测光；所述平凹光
声转换层的一端为凹面，一端为平面；所述光纤(1)插入并固定至所述毛细管(2)中，并与位于所述毛细管(2)末端的平凹光声转换层相配合，由此形成封闭的fp腔(3)；相应的，所述fp腔(3)的两个端面分别为所述光纤(1)的出射端面和平凹光声转换层的凹面；通过所述平凹光声转换层的平凹端面设置，能够提高fp腔的反射光谱对比度；所述平凹光声转换层能够吸收所述激励光的激光束能量将其转换成超声波并向外发射，实现收发一体式光纤全光超声探头发射超声波的功能，同时，该平凹光声转换层能够接收超声波回波，并根据超声波回波的强弱产生形变，从而使所述fp腔(3)的腔长发生变化，从而进一步影响回传的探测光信号，通过对回传的探测光信号加以检测，即可实现收发一体式光纤全光超声探头接收声波的功能；优选的，在所述平凹光声转换层的平面端面上，还额外设置有平凸、平凹或楔形结构的附加光声转换层。

技术总结

本发明属于超声换能器技术领域，公开了一种收发一体式光纤全光超声探头及其制备方法，该探头包括光纤(1)、毛细管(2)、平凹振膜(4)以及光声转换层(5)，平凹振膜的一端为凹面、一端为平面，与光纤、毛细管配合形成封闭的FP腔(3)；光声转换层能够吸收激励光的激光束能量将其转换成超声波并向外发射，实现发射超声波，同时，该光声转换层能够接收超声波回波，并根据超声波回波的强弱使平凹振膜产生形变，导致FP腔的腔长发生变化，从而实现接收并检测声波的功能。本发明利用毛细管，并在毛细管末端形成平凹振膜，一方面既利于探头的小型化，另一方面又能显著提高FP腔的反射对比度，提升探测性能。测性能。测性能。