用于亚毫米超声波分辨率的宽带光纤水听器传感器外文翻译资料

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用于亚毫米超声波分辨率的宽带光纤水听器传感器

Gopinath，P.Arora^*，G。Gandhi^*，L。Bansal ，AS Daryoush，PA Lewin^* ，M。EL- Sherif

生物医学工程、科学和卫生系统学院

美国宾夕法尼亚州费城德雷塞尔大学，19104年

光子学实验室有限公司

美国费城，19104年

摘要 - 宽带光纤水听器探头是一种极具吸引力的解决方案，用于表征高达100MHz频率范围的亚毫米分辨率的超声场，无需进行复杂的空间平均校正。在这项工作中，已经报道了基于单模直切纤维和灵敏尺寸小于10mu;m的下锥形涂层光纤的光学水听器传感器。薄金涂层光纤传感器表现出比直线切割无涂层和下锥形无涂层更高的灵敏度和带宽性能。统计分析清楚地表明，厚度为30 nm的镀金光纤的灵敏度比无涂层直线切割光纤提高了26 dB，将光纤水听器传感器的整体灵敏度提高到了-245 dB（1V） /Pa（前所未有的0.56 V / MPa）。这些具有10MHz声学音频突发的传感器的宽带测试进一步表明镀金光纤传感器的带宽高达60 MHz。放大的光源强度噪声将电流强度检测系统限制在60MHz。

关键词：光纤水听器，光纤传感器，涂层向下锥形光纤，声光传感器。

1. 介绍

过去十年见证了医学超声临床应用的巨大增长。超声波用于增强诊断成像和治疗应用（例如非侵入性手术）的使用一直在稳步上升。使用这种技术的成功治疗需要在压力 - 时间波形方面对声场进行实时表征和测量。根据美国食品和药物管理局（FDA）的指导原则，这种表征要求将水听器探头校准到基本声学信号的八倍。因此，显然需要宽带，高灵敏度的声压传感器，其能够承受高强度压力并且具有小的传感区域。小的感测区域消除了对空间平均校正的需要使用频率高达100MHz的谐波传感器提供亚毫米成像分辨率。

在文献中已经提出了许多基于光纤的声压传感器，并且在表一中给出了总结。根据传感机制，这些可以大致分类为相位调制，波长调制和强度调制的压力传感器。已经报道了采用心轴光纤作为传感器和外部Mach-Zehnder干涉仪作为探测器的相位调制方案[1]。据报道，具有强度检测的外部迈克尔逊干涉测量传感用于30 Hz-5.5 KHz频率范围内的传感应用[2]。已经在50MHz的宽带宽上开发了诸如法布里 - 珀罗谐振结构的内部干涉相位传感器[3,4]。在压力传感应用[5]中也提出了在宽带宽上充当微干涉仪的多层谐振结构，其中这种传感器具有高声压灵敏度;然而，干涉仪传递函数上的工作点的稳定性是至关重要的，并且与工作点的任何偏差都会严重影响灵敏度性能。干涉相位调制方案经受相位波动，这导致传感器信号的高强度噪声。最后，相变的周期性使得差分相位的精确测量成为一项艰巨的任务。还提出了采用外部布拉格单元，光纤布拉格光栅和分布式布拉格反射器的波长调制相位传感器[6-8]，其中传感机制基于声学引起的光信号波长偏移的频率检测。该布拉格波长偏移导致光源的频率调制，并由FM检测器检测。这种波长调制传感器通常沿光纤长度分布，并具有几毫米量级的传感尺寸;因此，由于超声场的空间平均，这些传感器具有严重的带宽限制。

表一：不同类型的声学传感器概述

在强度调制声学传感器中，信息以检测到的光学信号的强度编码[9-11]。已经提出了反射以及透射型传感方案。强度调制压力传感器不受快速相位波动和温度变化影响。有源传感尺寸约为几微米。然而，这些传感器具有较差的灵敏度，需要对其进行提升以使其实际可行。在这项工作中，我们提出了基于强度检测方案的宽带金属涂层下锥形光纤光学水听器传感器的灵敏度性能和频率响应的实验结果。

2、光学水听器传感方法

我们的方法基于强度调制技术。强度调制光学水听器的原理基于测量光纤尖端处的菲涅耳反射率的变化，这是由于调制其周围的水的折射率。水的折射率取决于声压[11]，任何入射声压都可以调节水的折射指数，反过来又改变了菲涅耳背反射光强度。使用简化传输线模型和初始有限元方法的数值分析表明，镀金下锥形纤维的灵敏度比未涂层直切割纤维提高了15 dB [12]。在本文中，我们提出了三种样品的灵敏度性能的实验结果，每种样品均为无涂层直切割纤维，无涂层下锥形纤维和镀金直切割纤维传感器。还提出了直切割纤维的频域性能以及涂有金涂层的锥形纤维。

3、传感器支架的实现

在相同实验条件下对制造的纤维样品进行同时性能评估，作为样品统计评估和与标准声学水听器比较的基础。设计了定制支架;图1中描述了光纤传感器和针式水听器相对于换能器焦点区域的详细视图。对应于3 mm的束腰直径的阴影部分表示估计的3 dB峰值声压从换能器的焦点。所有4个传感器放置在距离换能器焦点2.25mm（公差plusmn;0.01mm）的圆半径上，这相当于相对于焦点值（最大值）低约10dB的声压值。这种布置对于同时测量所有光纤传感器样本并在相同的环境和声学条件下比较光纤水听器的灵敏度性能与针式水听器的灵敏度性能至关重要。按照[12]中提到的方法制造纤维样品，其中20秒的金涂层对应于约100nm-150nm的膜厚度，而对于5秒的金涂层;薄膜厚度约为30nm。金涂覆的纤维样品＃1和＃2是5秒涂覆样品，而样品＃3是20秒涂覆样品。将所有纤维样品牢固地固定在125微米单模氧化锆套圈中，并放置在如图1所示的位置。

4、实验评价与比较

光学水听器实验装置：光纤水听器系统使用市售的单模光纤构建，终端在FC / APC连接器中，光波长为1550nm。FC / APC连接器的回波损耗超过50 dB，并用于最大限度地减少光纤链路中的背反射。如图2中的系统框图所示，该系统由光源，光学传感器，声源和光学接收器组件组成。光源是1550 nm分布反馈（DFB）激光器（EUDYNA FLD5F7CZ），输出功率为1mW，激光器偏置电流为30mA。该源耦合到10 dB光耦合器,10％耦合臂的输出作为EDFA（NuPhotonics NP2000CORSV303500FCA1）的输入，光增益为40 dB，输出功率高达1 W. EDFA的输出为通过2x2 3 dB耦合器耦合到制造的传感器，如第III部分所述，传感器放置在支架中。耦合器的另一臂浸入水中作为参考。请注意，耦合器的这个臂也可用于监控应用。来自光纤传感器尖端的后向反射光能被收集在宽带放大的InGaAs探测器（ThorLabs PDA 10CF）中，在1550nm处具有0.95A / W的响应度。光电探测器的增益带宽为150 MHz，具有5kOmega;的跨阻抗增益。

1.5MHz和5 MHz CW声学信号的结果：声学传感器是单元件传感器（Sonic Concepts H110AS / N 01），具有1.6 MHz和5.0 MHz频率的双频段操作，射频阻抗匹配网络，在双频段为50欧姆1.41-1.98 MHz和5.0-5.7 MHz。传感器的有效直径为20 mm，焦距为34.52 mm。RF功率放大器提供100 W的最大脉冲功率水平，占空比为25％。由于高达1MPa的声压和20dBm的入射光功率，在表II中总结了用于1.5MHz和5MHz频率的不同光纤传感器的测量的反射光信号。直切割，镀金和下锥形无涂层光纤的统计平均灵敏度值分别为-50dBm，-21dBm和-73dBm，镀金传感器的误差条为plusmn;2dB，直线切割和下锥形传感器的误差条为plusmn;20dB。这清楚地表明，与直切割光纤相比，镀金光纤的灵敏度提高了29 dB。所得光纤探针水听器（FOPH）的计算灵敏度为-245 dB，为1V /Pa。通过将入射光功率增加到1W，灵敏度可以进一步提高到-233 dB，达到1 V /Pa。据我们所知，这是迄今为止报告的最高灵敏度值。

10MHz突发声信号的结果：使用Panametrics脉冲发生器/接收器5900 PR（未在图2中示出）激发具有40mm焦距的球形焦点的10MHz Panametrics换能器。该控制器的RF输出用作示波器中以500 Hz脉冲重复频率同步显示的触发器。脉冲发生器/接收器控制器模块设置为直通传输模式，能量设置为8uJ，衰减和增益分别为34 dB和40 dB。针式水听器（或光学水听器）的输出通过一米长的同轴电缆耦合到5900PR的接收器端口。图3显示了入射在宽带水听器上的测量压力场的光谱含量。如图所见，压力信号的谐波含量是宽带的，其中突出的频率分量用红色圆圈标记为标记（例如，20MHz，60MHz和95MHz）。

表二。1.5兆赫和5兆赫下光纤灵敏度性能的实验结果。

图4将金涂层下锥形光纤的频域性能与针式水听器的频域性能作为频率的函数进行比较。我们定义了10dB灵敏度带宽作为灵敏度保持在其最大值的10％范围内的频率范围。针式水听器的灵敏度带宽约为30 MHz，而镀金FOPH的灵敏度带宽为60 MHz。请注意，与涂层FO

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