光纤光栅对聚焦超声场检测的研究*

田春华，薛俭雷，万永刚，张立平，梁明辉，张淑丽

(齐齐哈尔医学院)

0 引言

近年来，超声波作为医疗和诊断手段应用的越来越广泛，在医学领域应用最广泛的是聚焦超声场，其频率一般在2.5-7MHz，曾经人们认为超声诊断仪的超声剂量对人体和胎儿无损伤.但七十年代初，Macin-tosh和Davey实验证实超声剂量超过8.3mW/cm2时会增大血液中染色体畸型发生率，造成胎儿先天生理障碍和畸型.美国分组实验表明，孕妇从怀孕到分娩作定期B超检查比怀孕三个月以后作定期B超检查和不检查胎儿异常比例高，后两者基本相同［1］.因此，对超声场和声功率的定量测定非常重要.超声功率，强度和剂量都有安全区范围，现代检测这些参数用辐射压力法，但不能测量聚焦声场，因聚乙烯薄膜具有一定的孔径，会产生空间均分效应.Mach-Zehnder干涉仪系统昂贵，复杂，实施困难.而光纤传感器能克服这个缺点，且不受电磁干扰，装置简单，耐高温，应变解析率高.当聚焦超声场作用于FBG时，因几何长度变化及弹光效应使其折射率产生变化，光纤光栅反射中心波长产生漂移，解调出这一波长漂移量即可得到相应的超声场参数［2］.

1 圆形单晶片聚焦超声场的声压分布

沿圆形晶片中心轴上的声压分布:

p0为圆形晶片表面的声压幅值，pm为声压幅值分布，D为晶片直径，λ为超声波长，x为声程，ω为角频率.

(1)近场区长度:

声压极小值pm=0:

声压极大值:

声压p与距离x成反比例减弱.超声场轴向声压分布如图1所示.

图1 圆形聚焦超声场轴向声压

(2)超声场声压的角分布

圆形活塞辐射器的声压除了轴线上的分布不均匀以外，在中心轴以外的声压也是不均匀的特点是中心部分出现一主瓣，在主瓣旁边出现许多旁瓣这种现象叫做换能器的指向性，即声束的集中程度.说明声压不但随距离变化，同时也随方向角变化，如图2所示为单晶片的超声场的分布图.

图2 聚焦超声场的角分布

2 布拉格光纤光栅对超声波的作用原理分析

入射到光纤光栅内的光一部分被透射一部分被反射，反射中心波长遵循光栅方程:

λB为反射中心波长，neff光栅有效折射率，Λ光栅周期.

利用分段均匀传输矩阵法来分析切址光栅的反射谱.将切址光栅分成M段均匀小光栅，反射系数ρ为:

SM为反射振幅;RM为方向的入射振幅.F为整个光栅的传输特性矩阵:

且

光栅的传输特性矩阵:

neff为有效折射率，Λ为光栅周期.λB为光纤光栅中心波长;¯δneff为折射率调制深度，Δz为光栅段的长度;v=1;L为光栅长度.单模光纤光栅的折射率分布［3］:

n0是纤芯的本证折射率，Δn是折射率最大调制系数，z是沿光纤纤芯的径向坐标，L是光栅长度.图3为光纤光栅无任何物理作用时的反射谱线.光纤光栅中心波长随温度增加向长波方向漂移，因此在测量时一定要注意温度［4］，测量参数:温度为30℃，中心波长为1554.8 nm，Λ =530.28 nm，neff=1.4658，Δn=1 × 10-7，L=0.01 m，=1.15×10-4.

图3 光纤光栅无任何物理作用的反射谱

超声波对光纤光栅作用效果取决于超声波对光纤光栅引起的机械形变.超声波对光纤光栅的作用会引起几何效应和弹光效应［5］.几何效应是指引起光纤光栅长度或者光栅周期的变化，弹光效应是指引起光栅有效折射率的变化［5］.各参量变化存在以下关系［6］:

E=7.2×1010N/m2为光纤光栅的杨氏模量，v=0.17为光纤光栅的泊松比，ΔP是压应变.

上式表明光谱的漂移正比于超声波对光纤光栅的压应变ΔP，Xu等人已经报道，当静态压力大约在70 MPa，光纤光栅的反射率达到80%，带宽为0.7 nm，中心波长为1533 nm时，为0.003 nm/MPa［7］.这种情况适用于超声波频率不太高的情况.实验原理简图如图4.由于人体的软组织与水的声学特性基本一样，因此，用水作介质.

图4 实验原理简图

图5 不同频率超声波作用下光纤光栅的反射谱

超声波频率在0.5～10 MHz之间谱线漂移量很小，压应变为 -600με—600 με，如图 5所示.可见超声波对光纤光栅作用后会引起中心波长漂移.

3 结论

通过分析聚焦超声场的声压特性以及超声波对光纤光栅作用原理的分析.给出超声波对光纤光栅作用会引起几何效应和弹光效应，即光栅长度、折射率、以及周期产生变化，导致谱线产生了漂移，并给出了变化关系式;实验测得反射谱，不同频率超声波作用下谱线漂移曲线.证实了，超声波对光纤光栅作用会使中心波长产生漂移.

［1］ 刘必跃，鲁凯.从超声波对人体的影响看对医用超声设备实施强检的必要性［J］.计量与测试技术，2001(5):45-48.

［2］ 汪钱纯，叶险峰，等.用布拉格光纤光栅对聚焦超声场的检测.传感技术学报［J］，2005，18(1):171-176.

［3］ 曾山，叶险峰.超声波作用下的光纤布拉格光栅频谱分析.江南大学学报(自然科学版)［J］，2007，6(3):293-295.

［4］ 田春华，励强华，郭炳霞，等.弱双折射光纤布拉格光栅反射偏振对温度响应特性的研究［J］.光子学报，2012，41(2):139-143.

［5］ 张海燕，孙修立，石志东，等.光纤布拉格传感器兰姆波检测的反射谱分析［J］.2009，28(5):605-609.

［6］ Pavel Fomitchov，Sridhar Krishnaswamy，Member Spie.Response of a fiber Bragg grating ultrasonic sensor［J］.Opt.Eng，2003，42(4):956-963.

［7］ Xu M G，Reekie L，Chow Y T，et al.Optical in-fiber grating high-pressure sensor［J］.Electron Lett，1993，29(4):398-399.