CN116299837B - 一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，包括以下步骤：1)选取长度适中的多模光纤并进行端面处理；2)采用微纳光学技术在光纤端面附近纤芯刻蚀45°倾斜光栅，使光纤传输的脉冲激光偏转90°；3)采用溅射和浸涂法在光纤端面制造F‑P谐振腔以检测光致超声回波信号；4)将石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料涂敷在多模光纤倾斜光栅脉冲激光出射处作为光致超声换能器，产生用于内窥成像的光致超声信号；5)将激发超声的脉冲激光和检测超声的连续激光耦合至该多模光纤中，配合三维旋转移动平台和信号处理与控制系统实现内窥成像功能；工艺简单，操作方便，性能良好。

Description

一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法

技术领域

本发明属于超声技术领域，具体涉及一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法。

背景技术

超声因其穿透性强、安全性高、实时性好、价格低廉、使用便捷等优点，在临床疾病的诊断与治疗中一直发挥着重要作用。超声内窥成像能够提供详细的组织可视化信息，可以为临床诊断和手术提供一定的指导和帮助。传统的超声内窥镜使用的是压电换能器，依靠材料的压电与逆压电特性，实现“电”与“声”之间的能量和信息的交互。然而，随着人们对光致超声效应的认识与研究逐渐深入，光致超声内窥镜有望成为传统超声内窥镜的有力补充。光致超声换能器属于光驱动器件，依靠脉冲激光照射光致超声材料产生超声信号，结合光纤技术可接收与解读超声回波信号。

与传统压电型器件相比，光致超声光纤内窥镜尺寸主要取决于光纤直径，可以达到200μm左右。而且全光型光致超声光纤内窥镜不会受到电磁干扰的影响，由于是光驱动器件，也不用考虑电连接问题，因此其在内窥式超声成像方面具有很大的优势。但现有的光致超声光纤内窥镜通常为前向模式，即通过光纤前端发射超声信号。这种模式的器件通常难以满足内窥成像时侧向成像需求，同时超声回波信号的检测需要使用另外的器件，增加了内窥镜尺寸和装配难度，不利于实际应用。

发明内容

本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，解决超声内窥镜带宽窄、成像分辨率低、尺寸大、系统复杂等问题。

一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，所述方法包括：

S1：利用微纳光学技术在端面平整的多模光纤一端靠近端面处的纤芯上刻蚀倾斜光栅；

S2：在多模光纤具有倾斜光栅的端面上溅射一层半透半反膜，然后浸涂一层透明聚合物，作为F-P干涉仪的腔体，再在聚合物表面溅射一层全反膜以制备成F-P干涉仪；

S3：将光吸收材料和热膨胀材料涂敷在倾斜光栅脉冲激光出射处的包层表面作为光致超声换能器，产生用于内窥成像的光致超声信号。

进一步，在步骤S1之前，所述方法还包括：

选取多模光纤，去除多模光纤两端附近的涂敷层，用酒精擦拭后，使用光纤切割机对多模光纤两端面进行切割处理，得到端面平整的多模光纤。

进一步，在步骤S3之后，所述方法还包括：

将激发超声的脉冲激光和检测超声的连续激光耦合至上述多模光纤远离倾斜光栅的另一端面中，配合三维旋转移动平台和信号处理与控制系统搭建侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜。

进一步，利用精密微位移平台和相干紫外激光器在端面平整的多模光纤一端靠近端面处的纤芯上刻蚀反射式45°倾斜光栅，以改变脉冲激光的传播方向，使脉冲激光从光纤侧面出射。

进一步，所述制备成F-P干涉仪用于高频、宽带光致超声的检测。

进一步，所述光吸收材料采用石墨烯阵列；所述热膨胀材料聚苯乙烯。

进一步，将石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料涂敷在包层表面倾斜光栅脉冲激光出射处后，对其进行固化；使光纤侧面出射的脉冲激光入射至复合材料涂层，产生高频、宽带、高效率的光致超声。

进一步，所述透明聚合物采用的材料包括：PDMS。

进一步，所述石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料的制成步骤，包括：

配置聚苯乙烯混合液，所述混合液包括聚苯乙烯和甲苯溶剂；

将聚苯乙烯混合液滴在生长好的石墨烯阵列表面，进行旋涂使其均匀铺满整个石墨烯阵列膜表面，随后在真空环境下固化，所述石墨烯阵列和固化的聚苯乙烯构成石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料。

为了解决技术问题，本发明的技术方案是：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜尺寸小，可以达到200μm左右。与传统压电型超声内窥镜相比，全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜具有频带宽、成像分辨率高、制备工艺简单、无电连接、抗电磁干扰等优势；

2)通过反射式45°倾斜光栅，实现侧向发射光致超声信号，满足内窥成像切面成像的需求；

3)将光致超声发射器和检测器集成在同一根多模光纤上，实现单根光纤光致超声自发自收的功能，减小了内窥镜尺寸和封装难度。

附图说明

图1是本发明提供的全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜的制备方法流程图；

图2是本发明在多模光纤中刻蚀反射式45°倾斜光栅的结构示意图；

图3是本发明在多模光纤端面制备F-P干涉仪的结构示意图；

图4是本发明在多模光纤侧面制备光致超声换能器的结构示意图；

图5是本发明制备的全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜的使用示意图；

图6是光致超声信号波形(左)和频谱(右)；

图7是血管仿体成像逐点扫描图(上)和截面图(下)。

具体实施方式

下面结合实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1：

相对于专利CN 112858180 A,本发明的优势在于：

一、本发明所采用的材料为石墨烯阵列和聚苯乙烯复合材料，进一步提升了光致超声信号的中心频率和带宽，在窄脉宽脉冲激光作用下，具有产生更高频率光致超声信号的能力，有助于提高超声成像的分辨率；

二、本发明所设计的结构制备工艺简单，同时可以保证光纤的完整性，使其具有更好的韧性、机械强度和抗干扰能力，有助于集成和封装，适用于更广泛的应用场景。

图1是本发明提供的全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜的制备方法流程图；如图1所示，包括如下步骤：

S101，选取长度适中的多模光纤并进行端面处理；

S102，采用相位掩模技术，利用精密微位移平台和相干紫外激光器在多模光纤一端附近纤芯刻蚀反射式45°倾斜光栅；使532nm的脉冲激光转向90°；

S103，在光纤同一端面溅射一层半透半反膜，然后浸涂一层透明聚合物，作为F-P干涉仪的腔体，再在聚合物表面溅射一层全反膜以制备F-P干涉仪，以检测超声回波信号；

S104，将生长好的石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料涂敷在反射式45°倾斜光栅脉冲激光出射处，得到全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜。

可选地，所述石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料由以下步骤制成：

配置聚苯乙烯混合液，所述混合液包括聚苯乙烯和甲苯溶剂；

将聚苯乙烯混合液滴在生长好的石墨烯阵列表面，进行旋涂使其均匀铺满整个石墨烯阵列膜表面，随后在真空环境下固化，所述石墨烯阵列和固化的聚苯乙烯构成石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料；

可选地，在制备F-P干涉仪过程中，作为F-P干涉仪腔体的透明聚合物可选择PDMS等材料。

本发明提供了一种全光型侧向光致超声光纤内窥镜的制备方法，采用采用微纳光学技术，将倾斜光栅、F-P谐振腔和石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料结合起来，在单根多模光纤上实现自发收的全光型侧向光致超声光纤内窥镜。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)选取长度适中的多模光纤，其中，所述多模光纤长为2m，芯径为200μm。

2)去除多模光纤两端涂敷层，并通过酒精、去离子水清洗，使用光纤切割机进行切割，然后再次通过酒精、去离子水清洗，使其表面清洁平整，以便更好的传输激光以及进行后续处理。

3)采用微纳光学技术在多模光纤距端面5mm处刻蚀反射式45°倾斜光栅，其结构如图2所示。

4)如图3所示，在光纤同一端面溅射一层半透半反膜，然后浸涂一层约5μm的PDMS作为F-P干涉仪的腔体，再在聚合物表面溅射一层全反膜以制成F-P干涉仪。

5)将生长好的石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料涂敷在反射式45°倾斜光栅脉冲激光出射处，如图4所示。

6)将激发光致超声的脉冲激光和检测光致超声的连续激光耦合至该多模光纤中，配合三维旋转移动平台和信号处理与控制系统即可实现光致超声内窥成像功能，如图5所示。

优选地，步骤3)中所述反射式45°倾斜光栅的制备，是通过采用相位掩模技术，利用精密微位移平台和相干紫外激光器在多模光纤纤芯处刻蚀制成。

优选地，步骤4)中所述F-P干涉仪的制备，是采用透明聚合物PDMS作为F-P干涉仪的腔体，但不限于这个透明聚合物。

优选地，步骤5)中所述对将石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料涂敷在倾斜光栅脉冲激光出射处，复合材料的厚度控制在10μm左右，但不限于这个厚度。

本发明提供了全光型侧向光致超声光纤内窥镜的制备工艺流程。其工艺流程简单，不仅利用石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料产生高频光致超声，还将倾斜光栅和F-P谐振腔在单根多模光纤上结合起来，实现自发自收的全光型侧向光致超声光纤内窥镜。

实施例2：

在具体的实施例中，实例步骤如下：

1)光纤端面处理，选取长度为2m，芯径为200μm的多模光纤，然后去除多模光纤两端涂敷层，并通过酒精、去离子水清洗，使用光纤切割机进行切割，然后再次通过酒精、去离子水清洗，使其表面清洁平整；

3)采用相位掩模技术，利用精密微位移平台和相干紫外激光器在多模光纤距端面5mm处刻蚀反射式45°倾斜光栅；

4)在光纤同一端面溅射一层半透半反膜，然后浸涂一层约5μm的PDMS作为F-P干涉仪的腔体，再在聚合物表面溅射一层全反膜；

5)将生长好的石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料涂敷在反射式45°倾斜光栅脉冲激光出射处，制成全光型侧向光致超声自发自收光纤内窥镜。

实施例3：

对于具体的制作器件，对其光声性能进行测试，将激发超声的脉冲激光耦合到该器件，将光纤水听器探头放置于距光致超声发射器表面1.5mm处，在泵浦电流为50A时，超声信号的波形和压力如图6所示，输出的超声信号峰峰值为0.98V(～1.6MPa)，其对应的-6db超声带宽约为16MHz，中心频率约为16MHz。结果表明，所制作的器件能够产生宽带高频超声波，并且具有足够的信号强度，能够满足血管内超声成像的需求。

将激发超声的脉冲激光和检测超声的连续激光耦合至该器件中，配合三维旋转移动平台和信号处理与控制系统，对血管仿体进行内窥成像实验，以证明其在血管内成像的能力。将该器件固定封装以6°为间隔旋转，对血管仿体进行一周360°的旋转成像。如图7所示，可以看出成像结果具有良好的对比度，同时保持较高的穿透深度，能够清晰的分辨出血管仿体的内外边界。测量的腔内径约为5.5mm，外径约为7mm，与血管仿体实际尺寸吻合较好。所获得的数据充分显示了该器件在全光型光致超声内窥成像方面的潜力。

上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (8)

1.一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：利用微纳光学技术在端面平整的多模光纤一端靠近端面处的纤芯上刻蚀倾斜光栅；

S2：在多模光纤具有倾斜光栅的端面上溅射一层半透半反膜，然后浸涂一层透明聚合物，作为F-P干涉仪的腔体，再在聚合物表面溅射一层全反膜以制备成F-P干涉仪；

S3：将光吸收材料和热膨胀材料涂敷在倾斜光栅脉冲激光出射处的包层表面作为光致超声换能器，产生用于内窥成像的光致超声信号；所述光吸收材料采用石墨烯阵列；所述热膨胀材料聚苯乙烯。

2.根据权利要求1所述的一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，其特征在于，在步骤S1之前，所述方法还包括：

选取多模光纤，去除多模光纤两端附近的涂敷层，用酒精擦拭后，使用光纤切割机对多模光纤两端面进行切割处理，得到端面平整的多模光纤。

3.根据权利要求1所述的一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，其特征在于，在步骤S3之后，所述方法还包括：

将激发超声的脉冲激光和检测超声的连续激光耦合至上述多模光纤远离倾斜光栅的另一端面中，配合三维旋转移动平台和信号处理与控制系统搭建侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜。

4.根据权利要求1所述的一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，其特征在于，利用精密微位移平台和相干紫外激光器在端面平整的多模光纤一端靠近端面处的纤芯上刻蚀反射式45°倾斜光栅。

5.根据权利要求1所述的一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，其特征在于，所述制备成F-P干涉仪用于高频、宽带光致超声的检测。

6.根据权利要求1所述的一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，其特征在于，将石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料涂敷在包层表面倾斜光栅脉冲激光出射处后，对其进行固化；使光纤侧面出射的脉冲激光入射至复合材料涂层，产生光致超声。

7.根据权利要求1所述的一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，其特征在于，所述透明聚合物采用的材料包括：PDMS。

8.根据权利要求6所述的一种全光型侧向光致超声自发自收式光纤内窥镜制备方法，其特征在于，所述石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料的制成步骤，包括：

配置聚苯乙烯混合液，所述混合液包括聚苯乙烯和甲苯溶剂；

将聚苯乙烯混合液滴在生长好的石墨烯阵列表面，进行旋涂使其均匀铺满整个石墨烯阵列膜表面，随后在真空环境下固化，所述石墨烯阵列和固化的聚苯乙烯构成石墨烯阵列与聚苯乙烯复合材料。