光纤光栅在光声成像中的应用

张能著，荣 健

(电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610000)

光纤光栅在光声成像中的应用

张能著，荣 健

(电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610000)

光纤光栅作为一种新型传感器，受到人们广泛的关注，世界各国学者开展了与之相关的各类研究。该文主要讨论光纤光栅在光声成像系统中对超声波的探测情况，该系统中，可以得到清晰的铅笔芯图像。此外，因为光纤光栅有着体积小和纯光学的特性，可以用在电磁干扰很强的医学内窥镜探测中。在将来，光纤光栅结合光声成像系统有潜力成为一种高质量的成像方式。

光纤光栅；超声波；内窥镜探测；光声成像

光声效应是光声成像的理论基础，它通过吸收电磁能量(光波或无线电波)产生超声波。用短脉冲激光去照射生物组织，激光的能量被生物组织吸收并且发生热膨胀，产生超声信号，也就是所谓的光声信号。光声成像技术结合了纯光探测的高分辨率和超声探测深穿透深度的优点，因此它受到了越来越多的关注。而在整个探测过程中，超声信号的探测是关键环节。

超声技术广泛应用在各学科和商业领域中，同样在医学领域中也得到了足够的重视。传统的超声波探头是基于压电换能器的压电效应，它通过压电晶体把超声信号转化为电信号，然而压电换能器有着一些无法克服的缺点。在本文中，光纤布拉格光栅作为一种新型的探测超声波方法，有着独特的优势，如体积小、重量轻、抗电磁干扰等，但光纤光栅探测超声信号最重要的优势是它的波长解调方式，这样在信号探测过程中，解调信号将不再受到光强的限制；另一方面，由于光纤光栅独特的性质，可以实现多路复用[1-2]。

1 光纤光栅传感原理和解调原理

均匀光纤布拉格光栅是在单模光纤中使纤芯折射率周期性变化形成的,其结构示意图如图1所示。光纤光栅的基本原理是由于光纤纤芯区域折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和发射光谱对该波长出现奇异性[3]。根据耦合波理论，当满足相位匹配条件时，光栅的布拉格波长λB= 2neffΛ，其中λB为布拉格波长，neff为光纤传播的有效折射率，Λ为光栅周期。当一束宽带光进入光栅后，波长为λB的光将被反射返回，其余波段的光将通过光栅，沿着光栅向前传播，反射光的中心波长即是光栅的布拉格波长。

图1 光纤布拉格光栅结构图

光纤布拉格光栅的解调技术是光纤光栅传感器应用的关键技术之一，根据解调原理的不同，常用的光纤光栅解调方法包括干涉法和滤波法两类[4-5]。

1)干涉型光纤光栅解调方法的基本原理就是，在一段单模光纤中传输的相干光源，在待测能量场的作用下，而相干光产生相位调制。即利用干涉仪将中心波长的偏移量转化为相位变量进行检测。此类解调方法具有极高的检测灵敏度，但是，它也极易受到外界环境变化的影响，因而一般多用于动态检测[6-7]。

2)滤波法[8-10]是利用各种滤波器对光纤布拉格光栅传感器的波长信号进行扫描滤波，将波长信号转化为电信号，再进行处理和显示。

2 实验及结果

实验系统的原理图如图2所示，Nd.YAG激光器用来照射生物组织及仿体产生超声信号，激光器的波长为532 nm，脉冲间隔为7 ns。在整个实验过程中，重复频率为1 Hz，照射在组织上的激光强度低于美国国家标准协会所规定的20 mW/cm2，探测到的超声信号通过光电探测器转为电信号，然后通过放大器放大，再通过由电脑控制的数据采集卡将模拟信号转化为数字信号，数据采集卡的采样频率为50 MHz，硬件的同步和控制由Labview程序控制。

图2 光纤光栅探测超声信号的光声成像系统图

如图3所示，3个铅笔芯放到仿体上，每两个铅笔芯之间的距离都为5 mm，由延时叠加算法可知，光纤光栅探头，围绕着铅笔芯探测180个位置，实验中低频信号可能来自机械扰动和外界噪声，但是不影响成像结果。在实验中，用延时叠加算法[11]得到图像，重建图像如图4所示。和图3相比，无论在尺寸上、形状上，还是相对位置上都能一一对应，因此，实验结果是准确的。

图3 放在仿体上的铅笔芯样本

图4 本文铅笔芯样本的光声重建图像

3 结束语

通过以上实验可知，光纤光栅可以很好地应用在光声成像系统当中。光纤光栅有着体积小、抗电磁干扰和便宜等特点，基于这些优势，它可以用在医用内窥镜检测当中，而且有着很高的商业前景。

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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

高分辨率定量微被热声成像技术及其在早期乳腺癌诊断中的应用(2014HH0037)。

张能著(1989-)，男，硕士，主要从事光声医学成像工作。

荣健(1962-)，教授，rongj@uestc.edu.cn

文献标志码 A doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.010