（光学工程专业论文）可用于oct系统的全光纤高速延迟扫描方法与实验研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 手两姜 光学相干层析( o c t ) 技术中，成像速度是重要指标，它主要取决于光 纤延迟线的扫描速度，利用压电陶瓷( p z t ) 构成的光纤延迟线，其优点是 扫描速度快，插入损耗低。采用大幅值高速电压驱动p z t 时，由于其呈现的 电容负载特性，使p z t 驱动电路的功耗过大，这一方面加大了高功率驱动电 路的设计困难；另一方面由于p z t 发热严重，导致光纤的静态光程和线性双 折射发生变化，使光纤延迟线的性能发生退化。因此，研究高速、大延迟量 的光纤延迟线的驱动方法，成为构成全光纤延迟线的关键技术之一。 本文围绕全光纤延迟线的结构设计、制作，以及驱动等问题，开展了以 下研究工作： 首先对光纤延迟线进行了数学建模，讨论了影响光纤延迟量的各种因素， 设计了全光纤延迟线的结构。 然后，研究了基于b o o s t 电路与l c 谐振原理的高速光纤延迟线驱动方 法，利用脉冲宽度调制( p w m ) 与l c 谐振相结合的驱动原理，设计了驱动 光纤延迟线的电路结构。b o o s t 电路与l c 谐振技术提高p z t 的供给电压， 弥补了单纯采用l c 谐振升压技术时，由于温度变化改变压电陶瓷谐振参数， 导致驱动输出电压变化的不足。利用p w m l c 谐振技术，有利于提高光纤延 迟线的扫描频率和电压输出幅度。 最后，利用光纤白光干涉技术对全光纤延迟线的特性进行了实验测量。 实验结果表明，本光纤延迟线在频率为2 0 0 h z 、幅值为4 5 0 v 的正弦电 压驱动下，可以实现2 5 0 m m 的延迟量，并对实验结果进行了分析。 关键词：光纤延迟线；压电陶瓷；脉冲宽度调制；高速驱动 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es p e e do fi m a g i n gi sa ni m p o r t a n ts i g ni no p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ( o c t ) i td e p e n d s o nt h es c a n n i n g s p e e do ft h ef i b e r - o p t i c d e l a yl i n e t h e d i s s e r t a t i o np r o p o s e dt h ef i b e r - o p t i cd e l a yl i n ew i t hf i b e ro p t i cw i n d i n gt h ep z t i th a saq u i c ks c a n n i n g s p e e d ，t h el o we x h a u s to f i n s e r t i n g w h e np z ti sd r i v i n g b yh i g h - s p e e da n dh i g hv o l t a g e ，i tw i l ls h o wc a p a c i t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s i tc a u s e d t o om u c hp o w e rw a s t eo ft h ed r i v ec i r c u i t t h i si n t e n s i f i e dt h ed e s i g n i n g d i f f i c u l t i e so ft h eh i g h - p o w e rd r i v ec i r c u i t ；o nt h eo t h e rh a n db e c a u s eo fp z t f e v e rs e r i o u s l y ，i tr e s u l t e di n s t a t i cf i b e ro p t i c a lp a t ha n dl i n e a rb i r e f r i n g e n c e c h a n g es ot h a tt h ep e r f o r m a n c eo faf i b e r - o p t i cd e l a yl i n ed e g r a d a t i o n s o ，t h e r e s e a r c ho nt h ed r i v em e t h o do fh i g h s p e e d ，t h em u c hd e l a yo ft h ea l l f i b e rd e l a y l i n e ，i sk n o w n a sao n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e do nt h es t r u c t u r a ld e s i g n ，p r o d u c t i o n ，a n dt h ed r i v e r a n do t h e ri s s u e so fa l l f i b e r - o p t i cd e l a yl i n e ，c a r r i e do u tt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h w o r k ： f i r s t l yt h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo nf i b e r - o p t i cd e l a y l i n e i td i s c u s s e dt h ev a r i o u sf a c t o r so fi n f l u e n c i n g o p t i c a l f i b e r d e l a ya n d d e s i g n e dt h es t r u c t u r eo f a l lf i b e r - o p t i cd e l a yl i n e t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e dd r i v ec i r c u i tb a s e do nb o o s tc i r c u i ta n dl c r e s o n a n tc i r c u i t i td e s i g n e dt h es t r u c t u r eo ft h ec i r c u i tt od r i v ef i b e rd e l a yl i n eb y u s i n gt h ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) w i t ht h el cr e s o n a n c e i tr a i s e dt h e s u p p l yv o l t a g eo ft h ep z tb yb o o s tc i r c u i ta n dl cr e s o n a n tt e c h n o l o g ya n do f f s e t t h es h o r t a g eo fo u t p u tv o l t a g ec a u s e db yu s i n gas i m p l el cr e s o n a n tt e c h n o l o g y ， r e s u l t i n gt e m p e r a t u r ec h a n g e so fp i e z o e l e c t r i c p w m l cr e s o n a n tt e c h n o l o g yi s u s e f u lt oi m p r o v es c a n n i n g 丘e q u e n c ya n do u t p u tv o l t a g eo ff i b e rd e l a yl i n e l a s t l y ，i tu s e dt om e a s u r et h ec h a r a c t e r i s t i c so f a l lf i b e r - o p t i cd e l a yl i n e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h el a r g e s ta m o u n to fd e l a yo ft h ef i b e r - o p t i c d e l a yl i n ec a na c h i e v e 2 5 0 m mw i t ht h ef r e q u e n c yo f2 0 0 h za n dt h ev o l t a g eo f4 5 0 v ， 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：f i b e rd e l a yl i n e ；p z t ；p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ；h i g h s p e e dd r i v e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者c 签字，：苏投曰 e la n ：如年乡月日 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的目的和意义 光学相干层析技术( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ) 是一种新型的对活 体组织进行非入侵的光学诊断成像技术，利用高灵敏度的探测技术，实现在 光散射介质如生物组织中获得清晰层析图像。o c t 技术中的成像是通过光延 迟来实现的，光延迟是指光信号经过光学器件后所产生的时间延迟【l 】。因此 o c t 技术中的一个关键技术问题就是光学延迟线的设计，即如何在光学延迟 线上快速稳定得获得与样品臂相等的光程，形成“相干门 ；o c t 系统中在 对人眼成像的时候需要一个毫米以上的成像深度，对皮肤或者其他人体组织 成像的时候需要两个毫米左右的成像深度，因此如何使光学延迟线端具有尽 可能大的扫描范围，以获得足够深的纵向成像范围，已经成为当今o c t 技术 研究中的热点问题【2 j 。 成像速度是光学相干层析( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o c t ) 技术 发展的一个重要指标。在典型的o c t 系统中，图像是由不同横向位置处的序 列轴向反射( 或散射) 信号构筑而成的，所采用的轴向扫描方式在很大程度 上决定了o c t 系统的成像速度。由于在o c t 系统成像过程中，生物组织的生 命活动并没有停止，细胞在不停的进行新陈代谢，毛细血管也会不停地脉动， 因此为了能够对活体组织进行实时监测和实时成像，并且尽可能的降低活体 组织的生命活动对o c t 系统图像的影响，就必须提高o c t 系统的成像速度。 而o c t 系统的成像速度主要取决于所采用的延迟线的扫描速度睁j 。 大多数的o c t 系统采用的是传统的利用机械的方式来实现的光学延迟 线，但其缺点是，光延迟线的结构比较复杂，体积大，难以实现系统的小型 化，限制了o c t 系统的应用场合，并且传统的光延迟线由于其光学器件的限 制，导致其扫描频率很低，只有十几到几十h z ，满足不了o c t 系统实时成像 的需要。为此，我们采用了一种光纤结构的光学延迟线，即将缠绕在压电陶 瓷( p b z r t i 0 3 ，p z t ) 上，利用压电陶瓷的逆压电效应来实现光纤的伸缩。 此种光纤延迟线与传统的光学延迟线相比具有高扫描速率、体积小、重量小 等优点。本设计中如何在保证延迟量可达n m m 级的同时，还可以使驱动频率， 哈尔滨工程大学硕十学位论文 即光纤延迟线的扫描频率达到l ( h z ，以满足o c t 系统对活体组织进行实时成 像的需要是本研究的重点和难点问题。 1 2 光学延迟线的发展现状 在o c t 技术的发展过程中有许多光学延迟线的设计与制作，大多数的 o c t 系统采用机械的方式实现光学延迟线上的扫描机构，当今o c t 领域常见 的光学延迟线的设计主要有以下几种【4 】： 1 、基于线性平移的扫描方式： 2 、通过旋转方式改变光程的扫描方式； - 3 、基于群延迟控制技术的扫描方式； 4 、基于压电伸缩的光纤结构的扫描方式。 l 、线性平移的扫描方式 最简单的线性平移扫描方法是在一个线性移动平台上装置一个反射器。 参考光从反射器返回，经重新耦合传输到光纤。此种扫描方式需要一个能够 提供足够平移范围的机械平移台，以便提供足够大的扫描光程。线性平移扫 描方式采用堆型p z t 作为平移器件。与其他形式的光学延迟线相比优点是损 耗小，扫描范围可以达至u 2 - 3 m m ，无色散，没有明显的偏振和散射效应；缺 点是由于受平移台的限制，扫描速度慢，达不至i j o c t 系统进行实时成像所需 要的扫描速度。 2 、旋转方式改变光程的扫描方式 光束穿过一个以恒定速度转动的旋转棱镜，由于棱镜的高速旋转，光束 穿过棱镜时的厚度会发生改变，因而改变光程，达到扫描的目的。这种光学 延迟线的最大优点就是扫描速度快。扫描速度可以通过旋转棱镜的旋转速度 来确定：缺点是这种延迟线的扫描范围由棱镜的尺寸和结构决定，这个范围 是不可调的，并且扫描范围小，存在插入损耗和偏振损耗，并且扫描时并非 完全线性。 3 、群延迟控制技术的扫描方式 采用群延迟控制技术的扫描方式是在飞秒脉冲测量的基础上发展起来 的，并于近几年被应用于o c t 成像技术。这种扫描方式的优点是扫描速度较 快。除了结构复杂外，基于群延迟控制技术的扫描方式最主要的缺点是光功 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 率损耗比较大，总损耗将明显的大于其它类型的光学延迟线。 4 、光纤结构的光学延迟线 光纤延迟线应用广泛，尤其在相控阵雷达和光学相干层析技术中有重要 应用【5 。j 。利用缠绕在压电陶瓷( p b z r t i 0 3 ，p z t ) 的光纤构成的光纤延迟线， 具有扫描速度快，插入损耗低等优点。本课题光纤延迟的实现是将一段很长 的光纤缠绕在圆柱形压电陶瓷上。由于许多光纤的缠绕，p z t t 、范围的驱动 即可产生几4 r a m 的延迟。 压电陶瓷 光电探测 图1 1 基于光纤伸长的光学延迟线 光 = = j 对于光纤延迟线来说，主要通过p z t 环的直径方向上的伸缩改变缠绕在 p z t 上的光纤的长度，来实现延迟线的功能。这种形式的光纤延迟线在o c t 扫描中的扫描速率可高达k h z 。虽然也有光功率损耗，但是远小于线性平移 光学延迟线刚。各种光学延迟线的比较如表1 1 所示。 表1 1 光学延迟线形式 扫描方式延迟线形式优点缺点 简单，损耗小，扫描 单通反射镜扫描速度慢 范围大，无色散 损耗大，光速偏 线性平移反射元 多通反射镜简单，扫描范围大 振状态影响大 件的扫描方式振镜驱动扫描范围大，占空比受机械惯性影 反射镜高响扫描速度慢 腔型多通有寄生调 延迟线 紧凑，扫描速度快 制信号 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 续表) 扫描不均匀， 旋转立方体扫描速度快 占空比低 振镜扫描 扫描速度较高，无 线性平移反射元 明显色散影响 扫描范围有限 件的扫描方式旋转反射镜 高速，高占空比， 线性扫描，不影响 反射镜阵列安装 阵列要求较高 群速度，高信噪比 扫描范围较大，扫描时并非完全 旋转棱镜阵列 高占空比线性 高速，扫描范围 易受温度影响，受 光纤扫描延迟光纤扫描 大，占空比较高， 光损耗较稳定且 光纤双折射效应 线延迟线影响，有迟滞效 不大，适用与光纤 o c t 系统 应，偏振模色散 快速扫描 扫描速度较快，群 速度和相速度分 离实时成像还有 光学延迟线一段距离 离，色三可调 基于群延迟控制 高速，高信噪比， 技术的扫描延迟 多边形群速度和相速度位相延迟 扫描器分离，群速度色散非线性化 线 可以忽略 基于声光调制 器的光学 响应速度快，无需光损耗较大，不适 运动部件合超宽带宽的光 延迟线 1 3 课题主要工作 本文旨在研究和设计适合用于o c t 系统的全光纤延迟线及其驱动电路。 和其它传统的光学延迟线相比，全光纤扫描系统有许多优点：体积小、结构 简单、高速而且经济，并能够从实验室工作台转移到校医室或工地上使用， 实用性更强。本文将讨论一种利用p z t 驱动器的全光纤延迟线，提供一种p z t 驱动电路，并对光纤延迟线的性能进行实验研究。 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 论文的主要研究内容如下： 1 、拟采用基于压电陶瓷的光纤结构的延迟线来构成o c t 系统的延迟线， 并对光纤延迟环进行数学建模，通过模型讨论分析影响延迟量的因素。 2 、通过对压电陶瓷选材与性能指标进行优选，以确定选用压电陶瓷的类 型和尺寸；根据延迟量的要求，计算所需光纤的长度并完成光纤延迟环的制 作，并对制作好的延迟环的性能进行实验研究。 3 、分析国内外技术资料，并结合实际情况和要求，设计出能为光纤延迟 线提供高速高压的驱动电路；完成电路性能测试，主要包括：b o o s t 电源供给 电路测试和l c 谐振升压电路测试的相关实验研究，并对实验结果进行必要分 析，通过实验来验证驱动电路能否符合要求。 4 、完成全光纤延迟线延迟量特性的实验，主要包括：光纤延迟线的静态 和动态实验以及延迟量与频率特性实验，并对实验结果进行必要分析。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 弟1 h 2 章全光纤延迟线的原理 2 1 压电陶瓷 2 1 1 压电效应 压电陶瓷加载电压后会产生形变。而压电效应分为正压电效应和逆压电 效应。本文提出的全光纤延迟线是利用压电陶瓷的逆压电效应，即对压电陶 瓷施加电场时，会引起压电陶瓷的机械形变。 2 1 2 压电陶瓷的性能 压电陶瓷材料经过极化处理之后具有各向异性，每一项性能参数在不同 方向上表现的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性 的介质陶瓷多得岁5 卅。这里只对其一些主要性能进行介绍。 l 、介电常数 介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用g 来表示。压 电陶瓷极化处理之前是各向同性的多晶体，经过极化处理以后，成为各向异 性的多晶体。由于压电陶瓷存在压电效应，因此样品处于不同的机械条件下， 其所测得的介电常数也不相刚7 1 。 2 、谐振频率 对压电陶瓷施加交流电压时，会发现通过压电陶瓷的电流随施加电压的 频率变化而变化。当频率达到某一值磊时，压电陶瓷中的电流会有一个最大 值。这是因为施加的厶与压电陶瓷自身的固有振动频率相一致，产生谐振【8 】。 3 、介电损耗 介电损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所具有的重要品质指标之 一。在交变电场下，介质所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分( 同相) ， 由电导过程所引起的；一种为无功部分( 异相) 。当压电陶瓷在交变电场的 作用下，陶瓷的极化状态就发生变化，这种极化状态的变化往往跟不上交变 电场的变化，而出现滞后现象，这就造成了压电陶瓷的介电损耗【8 】。 4 、频率常数 频率常数是谐振频率和决定谐振频率的线度尺寸的乘积。如果外加电场 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 垂直于振动方向，则谐振频率为串联谐振频率；如果电场平行于振动方向， 则谐振频率为并联谐振频率。压电体的谐振频率不仅与材料本身有关，而且 还与材料的外形尺寸有关f 8 。9 】。 5 、压电常数 压电常数是压电材料所特有的一种参数，它反映材料“压 与“电”之 间的耦合效应。压电常数不仅与应力丁，应变贿关，而且与电场强度e ，电 位移d 有关。与介电常数一样，压电陶瓷的压电常数也与方向有关，并且也 需考虑“自由”、“夹持 、“短路 、“开路 等机械和电学的边界条件， 因此，也有许多个压电常数 引。 2 1 3 压电陶瓷的固有特性 在理想条件下，压电陶瓷的应变与外电场强度曲线分别是线性和二次蓝 线，但实际上，由于复杂的机理，压电陶瓷存在迟滞、非线性、蠕变等特性， 其应变与外电场强度曲线并不是理想条件下的线性和二次曲线。 l 、迟滞特性 当外加电压变化时，压电陶瓷内部的极化状态也要随之发生变化。当陶 瓷内极化状态的变化跟随不上外加电压的变化时，就称为迟滞现象。压电陶 瓷的迟滞特性是指正反向电压位移特性曲线不同，存在着回差，是压电 陶瓷的固有特性。其主要特点是：系统下一时刻的位移输出不仅取决于当前 时刻的输入和输出，还取决于输入的历史。压电陶瓷的迟滞环是不对称的， 即正向曲线和反向曲线之间没有对称轴。迟滞定量地定义为压电陶瓷正反向 电压一位移特性曲线的最大差值同该电压下最大位移之比，最高可达1 5 - 2 0 。 2 、非线性特性 压电陶瓷自身的应变与# 1 - 力n 电压幅值在理想情况下呈线性关系，但实际 上压电陶瓷的应变量与外加电压之间并非线性关系。在实际施加电压的过程 中，压电陶瓷的实际伸缩量与理想伸缩量会产生偏差。 3 、温度特性 压电陶瓷的输出位移随着温度的增加而减小，在o 。c 5 0 范围内减少 5 8 ，压电陶瓷的迟滞也随温度而变化，变化幅度也较小。压电陶瓷的热 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 膨胀系数和陶瓷及玻璃相似，在不同的方向上数值不同。 4 、蠕变特性 蠕变特性是指压电陶瓷的形变对时间的滞后效应。当对p z t 施加电压之 后，p z t 会立刻产生形变，但并不是立刻发生所有的形变量。而是将所有的 形变量分成两部分来完成，第一部分形变量会在施加电压后的几毫秒内完成， 第二部分形变发生在第一部分形变以后较长时间内。这是由于p z t 内部的晶 格间存在摩擦力，极化作用并不能在对p z t 施加电场后立即完成，因而存在 一定滞后【1 0 】。 2 2 基于p z t 的光学延迟原理 2 2 1 光纤伸长的建模 光纤延迟线的原理是将光纤缠绕在环状的压电陶瓷上，在外加径向电压 的作用下，p z t 沿半径方向膨胀，缠绕在p z t 上的光纤产生轴向形变，从而获 得一定的光纤延迟量【1 1 - 15 1 。 我们根据材料的不同，可将光纤延迟环分为3 层：p z t 、光纤的涂敷层和 光纤。通过对p z t 多 j j i 电压之后，通过不同的机械介质和相互作用界面层层 传递，最终施加在光纤上【1 纠9 】。 在各个材料的接触界面上，如果我们假设各层介质相互作用完全，无滑 脱，我们就可以对力学传递过程一一进行分析，然后加以综合【2 0 2 3 1 。 通过查阅大量的文献资料，在借鉴已有资料的基础上，根据力学和能量 平衡方程，对光纤带有的聚合物涂敷层的力学缓冲特性进行研究，建立起光 纤和p z t s g 互作用的理论模型，并推导此情况下，光纤应变的数学表达式【2 4 1 。 光纤与压电陶瓷粘接的切面图如图2 1 所示。 图2 1 光纤与p z t 连接的结构简图 8 哈尔滨下程大学硕十学位论文 1 、p z t 环的受迫阻尼振动解【2 4 】 设p z t 环臂厚为f ，外径为a ，电极被覆在环的内外表面上，这样的薄圆 环与理想化的弹簧和质量构成的系统相似，其振动方程理想解的振幅为： 皇：垦坐l 百(21)e 2 钆一历雨丽 叱， 式中，彘为径向位移：盔为机电转换系数；岛为所加电场；瓯= 孺1 为 谐振频率；缈为所加的调制频率；p 为陶瓷密度；醋为弹性柔顺常数。 尽管以上解可以较为清晰的说明p z t 的振动特性，但在实际使用时，还 必须考虑各种损耗和阻尼。一般情况下，阻尼力与质点运动方向相反，在数 学上假定与运动速度成正比，为粘滞阻力，用式子表示为： 乃= 嘴 ( 2 2 ) 式中，乃为阻尼力；彘为位移；c 为粘滞系数。加入阻尼后的解为： 彘= 等1 日( 动i s i n ( 耐一 ( 2 3 ) 式中，2 毒= c ，k = 簖= 孺1 ，乃= 老勰 此时p z t 的幅频特性为： 日( 妫= 乃 k ( 2 4 ) 此时p z t 的相频特性为： 2 孝旦 口c 留i 耳c o o 】 ( 2 - 5 ) 鳓 将式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 - - 4 ) 代入式( 2 1 ) ，可得p z t 振动幅度皇与加载 至i j p z tj - 的外加电压圪的关系如下： 皇：d a l 矿m a 1 堡一 ( 2 6 ) 一了而乒荔鬲雨 u 。0 此且p p z t 环的阻尼的受迫振动解，其中阻尼系数c 还包含光纤和粘胶等 的负载阻尼；晏表示p z t 的机械振动的振幅。1 口表示振动波和调制波的相位 9 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 延迟。 2 、p z t 与光纤的耦合【2 4 】 如果采用p z t 上的光纤与p z t 之间的机械位移耦合靠粘胶来实现，由能量 守恒定理可推出p z t 与光纤的耦合关系。设p z t 的总机械能为，p z t 自由 时径向位移为毒，粘上光纤p z t 环、粘接层、光纤所消耗的机械能分别为、 、，对应的位移为彭、乞、彭，则有： 玑= + + ( 2 - 7 ) 因为弹性机械能为： u = 去e 孝2 ( 彳) ( 2 8 ) 式中，彳为相应的作用截面；l 为相应的作用长度。又因： 彭= 岛= 2 翮乞 ( 2 - 9 ) 式中，疗为所绕光纤圈数。 将式( 2 8 ) 、式( 2 9 ) 代入式( 2 。7 ) 得： 三e p 彘2 - 丢乞彰( 4 。) + 圭& 髭( 如乞) + 三q 劈( 4 。) ( 2 1 。) 化简后得： 乞晏2 = 髟嚣( 4 乞) + 髭( 如岛) + 劈( 4 ) ( 2 - 11 ) 由( 2 9 ) 式得： 二2 _b ， 乞= 一4 t - 2 n 2 彭= 乞 代入式( 2 - 1 1 ) 得： 乞弘劈( 辫+ 如+ 髟倒 ( 2 1 2 ) 整理可得： ez 一 号：ep a p l p 钉一瓦万i 雨再了弱万 4 万2 ，z 2 屏彳p l p ( 2 1 3 ) 推导得出： 1 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 令： 芎f = 在p z t 延迟环完成之后，式中分母的值便固定。 k = ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 所以： 孝，= 磁晏 ( 2 - 1 6 ) 结合上述式( 2 6 ) 、式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 可以看出，影响缠绕在p z t 上的光纤的延迟量的主要有以下几个因素： 1 、p z t 环自身的尺寸因数，如环高，半径等。环越高，可以缠绕更多的 光纤，增加延迟量；半径要大于光纤的最小弯曲半径，且缠绕同样的圈数， 环的半径大，光纤延迟量就大。 2 、p z t 环的性能参数，如么，机电转换常数，阻尼消耗等。以与p z t 的 径向位移成正比，所以破越大，光纤延迟量就越大；阻尼消耗与p z t 的径向 位移成反比，阻尼消耗越小，光纤延迟量就越大。 3 、光纤缠绕的长度。其他条件一样的情况下，缠绕的光纤原长与光纤延 迟量成正比，所以光纤原长越长，光纤延迟量就越大。 4 、外加的驱动电压的大小和驱动频率等。此两样因素在后面有实验验证。 在p z t 环制作完成以后，前3 条均已固定，影响p z t 环光纤的光延迟量的 主要因素就是外加的驱动电压的大小和频率。 2 3 推挽式全光纤延迟线的结构 由于光速极快，无法用直接测量的方法获得信号，所以o c t 采用了低相 干干涉系统从返回光中提取有用信息。o c t 系统的核心是迈克尔逊干涉仪， 其两臂分别放置反射镜和被测组织。光从低相干光源输出，经耦合器进入参 考臂和样品臂，分别被反射镜和被测组织反射。两臂的反射光经耦合器由光 电探测器接收，转化为电信号输入计算机成像。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 推挽式全光纤高速延迟线的结构简图 在o c t 系统中，对于延迟量有着比较严格的要求，例如对眼睛组织的扫 描需要l m m 以上的延迟量，而对皮肤或者其他身体组织的扫描时则需要2 m m 以上的延迟量。因此o c t 系统在某些情况下需要大的延迟量，而上文中设计 的全光纤延迟线要达n 2 m m 以上的延迟量，对光纤延迟环的制作和驱动电路 的设计都有着比较高的要求。普通的光纤延迟线是在o c t 系统的样品臂上， 接入一个光纤延迟环，在参考臂上接入等长的光纤来实现光程匹配，但是这 样的设计获得的延迟量有限。为了更为简单的获得o c t 系统扫描特殊组织所 需要的大延迟量，本文提出了一种推挽式的全光纤高速延迟线的结构。推挽 式全光纤高速延迟线的结构简图如图2 2 所示。 推挽式光纤延迟线的实现将o c t 成像系统的参考臂和样品臂均接入一个 缠有相同长度光纤的压电陶瓷环，以此来实现等光程的干涉扫描。o c t 系统 扫描的时候，在每个压电陶瓷环上各加载一个驱动电压。两个驱动电压相同 的是电压幅值的大小，频率都一样；不同的是两个驱动电压的相位差为1 8 0 度，即参考臂和样品臂的驱动电压相位是反相的。这样系统工作的时候，一 个p z t 在膨胀，带动光纤伸长；而另一个在收缩，带动光纤收缩，就可以产 生相当于一个p z t 的两倍的形变量。这就是全光纤延迟线推挽结构的原理。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章通过对压电陶瓷自身性能参数的分析，为压电元件的选择和光纤延 迟线的设计提供了理论依据；通过对光纤延迟环进行数学建模，对光纤延迟 量的影响因素进行了讨论；并提出一种推挽式的全光纤延迟线的结构，以获 得o c t 系统所需要的足够大的延迟量。 1 3 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 第3 章基于p z t 的全光纤延迟线的设计 3 1 基于p z t 的全光纤延迟线的结构设计 3 1 1 压电陶瓷的结构 压电陶瓷是构成本文光纤延迟环的核心器件。目前比较常用的压电陶瓷 的结构类型主要有以下三种【2 5 】： ( 1 ) 堆型p z t 为了防止缠绕在堆形p z t 上的光纤超过其最小弯曲直径而引起光纤中信 息损耗的加大，因此在堆型p z t 的末端采用两个半圆型的结构，将光纤缠绕 为半圆形，此半圆型结构的直径要大于光纤的最小弯曲直径。当对p z t 施加 电压时，p z t 以0 1 5 的压电系数以3 膨胀。缠绕在堆型p z t 直线部分的光纤可 以被拉伸，起到使光纤伸长的作用；而弯曲部分的光纤却得不到拉伸，相当 于此段光纤没有伸长，因此堆型p z t 的光纤利用率比较低。此外由于堆型p z t 自身的谐振频率较低，通常只有十几h z 到几十h z ，因此也不能满足o c t 系统 对于扫描频率的要求【2 6 1 。 图3 1堆型p z t 与光纤工作简图 ( 2 ) 盘型p z t 盘型p z t 与堆型p z t 相比，盘型p z t 有质量低，电容低( 大约0 1 心) 和 谐振频率高的优点。但同时也有明显的缺点，例如缠绕在盘型p z t 上所有的 光纤虽然都能和p z t 接触，起到拉伸的作用，光纤利用率高；但是对盘型p z t 1 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 施加电压时，缠绕在盘型p z t 上的光纤仅以0 0 5 的以l 得到最大伸长，此仅 为堆型p z t d 3 3 伸展的1 3 ，利用到的压电系数太小，限制了盘型p z t 上光纤伸 长的作用【拘。 图3 2 盘型p z t 与光纤工作简图 ( 3 ) 环型p z t 环型p z t 和堆型p z t 相比，拥有较高的谐振频率，因而会有非常快的扫描 速度；环型和盘型p z t 相比较，拥有较高的压电传递系数【2 6 】。 图3 3 环型p z t 与光纤工作简图 从下面的表3 1 可以看出：对于同样的光纤伸长量，环型有较低的电容， 因为几乎整个表面都和光纤粘接。环型p z t 还有一个优点是可以在外直径缠 绕多层光纤来增加光纤伸长总量。而环型和堆型相比较，环形p z t 的谐振频 率要远远高于堆型p z t 。并且由于堆型p z t 的光纤利用率低，质量大，因而有 着比环型要高的多的电容，最终导致堆型p z t 的扫描速率过低，达不至u o c t 系统的要求。 综合以上考虑，本文采用的是环型压电陶瓷。 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 1 三种结构p z t 的性能比较 类型 堆型盘型环型 性能 质量大小较小 电容几个心大约0 1 心小于0 1 9 f 应变常数 o 1 5 的吨30 0 5 的以l o 1 6 的函l 谐振频率几十h z几百h z几十k h z 只有直线段光纤拉所有光纤均被拉可在外层缠绕多层 光纤利用率 伸，利用率低伸，利用率高光纤，利用率高 3 1 2 光纤延迟线的总体结构 图3 4 高速光纤延迟线的总体结构 高速光纤延迟线要求频率高，利用最小的光纤长度，来达到足够大的扫 描范围。根据光纤延迟线的设计要求，将一段长光纤缠绕到压电陶瓷环上， 利用p z t 应变来实现光纤的延迟。图3 4 为高速光纤延迟线的总体结构。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 压电陶瓷环的设计 3 2 1 压电材料的选择 1 、压电材料的选择 p z t 材料经过极化后，电压和形变的关系近似线性，并且压电陶瓷能够 实现高速的反应【2 7 之9 1 。 对于需要使光纤伸长最大量的地方，应该利用“软”p z t 材料，因为其 蟊l 和函3 的利用效率是最大的。但是，实际上除了以1 和如3 ，将其它的工作指 标相比之后会发现，“硬”p z t 材料有较低的电容，发热量少，更适合频率 要求较高的延迟线。“硬”p z t 材料与“软 p z t 材料相比，外加电压和拉伸 的关系更加线性，从而能够达到更好的精度。下面以美国e d o 公司生产的“硬 材料和“软 材料为例，对两种材料进行比较，如表3 2 所示。 表3 2“软”和“硬”p z t 材料的性能比较 性能参数单位“硬 p z t“软”p z t 介电损耗，t a n 万 0 0 0 3o 0 1 9 居里温度，疋 3 3 02 3 5 最高工作温度 2 0 01 2 5 机电转换系数，吃。 i n 1 3 0 x 1 0 1 2 2 4 0 x 1 0 1 2 机电转换系数，吐， i n 2 9 0 x 1 0 1 25 7 5 1 0 1 2 频率常数，坼 h z m2 2 3 01 9 7 0 频率常数，m h z m2 0 4 01 9 6 0 本文对于压电材料具有以下几个要求：此压电材料的等效电容小；在等 效电容小的基础上，材料的如l 机电转换系数尽可能大；材料的自身谐振 频率要远大于实验中加载的驱动频率。综合以上考虑，本设计选择利用“硬 p z t 材料来实现光延迟【3 0 。2 1 。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学何论文 2 、压电元件的选择 在本文提出的全光纤延迟线中，是利用压电陶瓷的逆压电效应：即对压 电陶瓷施加外加电压时，压电陶瓷会产生形变，以此来带动光纤的伸长。 由第2 章光纤延迟建模推导的公式( 2 6 ) ： 声一吃l 。口 瞄 t ( 蟛一) 2 + ( c a x a o ) 2 可以看出：元件的变形量与外加电压、元件的形状、尺寸及压电常数有 着密切的关系。因此，对于这些元件，除了要选择优质的压电材料外，制成 的元件质量要高，性能应稳定，而且要求元件本身结构尽可能简单，加工制 造容易实现【3 3 】。 3 2 2 压电陶瓷环的设计 本文采用环型p z t 。根据p z t 光纤延迟原理，其设计应考虑下列因素： 1 、光纤的最小弯曲直径，即环型p z t 的最小外径 光纤在超过其最小弯曲直径而过度弯曲时会严重影响光在光纤的传输。 因此在选择环形p z t 时，必须要考虑p z t 的最小外径至少要大于光纤的最小弯 曲直径，否则会产生比较大的损耗，导致信息在光纤的流失【2 5 1 。 表3 3 光纤的弯曲衰减 弯曲直径( m m )圈数波长( n r n )衰减( d b ) 3 2l1 5 5 0o 5 0 5 01 0 01 5 5 0 o 1 0 5 01 0 01 3 l o0 0 5 从表3 3 数据指示出，如果采用直径1 2 5 p m 的单模光纤，当光纤缠绕直径 小于5 0 m m 时会产生大的弯曲损失。对于采用光纤最小弯曲直径5 0 m m 时缠 绕，缠绕1 0 0 圈时的光纤由于弯曲而引起的损耗小于0 0 5 d b 。而采用光纤最小 弯曲直径为3 2 m r n 时，缠绕1 圈时的损耗就为0 5 d b ，远远大于最小弯曲直径为 5 0 m r n 时的损耗。故兼顾光纤里信息的损耗程度和缠绕时的方便，本文采取的 光纤最小弯曲直径为5 5 m m ，即环型p z t 的最小外径为5 5 r n m 。 1 8 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 2 、光纤长度和环型p z t 高度 在p z t 上所缠绕的光纤的长度决定p z t 的高度。通过下式可以由光纤长度 粗略计算出所需要p z t 的高度。 n ：土 ( 3 1 ) = 一 l j ij x d o h ：珂d ：土d( 3 2 ) 死d o 式中，玎是光纤缠绕的圈数；瓯是采用的p z t 的直径；h 是采用的p z t 的高度；d 是采用的单模光纤直径。 当没有符合的p z t 高度时，我们可以采取在p z t 上缠绕多层光纤的方法 来实现对光纤的缠绕。综合以上因素，我们选用了t y 5 型压电陶瓷。 表3 4t y 5 型p z t 的主要性能参数 性能参数符号数值性能参数符号数值 机械品质 相对自由s 2 1 0 0 q m 5 5 因数 介电常数0 l 2 2 5 0 k t o 5 压电常数 ( 1 0 。1 2 c n ) d 3 1 2 0 0 k i s o 6 8 机电耦合 居里温度( ) 疋 3 2 0系数 ( 3 1 o 3 6 体积密度( g c m 3 ) p 7 6 k 3 3 0 7 介电损耗 t a n60 0 2 昂 0 6 2 弹性柔顺系数鹳3 2 1 5频率常数m 2 0 0 0 ( 1 0 。1 2 m 2 n ) 萨l l 1 6 7( h z m )心2 0 0 0 表3 5 光纤和p z t 的参数 光纤压电加载光纤缠绕 伸长量系数电压 臂厚直径 原长圈数 址( m m ) 0 3 l u ( v ) f ( m l i l )d ( m m )l ( m )n ( 圈) 4 0 02 x 1 0 1 06 0 01 55 55 0 0 02 9 0 1 9 哈尔滨下程大学硕士学位论文 当在p z t 环上缠绕单层光纤时，由以上公式可以初步计算出所需光纤的 长度和环型p z t 的高度。如表3 5 所示。 3 3 光纤延迟环的制作 3 3 1 光纤延迟环的缠绕方法 本设计中采用手工在压电陶瓷上缠绕光纤。 缠绕光纤时，预先在压电陶瓷环两端留出2 3 m m 的空当，这样可以方便 焊接电极和防止光纤的脱落。先选择压电陶瓷环的一端作为缠绕的初始端， 开始对光纤进行缠绕。光纤的初始端和末端都要留出大约3 m 的长度，以便于 后续的光纤焊接、进行损耗实验和封装。 缠绕光纤时应注意要使光纤始终保持在一定的张力状态下进行缠绕，这 样可以保证光纤与p z t 充分接触，使p z t 的形变能够最大效率的传递到光纤 上；但同时需要注意用力要大小适中且均匀，避免光纤在用力过大时发生断 裂。每层必须紧密排列，如果出现间隙，下层光纤就会陷入到里面，从而出 现扭曲，光纤层变形，既影响光的传输，也会给以后的缠绕带来困难，并且 要使光纤紧贴在压电陶瓷环的表面，保证光纤所受结构张力的均匀性。同时， 制作中应尽量使光纤只发生拉、压变形，避免扭曲变形导致光纤传输损耗的 增大和偏振效应的加剧。同时为了避免换层时一两根光纤之间出现积压现象， 在每层结束时在上层多绕一圈，这样可以保证不出现扭曲变形。 以此方法在压电陶瓷环上有序地缠绕光纤，缠绕过程中可以用胶布对光 纤进行固定，使缠绕更加方便。同时要精确记录已缠绕光纤的圈数，并且光 纤两端剩余未缠绕的光纤也要精确测量其长度，为后面的白光干涉实验中的 光程匹配问题做准备。 3 3 2 光纤的粘接方法 在缠绕完一层光纤后，混合环氧树脂【3 4 1 ，然后将其均匀地涂抹在缠绕有 光纤的压电陶瓷环的两端处，以固定已缠绕好的光纤，同时方便第二层光纤 的缠绕。目前比较常用的光纤粘接方法是全固化粘接。全固化粘接是将压电 陶瓷环上缠绕的光纤全部涂抹环氧树脂，这样可以使用光纤与p z t 充分紧密 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接触，而不会有相对位移的产生，p z t 的形变能够最大限度的传递到光纤上。 为了尽量提高光纤环的效率，本文采用的是全固化粘接。 3 3 3 光纤延迟环缠绕质量的评价 评价光纤延迟环质量的重要指标就是光纤环损耗的高低和双折射的影 响。 l 、光纤环的损耗 在p z t 上缠绕光纤时，光纤不可避免的会出现一定程度的扭曲或者拉伸， 这些都会给光在光纤传输过程中带来损耗。光纤环的损耗用y 表示，单位为 d b ，它的定义式为 d y = - 1 0 1 9 ( l ) ( 3 - 3 ) 一 式中，昂光纤环切断前输出端光功率；光纤环切断后输出端光功 率。 为了保证本课题制作的光纤环能有效地实现光程扫描，需要对光纤环的 损耗程度进行测量。本论文采用切断法测量光纤环的损耗。 切断法是在不改变注入条件的前提下，分别测出切断前光纤环的输出功 率昂和切断后约2 m - 长：度短光纤的输出功率露，根据定义计算出损耗y 。采用