一种高稳定性非接触式光声传感装置及其使用方法

1.本发明涉及激光应用技术领域，具体涉及一种高稳定性非接触式光声传感装置及其使用方法。


背景技术：

2.随着生物医学技术发展，该领域对所使用图像的质量要求也越来越高，光声技术因其具有高对比度、高分辨率和深成像深度的优点得到快速的发展。
3.当该技术应用于辅助外科手术、烧伤诊断和溃疡诊断等特殊方面时，常采用基于位移探测的非接触式传感器，选用的传感器主要有双波混合干涉仪、马赫增德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪等，这类传感器无需与生物组织进行接触，且具有高的灵敏度和较宽的响应带宽。当使用这类传感器探测由样本激发的光声信号时，通常在样本表面涂抹一层薄甘油，采用甘油液面替换传统干涉仪中探针光光路的反射镜，激发的光声信号会导致甘油液面发生位移，从而测得高精度的光声信号。
4.由于外界环境和扫描电机的震动，涂抹在样本表面的甘油液面会发生晃动，这将降低探测的光声信号稳定性。为提高光声信号的探测稳定性，普遍采用以下方式进行处理：第一种方式是选用较为安静的实验环境，并在超稳隔振平台上进行相关的实验研究，这虽然大大降低了外界的震动，但是无法降低设备本身扫描电机产生的震动；第二种方式是在上述方式的基础上采用二维扫描振镜代替二维电动平移台，虽然降低了扫描电机震动的影响，但是并未完全消除外界和扫描电机的震动；第三种方式是在第二种方式的基础上采用锁腔技术锁定干涉仪的腔长，但是这种方式只适合短时间扫描成像；第四种方式是在第二种方式的基础上扫描干涉仪中本底光的腔长，在干涉仪输出光的过零点位置(探测最灵敏区域)探测光声信号，虽然增大了探测稳定性，但是液面晃动会引起探测到的光强起伏不定，导致探测的光声信号的强度稳定性变差。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种高稳定性非接触式光声传感装置及其使用方法，结构简单紧凑，有效降低因外界和扫描电机震动导致涂在待测样品表面甘油液面的晃动对反射探针光光路的影响，在不引入其他振动源的条件下，提高探测的光声信号的稳定性，进而提升重建的光声图像质量。
6.为实现上述目的，本一种高稳定性非接触式光声传感装置，包括依次设置的激光组件、半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、四分之一波片；
7.还包括第一非球面镜、第二非球面镜、50/50分束光纤和平衡探测器；
8.第一偏振分光棱镜一侧设有聚焦透镜，聚焦透镜将第一偏振分光棱镜反射的激光聚焦耦合至50/50分束光纤内；
9.所述第一非球面镜放置在四分之一波片的一侧，使得从四分之一波片透过的激光聚焦至待测样品的甘油液面上；
10.所述第二非球面镜放置在第二偏振分光棱镜的一侧，使得从第二偏振分光棱镜反射的激光聚焦耦合至50/50分束光纤内；
11.50/50分束光纤与平衡探测器相连接。
12.进一步的，所述四分之一波片与第一非球面镜设有导光镜；
13.导光镜用于将激光垂直入射至甘油液面上。
14.进一步的，所述激光组件包括依次设置的单频激光器、起偏器、用于将平行光准直的准直装置。
15.一种高稳定性非接触式光声传感装置的使用方法，具体包括以下步骤：
16.a.将单频激光器输出的激光调整为平行光，输出的激光经过起偏器后变为线偏振光、经过准直装置调整为平行准直光；
17.b.平行准直光正入射到半波片和第一偏振分光棱镜上，并分为本底光和探针光；
18.c.本底光经过聚焦透镜耦合进入50/50分束光纤内，通过调整聚焦透镜的位置，使得50/50分束光纤输出的激光功率更大；
19.d.探针光依次经第二偏振分光棱镜、四分之一波片、导光镜、第一非球面镜聚焦后正入射至涂在待测样品的甘油液面上；调整第一非球面镜，使其与甘油液面的距离约等于第一非球面镜的焦距，调整导光镜，使从四分之一波片透过的激光垂直入射到甘油液面上；
20.e.由甘油液面反射的探针光再反向依次经过第一非球面镜、导光镜、四分之一波片后在第二偏振分光棱镜发生反射，反射的探针光通过第二非球面镜聚焦耦合进入50/50分束光纤内；
21.f.将50/50分束光纤输出端与平衡探测器连接，通过平衡探测器探测在待测样品内部激发的光声信号。
22.与现有技术相比，本高稳定性非接触式光声传感装置首先利用偏振分光棱镜和四分之一波片组合将从甘油液面反射的探针光导出原光路，其次在光路中加入第一非球面镜、第二非球面镜和一根50/50分束光纤实现光声信号的高稳定性探测，即利用非球面镜具有使得近轴光线和远轴光线形成的焦点位置重合的优点，当从偏振分光棱镜反射的探针光经第二非球面镜聚焦后的角度处于光纤的数值孔径允许入射范围内时，入射的探针光可以被耦合进50/50分束光纤内。该技术可以有效解决因甘油液面晃动导致探针光偏移原光路而造成探测到的光声信号保真度下降的问题，在不引入其他振动源的条件下，提高探测的光声信号的稳定性，进而提升重建的光声图像质量，除此之外，该技术方案可以降低搭建这类传感器的难度。
附图说明
23.图1是本发明的结构示意图。
24.图2是本发明中单个非球面镜的像差示意图。
25.图3是本发明中一对非球面镜之间的光路示意图。
26.图4是本发明的结构流程图。
27.图中：1、单频激光器，2、起偏器，3、准直装置，4、半波片，5、第一偏振分光棱镜，6、聚焦透镜，7、50/50分束光纤，8、第二偏振分光棱镜，9、四分之一波片，10、导光镜，11、第一非球面镜，12、甘油液面，13、第二非球面镜，14、平衡探测器。
具体实施方式
28.下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.如图1至图4所示，本高稳定性非接触式光声传感装置，包括依次设置的用于输出平行准直光的激光组件、半波片4、第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜8、四分之一波片9；
30.还包括第一非球面镜11和第二非球面镜13；
31.第一偏振分光棱镜5一侧设有聚焦透镜6，聚焦透镜6用于将第一偏振分光棱镜5反射的激光聚焦耦合至50/50分束光纤7内；
32.所述第一非球面镜11放置在四分之一波片9的一侧，使得从四分之一波片9透过的激光聚焦至涂在待测样品的甘油液面12上；
33.所述第二非球面镜13放置在第二偏振分光棱镜8的一侧，使得从第二偏振分光棱镜8反射的偏振激光聚焦耦合至50/50分束光纤7内；
34.50/50分束光纤7与平衡探测器14相连接。
35.如图1所示，当宽场的平行光入射到非球面镜时，近轴光线与远轴光线所形成的焦点位置重合。如图2所示，当反射的偏离原光路的近轴光线分别经过两个非球面镜后，聚焦的焦点位置与原位置重合，因此有效降低因外界和扫描电机震动导致涂在待测样品表面甘油液面12的晃动对反射探针光光路的影响；
36.示例性的，所述四分之一波片9与第一非球面镜11之间设有导光镜10；
37.导光镜10用于将激光垂直入射至甘油液面12；
38.示例性的，所述激光组件包括依次设置的单频激光器1、起偏器2、用于将平行光准直的准直装置3；
39.具体的为：使用高度尺、导光镜组将单频激光器1输出的激光调整为平行光，输出的激光经过起偏器2变为线偏振光，再经过准直装置3调整为平行准直光。
40.本高稳定性非接触式光声传感装置在使用时，具体包括以下步骤：
41.采用单频激光器1作为激光源，使用高度尺、导光镜组将单频激光器1输出的激光调整为平行光，输出的激光经过起偏器2后变为线偏振光、经过准直装置3调整为平行准直光；
42.可利用光阑将平行准直光正入射至半波片4和第一偏振分光棱镜5上，经过第一偏振分光棱镜5分为反射、投射的两束激光，具体的为：采用s偏振光(反射)作为本底光、采用p偏振光(透射)为探针光；
43.本底光通过聚焦透镜6耦合进入50/50分束光纤7内，在分束光纤输出端口处设有功率计，通过功率计调整聚焦透镜6的位置，使得从50/50分束光纤7输出的激光功率最大；
44.探针光正入射至第二偏振分光棱镜8、四分之一波片9、第一非球面镜11后垂直聚焦到待测样品的甘油液面12上；具体的为：调整第一非球面镜11，使其与甘油液面12的距离约等于第一非球面镜11的焦距，调整位于四分之一波片9与第一非球面镜11之间的导光镜10，使从四分之一波片9透过的激光垂直入射到甘油液面12；
45.由甘油液面12反射的探针光再反向依次经过第一非球面镜11、导光镜10、四分之一波片9，此时探针光的偏振方向变为s偏振光，经第二偏振分光棱镜8反射的探针光通过第二非球面镜13耦合进入50/50分束光纤7内；
46.将50/50分束光纤7输出端与平衡探测器14连接，即可探测在待测样品内部激发的光声信号。
47.本高稳定性非接触式光声传感装置，探针光依次经过第二偏振分光棱镜8、四分之一波片9、导光镜10、第一非球面镜11后垂直聚焦至涂在待测样品的甘油液面12，之后反射的探针光依次经过第一非球面镜11、导光镜10、四分之一波片9后在第二偏振分光棱镜8上发生反射，最后经第二非球面镜13耦合进入50/50分束光纤7内；
48.因此通过偏振分光棱镜8、四分之一波片9、第一非球面镜11、第二非球面镜13和一根50/50分束光纤7实现光声信号的高稳定性探测，即当探针光经第二非球面镜13聚焦后的角度在光纤的数值孔径允许入射范围内时，入射激光可以被耦合进50/50分束光纤7内，第一非球面镜11和第二非球面镜13使得近轴光线和远轴光线形成的焦点位置重合，有效解决因甘油液面12晃动导致探针光偏移原光路而造成探测到的光声信号保真度下降的问题，大大降低因外界和扫描电机震动导致涂在待测样品表面甘油液面12的晃动对反射探针光光路的影响，在不引入其他振动源的条件下，提高探测的光声信号的稳定性，进而提升重建的光声图像质量，除此之外，该技术方案可以降低搭建这类传感器的难度。