一种集成光波导器件、内窥探头及全光光声内窥传感系统的制作方法

本发明涉及光声内窥成像领域，更具体的说，涉及一种集成光波导器件、内窥探头及全光光声内窥传感系统。

背景技术：

1、在重大疾病发生初期进行早诊早治，是提高重大疾病治愈率、减轻患者经济负担和降低痛苦的有效手段。随着光学成像技术的发展，光声成像（photoacoustic imaging,以下简称pai）是一种无损、非侵入、高灵敏的新型医学成像技术。光声探测是pai中的重要技术，通过利用超声换能器实现，在腔内，pai结合光纤内窥的光声内窥镜(photoacousticendoscopy, 以下简称pae)的复杂的应用环境对压电换能器的小型化提出来越来越高的要求，这也促进了压电换能器的发展，压电换能器的灵敏度与器件尺寸的二次方成正比，检测限与器件尺寸成反比，而压电换能器具有较高的检测限，从而导致图像噪声。另外压电换能器的不透明性也需要在pae的设计中进一步小型化，这些会限制pae的灵敏度和检测频率带宽。另外超声或光声传感与脉冲光传输不同光纤或媒介中传输的内窥也导致内窥尺寸增加。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出一种集成光波导器件、内窥探头及全光光声内窥传感系统。集成光波导器件能够实现可调谐光信号和脉冲光信号分波，实现光信号各自的功能，并利用反射器将携带传感信息的可调谐光信号输出，采用高折射率差的波导，结构尺寸也更加紧凑。且由集成光波导器件制成的内窥探头结构更加紧凑，空间利用率高，可批量生产，重复率高，灵敏度高，纵向分辨率高，体积小，集成度高，可以在内腔等狭小空间中进行使用，进而扩大pae的应用范围。

2、本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

3、一种集成光波导器件，芯层的折射率大于包层的折射率；

4、并且，

5、当衬底的折射率小于芯层的折射率时，从下到上依次包括衬底、包层和芯层；

6、当所述衬底的折射率不小于所述芯层的折射率时，从下到上依次包括衬底、缓冲层、包层和芯层；所述缓冲层的折射率小于所述芯层的折射率；

7、所述芯层上沿着光传输方向依次包括分波器，以及与所述分波器连接的第一波长传输区和传感反射区；

8、所述分波器用于将不同波长的光分开；

9、所述第一波长传输区用于实现脉冲光的传输；

10、所述传感反射区用于同时实现预设波长光信号的传输、反射或谐振，并监测谐振波长或反射波长的变化，进而监测环境参数的变化。

11、进一步地，所述第一波长传输区为脉冲光传输波导；

12、所述传感反射区的实现方式选自如下中的任意一种：

13、（1）所述传感反射区包括直波导与n个谐振波长均不相同的微环级联的传感结构，以及改变光传输方向的反射器件；n>1，n为整数；每个微环直径不同；

14、（2）所述传感反射区包括n个谐振波长均不相同的非对称马赫曾德尔干涉仪级联的传感结构，以及改变光传输方向的反射器件；n>1，n为整数；

15、（3）所述传感反射区包括n个反射波长均不相同的布拉格光栅级联的传感反射结构；n>1，n为整数。

16、进一步地，所述第一波长传输区包括脉冲光传输波导和光栅耦合器；

17、所述传感反射区的实现方式选自如下中的任意一种：

18、（1）所述传感反射区包括直波导与n个谐振波长均不相同的微环级联的传感结构，以及改变光传输方向的反射器件；n>1，n为整数；每个微环直径不同；

19、（2）所述传感反射区包括n个谐振波长均不相同的非对称马赫曾德尔干涉仪级联的传感结构，以及改变光传输方向的反射器件；n>1，n为整数；

20、（3）所述传感反射区包括n个反射波长均不相同的布拉格光栅级联的传感反射结构；n>1，n为整数。

21、进一步地，所述传感结构或传感反射结构整体呈现螺旋状，以使结构更加紧凑。

22、进一步地，所述改变光传输方向的反射器件为萨格纳克环；或者，

23、所述改变光传输方向的反射器件为镀在所述集成光波导器件的传感反射区出射端的金属薄膜，以保证集成光波导器件的输入输出端共用一个端口，减小器件结构。

24、采用萨克纳克环或金属反射薄膜器件，使单根光纤结合集成光学器件能同时实现对脉冲光信号与可调谐光信号的分波，以及携带光声信号的可调谐光信号的反向传输与接收，使内窥探头结构更加紧凑，降低了内窥探头的尺寸。

25、进一步地，所述包层的材料选自柔性pdms薄膜、bcb薄膜、su-8薄膜和epoclad薄膜中的任意一种，这些弹性薄膜能够增加光声波或声波对波导器件有效折射率的改变，获得更高的检测灵敏度，同时保护波导，减少对波导的损伤、波导污染，以及降低传输损耗；所述芯层选自铌酸锂、si、si3n4和硫族化合物中的任意一种，因为这些材料具有较高的折射率差，传输损耗低，使得集成光波导器件具有更加紧凑的结构，能够在大角度范围内进行超声探测，通过降低器件损耗实现更高灵敏度的探测。

26、一种包含集成光波导器件的内窥探头，还包括塑料套管、金属弹簧、金属套管、单通道双包层光纤阵列和侧向传输光纤；

27、所述侧向传输光纤选自无心光纤或渐变折射率多模光纤中的任意一种或多种的组合；

28、所述金属弹簧、金属套管、单通道双包层光纤阵列均位于所述塑料套管内部；所述集成光波导器件、侧向传输光纤位于所述金属套管内；

29、所述金属弹簧一端固连在所述塑料套管的内端面，另一端与所述金属套管固连；所述单通道双包层光纤阵列贯穿所述金属弹簧，并伸入所述金属套管内，与所述集成光波导器件的一端固连；所述集成光波导器件的另一端与所述侧向传输光纤的一端固连；所述侧向传输光纤的另一端处理成倾斜的平面，作为全反射面；所述全反射面磁控溅射或蒸镀一层增强反射效率的金属薄膜。

30、一种包含集成光波导器件的内窥探头，还包括塑料套管、金属弹簧、金属套管和单通道双包层光纤阵列；

31、所述金属弹簧、金属套管和单通道双包层光纤阵列位于所述塑料套管内部；所述集成光波导器件位于所述金属套管内；

32、所述金属弹簧一端固连在所述塑料套管的内端面，另一端与所述金属套管固连；所述单通道双包层光纤阵列贯穿所述金属弹簧，并伸入所述金属套管内，与所述集成光波导器件的一端固连。

33、进一步地，所述单通道双包层光纤阵列和所述集成光波导器件的连接端均被研磨和抛光成8°角。

34、一种基于集成光波导技术的全光光声内窥传感系统，包括激光器一、光纤起偏器、偏振控制器、光纤环形器、激光器二、合波器、连接器、光电探测器、放大器、数据采集卡、数据处理终端，以及内窥探头；

35、所述激光器一与所述光纤起偏器、偏振控制器依次连接；

36、所述光纤环形器包含沿着顺时针方向连接的端口一、端口二和端口三，用于将携带有光声信号的光信号与输入所述光纤环形器的窄带可调谐光信号分开；

37、所述偏振控制器与所述光纤环形器的端口一连接，所述合波器与光纤环形器的端口二连接，所述光纤环形器的端口三与所述光电探测器连接；

38、所述合波器的输入端口还与所述激光器二连接，所述合波器的输出端口、连接器、内窥探头依次连接；

39、所述光电探测器、放大器、数据采集卡、数据处理终端依次连接，所述光电探测器用于将携带光声信号的光信号转换为电信号；所述数据采集卡用于对所述光电探测器输出的电压信号进行模数转换并上传到数据处理终端；所述数据处理终端用于对所述数据采集卡采集到的信息进行处理，得到样品的信息；

40、所述连接器内置用于旋转和平移所述内窥探头的装置；

41、所述激光器一为可调谐激光器或光频梳，用于输出探测光声信号的光信号，通过所述传感反射区把光声信号探测转换为对光信号的测量，提高性能；

42、所述激光器二为脉冲激光器。

43、本发明的有益效果如下：

44、1. 本发明的集成光波导器件的输入输出共用一个端口，减小了尺寸；另外，该集成光波导器件能够实现液体传感、生物分子传感和气体传感。除此之外，还可以用于光通信与微波光子中的光信号的延迟和滤波的功能。

45、2. 本发明采用集成光波导器件的内窥探头，光声光信号和脉冲光信号共用一根双包层光纤，光纤芯层用于传输传感光信号，光纤内包层用于传输脉冲光信号，降低了内窥探头的尺寸，在器件结构和个数相同的情况下，所占尺度更小，进而进一步缩小内窥探头尺寸，可以在内腔等狭小空间中使用，进而扩大全光pae的应用范围。且采用集成光波导器件的内窥探头可批量生产、重复率高、灵敏度高、纵向分辨率高、体积小、集成度高、成本低。

46、3. 相对于现有的采用两根光纤分别传输传感光信号和脉冲光信号，本发明的全光光声内窥传感系统，采用集成光波导技术的内窥探头，该系统采用全光学的探测方法，结合了双包层光纤内窥镜的优势。通过这种设计，仅需一根光纤即可同时传输传感用光信号和脉冲光信号，且在内窥探头的远端将这两种光信号有效分离。光带宽是超声信号带宽的105倍以上，与传统的压电探测器相比，基于集成光波导器件的检测方式允许在更宽的频带上进行更高灵敏的超声检测，提供更宽的检测带宽，光声信号中的高频成分对于实现pae高的轴向分辨率至关重要，更高的检测带宽提高了轴向分辨率以及提高了pae的饱和限。集成光学器件检测压力变化的灵敏度与q因子和波长成正比，更高的q因子和更长的波长有助于提高检测灵敏度，比如利用微环谐振，有效光程长度被放大1000倍以上，进而实现高灵敏度的超声探测。因此，本发明的全光pae，与采用压电换能器的传统pae相比，具有更高的检测灵敏度、低噪声等效压力、高纵向分辨率和高检测频率带宽。