Оптоволоконный интерферометр и оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к классу устройств для исследования внутренней структуры объектов, и может быть использовано в медицине для диагностики состояния отдельных органов и систем человека, в частности, для оптической когерентной томографии, и в технической диагностике, например, для контроля технологических процессов. Сущность изобретения: в оптоволоконном интерферометре оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде оптоволоконной управляемой линии задержки с возможностью изменять оптическую длину плеча интерферометра, а следовательно, и разность оптических длин плеч по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра. Оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде оптоволоконной пьезоэлектрической управляемой линии задержки и содержит пьезокерамическую пластину, на противоположных поверхностях которой размещены электроды и оптическое волокно. Целесообразно выполнять пластину в форме диска, а волокно укладывать в форме спирали, что обеспечивает возможность изменения длины оптического волокна в широких пределах при безынерционности и малых габаритах преобразователя. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к классу устройств, используемых при исследовании внутренней структуры объектов, и может быть использован в медицинской диагностике состояния отдельных органов и систем человека и в технической диагностике, например, для контроля технологических процессов.

Оптоволоконные интерферометры применяются также в устройствах для исследования рассеивающих сред, в частности для оптической когерентной томографии биологических тканей (J.A.Izatt, J.G.Fujimoto et al. Optical coherence microscopy in scattering media. -OPTICS LETTERS/Vol. 19, N.8/April 15, 1994, p. 590-592, а также X.Clivaz et al. High resolution reflectometry in biological tissues. -OPTICS LETTERS/Vol. 17, N.1/January 1, 1992). В указанных работах описан оптоволоконный интерферометр Майкельсона, традиционно содержащий светорасщепитель, измерительное плечо, снабженное на конце оптическим зондом, и опорное плечо, включающее оптоволоконный пьезоэлектрический модулятор фазы и референтное зеркало, установленное на конце опорного плеча и соединенное со сканирующим элементом. Оптическая длина опорного плеча может изменяться в весьма широких пределах (не менее нескольких десятков рабочих длин волн интерферометра) за счет механического пошагового изменения положения референтного зеркала. Включение пьезоэлектрического модулятора фазы в плечо интерферометра позволяет при использовании интерферометра в устройстве для оптической когерентной томографии реализовать синхронный прием информационного сигнала и обеспечить тем самым достаточно высокую чувствительность измерений, а перемещение референтного зеркала позволяет осуществить сканирование исследуемого биологического объекта по глубине.

Известен оптоволоконный интерферометр (патент ЕПВ N 0 362 474 B 1, 17.03.93, Patentblatt 93/11), содержащий два светорасщепителя, измерительное и опорное плечи, а также оптоволоконную линию задержки, выполненную в виде петли оптического волокна, при этом измерительное плечо содержит модулятор фазы. Однако оптическая длина опорного плеча данного интерферометра фиксирована, что не позволяет использовать его в устройствах для оптической когерентной томографии.

Известен также оптоволоконный интерферометр для оптической когерентной томографии, выполненный в виде интерферометра Маха-Цендера (J.A.Izatt, J.G. Fujimoto et al. Micron-resolution Biomedical Imaging with optical coherence tomography. Optics Photonic News, October 1993, Vol. 1, p. 14-19), включающий измерительное и опорное плечи и два светорасщепителя. Данная реализация используется при измерении рассеянного излучения в плоскости, параллельной поверхности исследуемого образца, без сканирования по глубине, поэтому сканирующий элемент и референтное зеркало не используются. Для модуляции интерференционного сигнала в опорное плечо включен оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь.

Известен оптоволоконный интерферометр, выполненный в виде интерферометра Майкельсона и содержащий светорасщепитель, измерительное и опорное плечо, каждое из которых включает оптоволоконный пьезоэлектрический модулятор. Измерительное плечо снабжено на конце измерительным зондом, а на конце опорного плеча установлено референтное зеркало, соединенное со сканирующим элементом (X. J.Wang et al, Characterization of human scalp hairs by optical low coherence reflectometry. -OPTICS LETTERS/Vol. 20, N. 5, 1995, pp. 524-526). Сигналы модулируются в обоих плечах интерферометра, при этом относительный сдвиг фазы обеспечивается обоими оптоволоконными пьезоэлектрическими преобразователями. Оптическая длина измерительного плеча изменяется на величину не менее нескольких десятков рабочих длин волн интерферометра путем перемещения референтного зеркала.

Недостатком вышеописанных оптоволоконных интерферометров является то, что применяемое для сканирования по глубине исследуемого объекта механическое пошаговое перемещение референтного зеркала не позволяет исследовать среды, для которых характерное время изменения характеристик или положения относительно оптического зонда меньше, чем время, требующееся для измерений, по которым может быть достоверно восстановлен исследуемый профиль. Ясно, что при этом затруднены исследования тканей in vivo, поскольку их приходится жестко фиксировать, а для некоторых видов тканей, например, для тканей глаза человека, это невозможно.

В статье J.F.Izatt, J.G.Fujimoto et al. описан волоконный интерферометр, применяемый для оптической когерентной томографии, выполненной в виде интерферометра Макельсона и содержащий светорасщепитель, измерительное плечо, снабженное на конце измерительным зондом, и опорное плечо, на конце которого с возможностью перемещения с постоянной скоростью установлено референтное зеркало, соединенное со сканирующим элементом. Это позволяет осуществить сканирование по глубине, сокращает время измерений по сравнению с пошаговым перемещением референтного зеркала и исключает необходимость применения пьезоэлектрического модулятора, так как при приеме информативного сигнала используется доплеровский сдвиг частоты сигнала в опорном плече, обусловленный перемещением с постоянной скоростью референтного зеркала.

Известен также оптоволоконный интерферометр, входящий в состав устройства для оптической когерентной томографии (In vivo optical coherence tomography of human skin microstructure. A.Sergeev et al, Proc. SPIE, v. 2328, 1994, p. 144). Интерферометр содержит светорасщепитель и измерительное и опорное плечо, при этом измерительное плечо снабжено на конце оптическим зондом, а в опорном плече интерферометра установлен элемент для изменения оптической длины этого плеча. Этот элемент может быть выполнен как в виде оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя, так и в виде установленного на конце опорного плеча референтного зеркала, выполненного с возможностью перемещения с заданной скоростью вдоль оптической оси интерферометра и соединенного со сканирующим элементом.

Ближайшим аналогом разработанного интерферометра является оптоволоконный интерферометр, известный по патенту США N 5321501, опублик. 14.01.94. Интерферометр содержит светорасщепитель, оптически связанный с измерительным и опорным плечами, каждое из которых включает волоконную часть. Одно из плеч интерферометра содержит сканирующий элемент, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра. В одном из вариантов интерферометра сканирующий элемент выполнен в виде устройства, обеспечивающего механическое перемещение референтного зеркала, в другом варианте сканирующий элемент выполнен в виде устройства, обеспечивающего соответствующее механическое перемещение исследуемого объекта. Одно из плеч интерферометра включает оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде управляемой оптоволоконной линии задержки. Оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь обеспечивает изменение оптической длины плеча интерферометра, в котором он установлен, в пределах от долей до единиц рабочей длины волны интерферометра и обеспечивает дополнительную фазовую модуляцию оптического сигнала, которая используется либо для обеспечения синхронного приема, либо для повышения чувствительности при доплеровском приеме. Измерительное плечо снабжено оптическим зондом.

Недостатком этого интерферометра, также как и интерферометров по ст. J. A.Izatt, J.G.Fujimoto et al. по ст. A.Sergeev et al. является то, при использовании интерферометра в составе устройства для оптической когерентной томографии при исследовании внутренней структуры объектов механическое перемещение зеркала с постоянной скоростью существенно повышает требования к точности механического сканирования. Кроме того, при исследованиях тканей in vivo инерционность механической системы сканирования накладывает те же ограничения, что и пошаговое перемещение опорного зеркала, вследствие чего не удается исследовать объекты, для которых характерное время изменения характеристик или положения относительно оптического зонда меньше, чем время, требующееся для измерений, по которым может быть достоверно восстановлен исследуемый профиль. Изменение оптической длины волоконной части опорного плеча с помощью оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя позволяет сканировать достаточно быстро, но на меньшую глубину.

Известен оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь, который содержит цилиндр, выполненный из пластического материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, в объеме которого размещено оптическое волокно в форме катушки, ось которой совпадает с продольной осью цилиндра. Преобразователь снабжен электродами, размещенными на противоположных основаниях цилиндра (заявка ЕПВ N 0 356 056 A1, опублик. 28.02.90).

Однако поскольку увеличение диаметра катушки прямо пропорционально отношению поперечного размера цилиндра к продольному, которое в данном случае невелико, длина оптического волокна в нем может изменяться лишь на небольшую величину (порядка единиц рабочих длин волн), кроме того, относительно большая масса цилиндра обусловливает его инерционность. Это не позволяет использовать этот оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь в оптоволоконных интерферометрах для обеспечения как необходимой глубины сканирования, так и скорости измерений.

Ближайшим аналогом разработанного оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя является оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь, известный по заявке ЕПВ N 0 460 635 A 2, опублик. 11.12.91. Он содержит пьезокерамическую пластину, на первой и второй противоположных поверхностях которой размещены электроды, и оптическое волокно, часть которого прикреплена к одной из поверхностей пьезокерамической пластины с возможностью изменения его длины. Такая конструкция существенно менее инерционна и обеспечивает большее удельное удлинение оптического волокна чем описанная выше за счет выполнения пьезоэлектрической части в виде тонкой пластины. При этом большое абсолютное удлинение оптического волокна достигается путем последовательного соединения большого числа пьезоэлектрических элементов.

Однако этот оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь, будучи выполненным на одной пластине, не обеспечивает достаточного абсолютного удлинения оптического волокна плеча интерферометра, входящего в состав устройства для оптической когерентной томографии биологических тканей in vivo, а при использовании последовательного соединения большого числа пьезоэлектрических элементов возрастают габариты преобразователя и существенно усложняется система управления.

Таким образом задача изобретения создание оптоволоконного интерферометра, позволяющего при его использовании в составе устройства для оптической когерентной томографии исследовать на достаточную глубину среды, для которых характерное время изменения характеристик или положения относительно оптического зонда мало, например, как при исследовании тканей in vivo.

Другой задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя, пригодного для использования в оптоволоконном интерферометре для обеспечения необходимой глубины сканирования сред, для которых характерное время изменения характеристик или положения относительно оптического зонда мало, например, как при исследовании тканей in vivo.

Сущность разработанного оптоволоконного интерферометра заключается в том, что он так же, как и ближайший аналог, содержит светорасщепитель, оптически связанный с измерительным и опорным плечами, каждое из которых включает волоконную часть. Одно из плеч интерферометра, например, опорное, содержит сканирующий элемент, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра, а также первый оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде управляемой оптоволоконной линии задержки. Измерительное плечо снабжено оптическим зондом.

Новым в разработанном интерферометре является то, что первый оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь выполняет функцию упомянутого сканирующего элемента.

В частном случае первый оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь включает пьезоэлектрическую пластину, на первой и второй противоположных поверхностях которой размещены электроды, а волоконная часть соответствующего плеча интерферометра прикреплена по меньшей мере к одной поверхности пьезокерамической пластины с возможностью изменения длины этого плеча.

В конкретной реализации этого частного случая длина волоконной части соответствующего плеча интерферометра превышает диаметр пьезокерамической пластины.

В другой конкретной реализации волоконная часть соответствующего плеча интерферометра уложена спиралью.

В другой конкретной реализации волоконная часть соответствующего плеча интерферометра прикреплена к соответствующей поверхности пьезокерамической пластины по всей своей длине.

В другом частном случае пьезокерамическая пластина имеет форму диска.

В другом частном случае измерительное и опорное плечи интерферометра выполнены с возможностью противофазового изменения их оптических длин, при этом другое плечо интерферометра, например, измерительное, дополнительно включает второй оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь.

В другом частном случае второй оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь выполнен аналогично первому оптоволоконному пьезоэлектрическому преобразователю.

В конкретной реализации оптоволоконный интерферометр выполнен на анизотропном волокне.

Сущность разработанного оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя заключается в том, что он так же, как и ближайший аналог, содержит пьезокерамическую пластину, на первой и второй противоположных поверхностях которой размещены электроды, и оптическое волокно, первая часть которого прикреплена к первой поверхности пьезокерамической пластины с возможностью изменения его длины.

Новым в разработанном оптоволоконном пьезоэлектрическом преобразователе является то, что он выполнен в виде оптоволоконной пьезоэлектрической управляемой линии задержки, при этом длина первой части оптического волокна превышает диаметр пьезокерамической пластины.

В частном случае первая часть оптического волокна на первой поверхности пьезокерамической пластины уложена спиралью.

В другом частном случае первая часть оптического волокна прикреплена к первой поверхности пьезокерамической пластины по всей своей длине.

В другом частном случае к второй поверхности пьезокерамической пластины прикреплена вторая часть оптического волокна.

В другом частном случае длина второй части оптического волокна превышает диаметр пьезокерамической пластины.

В конкретной реализации вторая часть оптического волокна уложена спиралью.

В другой конкретной реализации вторая часть оптического волокна прикреплена к второй поверхности пьезокерамической пластины по всей своей длине.

В другой конкретной реализации пьезокерамическая пластина имеет форму диска.

В частном случае волоконные части оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя выполнены на анизотропном волокне.

В разработанном оптоволоконном интерферометре оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде оптоволоконной управляемой линии задержки с возможностью изменения оптической длины плеча интерферометра по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра и выполняет функцию сканирующего элемента. Это достигается тем, что волоконная часть плеча интерферометра размещена по меньшей мере на одной из противоположных поверхностей пьезокерамической пластины пьезоэлектрического преобразователя и прикреплена к ней. Это обеспечивает необходимый технический результат возможность практически безинерционного высокоскоростного изменения оптической длины плеча интерферометра, а следовательно, и разности оптических длин плеч по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра. Укладка оптического волокна спиралью позволяет уменьшить габариты интерферометра, а прикрепление оптического волокна по всей длине обеспечивает максимальное изменение длины волокна и, кроме того, сводит к минимуму влияние неоднородностей, вносимых в параметры волокна, особенно нежелательные при применении анизотропного волокна. Все это позволяет использовать разработанный оптоволоконный интерферометр для когерентной оптической томографии, в частности для исследования сред, для которых характерное время изменения характеристик или положения относительно оптического зонда весьма мало (порядка секунды). Выполнение измерительного и опорного плеч интерферометра с возможностью противофазного изменения их оптических длин усиливает указанный технический результат. Выполнение же второго оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя аналогично первому позволяет вдвое увеличить пределы сканирования по глубине исследуемого объекта. Выполнение оптоволоконного интерферометра на анизотропном волокне исключает необходимость контроля поляризации в процессе проведения измерений с помощью разработанного оптоволоконного интерферометра.

Разработанный оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде оптоволоконной пьезоэлектрической управляемой линии задержки. При этом реализовано превышение длиной оптического диаметра пластины, а также прикрепление оптического волокна к двум поверхностям пластины, выполнение пластины в форме диска, а волоконной части в форме спирали, и прикрепление оптического волокна к поверхности пластины по всей его длине. Это обеспечивает необходимый технический результат возможность изменения длины оптического волокна в широких пределах при безынерционности и малых габаритах преобразователя. Это позволяет использовать его в оптоволоконном интерферометре, в частности для когерентной оптической томографии, для обеспечения необходимой глубины сканирования сред, для которых характерное время измерения характеристик или положения относительно оптического зонда мало, например, как при исследовании тканей in vivo.

На фиг. 1 и 2 приведены структурные схемы разработанного оптоволоконного одномодового интерферометра в соответствии с пп. 1, 8 формулы изобретения; на фиг. 3 5 показаны конкретные реализации разработанного оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя (на фиг. 3 вид сверху и поперечное сечение преобразователя по п. 10; на фиг. 4 вид сверху преобразователя по п. 11; на фиг. 5 вид сверху и поперечное сечение одной из конкретных реализаций преобразователя по п. 17).

Оптоволоконный интерферометр (фиг. 1) выполнен в виде интерферометра Майкельсона и содержит оптически связанные светорасщепитель 1 и измерительное и опорное плечи 2, 3 соответственно, включающие волоконные части 4, 5 соответственно. Измерительное плечо 2 снабжено на конце оптическим зондом 6, а опорное плечо 3 включает оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь 7. Оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь 7 выполняет функцию сканирующего элемента интерферометра и выполнен в виде оптоволоконной управляемой линии задержки с возможностью изменения оптической длины плеча 3 по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра. Опорное плечо 3 включает на конце неподвижное референтное зеркало 8. Интерферометр содержит также источник управляющего напряжения, подключенный к оптоволоконному пьезоэлектрическому преобразователю 7 (не показан).

Оптоволоконный интерферометр (фиг. 2) также выполнен в виде интерферометра Майкельсона и содержит оптически связанные светорасщепитель 1 и измерительное и опорное плечи 2, 3 соответственно, включающие волоконные части 4, 5 соответственно. Измерительное плечо 2 снабжено на конце оптическим зондом 6, а опорное плечо 3 включает неподвижное референтное зеркало 8. Измерительное и опорное плечи 2, 3 включают соответственно оптоволоконные пьезоэлектрические преобразователи 9, 7. При этом оптоволоконные пьезоэлектрические преобразователи 9, 7 выполняют функцию сканирующего элемента и выполнены каждый в виде оптоволоконной управляемой линии задержки с возможностью изменения оптической длины соответствующего плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра. Интерферометр содержит также источник управляющего напряжения, к которому оптоволоконные пьезоэлектрические преобразователи 7, 9 подключены в противофазе (не показано).

Оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь (фиг. 3) содержит пьезокерамическую пластину 10, на противоположных поверхностях 11, 12 которой размещены электроды 13. Преобразователь содержит также оптическое волокно 14, первая часть 15 которого прикреплена к первой поверхности 11 пьезокерамической пластины 10 с возможностью изменения его длины. Длина первой части 15 оптического волокна 14 превышает диаметр пьезокерамической пластины 10.

В оптоволоконном пьезоэлектрическом преобразователе (фиг. 4) первая часть 15 оптического волокна 14 уложена спиралью.

В оптоволоконном пьезоэлектрическом преобразователе (фиг. 5) оптическое волокно 14 прикреплено к первой поверхности 11 и к второй поверхности 12 пьезокерамической пластины 10. Длина первой и второй частей 15, 16 соответственно оптического волокна 14 превышает диаметр пьезокерамической пластины 10. При этом первая и вторая части 15, 16 соответственно оптического волокна 14 уложены спирально. В оптоволоконном пьезоэлектрическом преобразователе по фиг. 5 пьезокерамическая пластина 10 имеет форму диска.

В конкретной реализации первая часть 15 оптического волокна 14 прикреплена к первой поверхности 11 пьезокерамической пластины 10 по всей своей длине (не показано).

В другой конкретной реализации вторая часть 16 оптического волокна 14 прикреплена к второй поверхности 12 пьезокерамической пластины 10 по всей своей длине (не показано).

В качестве оптического волокна 14, а также для волоконных частей 4, 5 соответственно, плеч 2, 3 разработанного оптоволоконного интерферометра может использоваться оптическое волокно типа PANDA.

Пьезоэлектрическая пластина 10 может быть выполнена из пьезоэлектрика, характеризующегося высоким поперечным обратным пьезоэффектом, например, типа ЦТБС-1.

При этом отношение диаметра пластины 10 к ее толщине определяется из условия обеспечения необходимого увеличения длины первой и/или второй частей 15, 16 оптического волокна 14 с учетом конкретной конфигурации первой и/или второй частей 15, 16 оптического волокна 14.

Электроды 12, 13 выполняются из металла, например, серебра.

Оптический зонд 6 представляет собой линзовую систему, предназначен для фокусировки излучения на исследуемом объекте и обратного ввода рассеянного излучения в измерительное плечо 2 и должен быть оптически связан с волоконной частью 4 измерительного плеча 2.

Разработанный оптоволоконный интерферометр (фиг. 1) работает следующим образом.

Входное излучение (источником которого может быть, например, низкокогерентный источник оптического излучения, в частности суперлюминесцентный источник ИК-диапазона частот с длительностью когерентности ≅ 30 фс) поступает на светорасщепитель 1. Светорасщепитель 1 осуществляет ввод излучения в плечи 2, 3 интерферометра. Излучение по волоконной части 4 измерительного плеча 2 поступает на оптический зонд 6, а по волоконной части 5 опорного плеча 3 на референтное зеркало 8. При этом оптический зонд 6 фокусирует излучение на исследуемом объекте и одновременно осуществляет обратный ввод рассеянного исследуемым объектом излучения в волоконную часть 4 измерительного плеча 2 интерферометра, а референтное зеркало 8 отражает падающее на него излучение обратно в волоконную часть 5 опорного плеча 3. Излучение, рассеянное исследуемым объектом, по волоконной части 4 измерительного плеча 2 поступает на светорасщепитель 1, где интерферирует с отраженным референтным зеркалом 8 излучением, поступающим на свторасщепитель 1 по волоконной части 5 опорного плеча 3. Поскольку пьезоэлектрический преобразователь 7 выполнен в виде оптоволоконной управляемой линии задержки с возможностью изменения оптической длины опорного плеча 3 интерферометра по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра, т.е. выполняет функцию сканирующего элемента, то при управлении источником управляющего напряжения (не показан) пьезоэлектрический преобразователь 7 обеспечивает изменение оптической длины опорного плеча 3 интерферометра, а следовательно, и изменение разности оптических длин измерительного и опорного плеч 2, 3 интерферометра в соответствии с законом изменения управляющего напряжения в пределах, необходимых для осуществления сканирования исследуемого объекта по глубине. В случае применения оптоволоконного интерферометра (фиг. 1) в устройстве для когерентной оптической томографии информативным параметром является зависимость интенсивности интерференционного сигнала от разности оптических длин плеч.

Разработанный оптоволоконный интерферометр (фиг. 2) работает аналогично оптоволоконному интерферометру (фиг. 1). В реализации (фиг. 2) второй оптоволоконный пъезоэлектрический преобразователь 9 так же, как и первый 7, выполнен в виде оптоволоконной управляемой линии задержки с возможностью изменения оптической длины измерительного плеча 2 интерферометра по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра, т.е. выполняет функцию сканирующего элемента. Поэтому при управлении источником управляющего напряжения (не показан) оба пьезоэлектрических преобразователя 9, 7 подключены к источнику управляющего напряжения в противофазе, обеспечивают соответствующее закону изменения управляющего напряжения изменение разности оптических длин измерительного и опорного плеч 2, 3 интерферометра в пределах, вдвое превышающих пределы этого изменения в реализации по фиг. 1.

Разработанный оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь (фиг. 3 5) работает следующим образом.

Оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде оптоволоконной пьезоэлектрической управляемой линии задержки. Управляющее напряжение от источника (не показан) поступает на электроды 13, которые обеспечивают возникновение на первой и второй поверхностях 11, 12 пьезоэлектрической пластины 10 разности потенциалов (ϕ), вызывающей в пластине 10 поперечный обратный пьезоэлектрический эффект. При этом абсолютное изменение (ΔR) диаметра первой поверхности 11 пластины 10 определяется выражением где R 1/2 диаметра первой поверхности 11 пластины 10; h толщина пластины 10; d₃₃ пьезоэлектрический модуль.

Увеличение площади первой поверхности 11 пластины 10 в соответствии с законом изменения управляющего напряжения обусловливает соответствующее растяжение прикрепленной к первой поверхности 11 первой части 15 оптического волокна 14. Поскольку длина первой части 15 оптического волокна 14 может существенно превышать диаметр первой поверхности 11 пьезокерамической пластины 10, абсолютное удлинение первой части 15 оптического волокна 14 много больше ΔR и зависит от вида ее укладки на первой поверхности. В соответствии с приведенным выражением при прикреплении к первой поверхности 11 пластины 10 около 15 м оптического волокна можно получить абсолютное удлинение волокна на величину около 1,5 мм. Таким образом абсолютное удлинение первой части 15 оптического волокна 14 может достигать по меньшей мере несколько десятков длин волн излучения. Это позволяет использовать оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь в разработанном оптоволоконном интерферометре, где он выполняет функцию сканирующего элемента, что обеспечивает необходимую глубину сканирования сред, для которых характерное время изменения характеристик или положения относительно оптического зонда мало, например, как при исследовании тканей in vivo.

В оптоволоконном пьезоэлектрическом преобразователе (фиг. 4) первая часть 15 оптического волокна 14 уложена спиралью. Это позволяет существенно уменьшить габариты оптоволоконного пьезоэлектрического преобразователя, а следовательно, и габариты разработанного оптоволоконного интерферометра. В реализации (фиг. 5) размещение первой и второй частей 15, 16 оптического волокна 14, уложенных спиралью, на обеих поверхностях 11, 12 пластины 10 позволяет дополнительно увеличить пределы сканирования по глубине исследуемого объекта.

Формула изобретения

1. Оптоволоконный интерферометр, содержащий светорасщепитель, оптически связанный с измерительным и опорным плечами, каждое из которых включает волоконную часть, при этом одно из плеч интерферометра содержит сканирующий элемент, выполненный с возможностью изменения оптической длины этого плеча по меньшей мере на несколько десятков рабочих длин волн интерферометра, а также первый оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде управляемой оптоволоконной линии задержки, а измерительное плечо снабжено оптическим зондом, отличающийся тем, что первый оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь выполняет функцию упомянутого сканирующего элемента.

2. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что первый оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь включает пьезокерамическую пластину, на первой и второй противоположных поверхностях которой размещены электроды, а волоконная часть соответствующего плеча интерферометра прикреплена по меньшей мере к одной поверхности пьезокерамической пластины с возможностью изменения длины этого плеча.

3. Интерферометр по п.2, отличающийся тем, что длина волоконной части соответствующего плеча интерферометра превышает диаметр пьезокерамической пластины.

4. Интерферометр по п.2 или 3, отличающийся тем, что волоконная часть соответствующего плеча интерферометра уложена спиралью.

5. Интерферометр по п.2, или 3, или 4, отличающийся тем, что волоконная часть соответствующего плеча интерферометра прикреплена к соответствующей поверхности пьезокерамической пластины по всей своей длине.

6. Интерферометр по п.2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что пьезокерамическая пластина имеет форму диска.

7. Интерферометр по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что измерительное и опорное плечи интерферометра выполнены с возможностью противофазного изменения их оптических длин, при этом другое плечо интерферометра дополнительно включает второй оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь.

8. Интерферометр по п. 7, отличающийся тем, что второй оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь выполнен аналогично первому пьезоэлектрическому преобразователю.

9. Интерферометр по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, отличающийся тем, что оптоволоконный интерферометр выполнен на анизотропном волокне.

10. Оптоволоконный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезокерамическую пластину, на первой и второй противоположных поверхностях которой размещены электроды, и оптическое волокно, первая часть которого прикреплена к первой поверхности пьезокерамической пластины с возможностью изменения его длины, отличающийся тем, что он выполнен в виде оптоволоконной пьезоэлектрической управляемой линии задержки, при этом длина первой части оптического волокна превышает диаметр пьезокерамической пластины.

11. Преобразователь по п.10, отличающийся тем, что первая часть оптического волокна уложена спиралью.

12. Преобразователь по п.10 или 11, отличающийся тем, что первая часть оптического волокна прикреплена к первой поверхности пьезокерамической пластины по всей своей длине.

13. Преобразователь по п. 10, или 11, или 12, отличающийся тем, что к второй поверхности пьезокерамической пластины прикреплена вторая часть оптического волокна.

14. Преобразователь по п.13, отличающийся тем, что длина второй части оптического волокна превышает диаметр пьезокерамической пластины.

15. Преобразователь по п.13 или 14, отличающийся тем, что вторая часть оптического волокна уложена спиралью.

16. Преобразователь по п.13, или 14, или 15, отличающийся тем, что вторая часть оптического волокна прикреплена к второй поверхности пьезокерамической пластины по всей своей длине.

17. Преобразователь по п.10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, отличающийся тем, что пьезокерамическая пластина имеет форму диска.

18. Преобразователь по п.10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, отличающийся тем, что оптическое волокно выполнено анизотропным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Гладкова Наталья Дорофеевна, Институт прикладной физики РАН, Геликонов Валентин Михайлович, Геликонов Григорий Валентинович, Сергеев Александр Михайлович, Фельдштейн Феликс Исаакович, Леонов Владимир Иннокентьевич

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): ООО "Биомедицинские технологии"

Договор № РД0008678 зарегистрирован 05.05.2006

Извещение опубликовано: 27.06.2006        БИ: 18/2006

* ИЛ - исключительная лицензия        НИЛ - неисключительная лицензия

---