用于显微成像的单根光纤共振型压电扫描器

摘要

为了推动扫描式显微光学成像方法在临床医学应用和生物学研究中发挥更重要的作用，本文围绕单光纤共振型压电扫描器研制过程中的关键科学技术问题展开了深入研究，并系统地论述了该扫描器的原理、方法、技术和应用。突破了单根光纤共振型压电扫描器的当前开发制作过程中所具有的试探性和盲目性，研究了该扫描器的运行机制，确定了该扫描器性能的决定因素，为该扫描器的开发、设计、制作、评估提供了有效的科学指导依据。
　　本文取得的主要研究成果如下：
　　1)研究了扫描器各部件材料参数对关键形变参数和振动参数的影响，阐明了其间的定量关系。压电方管末端位移与压电片长度的平方成正比；与压电系数成正比；与外加电场成正比；与压电片的宽度和厚度均成负相关。扫描器悬臂振幅与光纤直径的平方成反比，与悬臂长度的开方成反比，与弹性模量的开方成反比。
　　2)采用耦合场数值仿真模型，研究了扫描器系统的输入输出响应机制。获得扫描器一阶到四十阶模态，确定了振动模态包括弦振动、悬臂振动、方管扭转、方管振动、和纵向缩放，明确了其中悬臂振动可提供有效光学扫描。获取结构在正弦激励下的稳态响应，获得了0~14kHz频谱上前四阶谐振频率的激励使系统产生的响应量。分析扫描器在惯性、阻尼等具有时间后效性因素作用下的行为。获得了螺旋式扫描的50个运动瞬态；获得了李萨如扫描的60个运动瞬态。
　　3)扫描器的设计实现了针对不同需求的个性化定制。面向在体临床内窥应用，开发了低电压小型化的扫描器，其直径2mm，驱动电压10V峰峰值；面向离体扫描成像应用，开发了具有较高连续性和均匀性的网格式扫描器件，其具有稳定的行扫描速率879Hz和帧速率3Hz；面向非线性光学成像应用，开发了具有较小非线性光学效应和较高采集效率的扫描器件，在52mW功率输出脉宽175fs，封装后探头直径3.5mm，该探头首创采用小尺寸单根光纤共振型压电扫描器驱动350μm直径光纤获得大于1mm振动范围。
　　总之，本文针对显微光学成像系统的应用需求，开展了单光纤共振型压电扫描器的理论与实验研究。讨论了扫描器运行机制的关键问题，提出了完整的实施方案，获得了原型系统并实现了成像应用。本文工作为单根光纤共振型压电扫描器实现更加广泛的应用提供了基础。

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1 绪 论

1.1 生物医学内窥检测技术

1.2 光纤共振式压电扫描器

1.3 本文的选题背景

1.4 本文的主要研究内容

2扫描器中压电元件的形变致动

2.1 压电效应

2.2 影响扫描特性的压电参数

2.3 压电位移驱动方式

2.4 压电元件形变

2.5 本章小结

3 光纤悬臂的共振行为特性

3.1 光纤悬臂单自由度振动

3.2 光纤悬臂的形变

3.3 光纤悬臂的振动

3.4 光纤振动过程的能量特性

3.5 本章小结

4扫描器系统响应关系

4.1 扫描器结构仿真建模的数学原理

4.2 扫描器中多物理场耦合关系

4.3 扫描器整体建模

4.4 扫描器响应特性分析

4.5 本章小结

5扫描器的制备、驱动、测试与封装

5.1材料选择

5.2 制备方法

5.3 驱动方法

5.4 性能测试

5.5 微型探头

5.5 本章小结

6单光纤共振型压电扫描器的应用

6.1 螺旋式扫描成像

6.2 网格式扫描成像

6.3 非线性光学成像

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 本文主要创新点

7.3 前景展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表的论文