[發明專利]一種高方向性光纖光聲換能器及方法

在審

• 申請號: 202011164058.1
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112317285A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 鐘凱;喬鴻展;鄭逸哲;王一凡;徐德剛;姚建銓
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B06B1/00
• 分類號: B06B1/00;G02B6/02;G02B6/255
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉子文

本發明公開一種高方向性光纖光聲換能器及方法，光纖光聲換能器包括依次設置的納秒脈沖激光器、透鏡和石英光纖：所述石英光纖的尾端設置有凹腔，所述凹腔內均勻分布有金納米顆粒，基于金納米顆粒共振吸收的光聲轉換原理，能夠將納秒脈沖激光轉換為超聲脈沖。本發明應用柔性光纖作為光聲換能器載體，與傳統壓電光聲換能器相比，結構簡單，使用靈活，利于小型化、集成化，還具有柔性和抗電磁干擾的特點。

技術領域

本發明涉及光聲換能技術領域，特別是涉及一種高方向性光纖光聲換能器及方法。

背景技術

超聲波指頻率高于20000Hz的聲波，具有穿透性強，易產生物理、化學、生物等效應的優點，因此在醫藥、機械、國防等領域廣泛應用。超聲波換能器是一種進行能量轉化的器件，可將一種形式的能量轉換為機械能，激發超聲信號。而傳統的超聲換能器主要有壓電式換能器、機械式換能器、磁至伸縮換能器、電容式換能器等，尺寸較大，工作結構復雜，操作不靈活，不易應用于微小環境中，高頻工作時耗能較高。

光聲效應是指物體在周期性變化的光照中產生聲信號的現象。當激光照射物體時，具有彈性的物體吸收熱能發生周期性的振動，將熱能轉化為機械能，激發聲信號。基于光聲效應產生的超聲波一般為MHz以上，為高頻超聲波，具有高方向性的優勢。目前基于光聲效應的超聲換能器主要有兩種，一種基于空間光激發，光路復雜，工作狀態不穩定，且激發點固定，無法靈活使用；一種基于光導纖維通光激發，具有緊湊的結構，較高的穩定性，有利于超聲設備的小型化、集成化，且具有抗電磁干擾，柔性的特點，但目前基于光導纖維的超聲換能器多為在光纖表面涂敷光聲涂料，超聲信號發射發散，沒有良好的方向性，不利于在微小環境中應用。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種高方向性光纖光聲換能器及方法，可以在超聲波精密清洗、納米流體防團聚、超聲基因導入以及超聲微流控等技術領域廣泛應用。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種高方向性光纖光聲換能器，包括依次設置的納秒脈沖激光器、透鏡和石英光纖：所述石英光纖的尾端設置有凹腔，所述凹腔內均勻分布有金納米顆粒，基于金納米顆粒共振吸收的光聲轉換原理，能夠將納秒脈沖激光轉換為超聲脈沖。

進一步的，所述石英光纖為多模光纖，纖芯直徑為50～500μm。

進一步的，所述納秒脈沖激光器能夠產生波長為532nm、脈寬為10-200ns、重復頻率為1-100kHz、平均功率為400-800mW的納秒脈沖激光，納秒脈沖激光經過透鏡聚焦后耦合進入石英光纖。

進一步的，所述凹腔的尺寸與光纖纖芯直徑相當，為50～500μm；金納米顆粒粒徑為40-60nm，對應共振吸收峰在530-535nm處。

本發明還提供一種高方向性光纖光聲換能器的制備方法，包括以下步驟：

利用光纖切割刀切除石英光纖兩端，保證石英光纖兩端面平整，以便在高功率密度激光的作用下形成規則穩定的凹腔結構；調整納秒脈沖激光器、透鏡及石英光纖的位置，使納秒脈沖激光有效耦合進入石英光纖一端，石英光纖另一端浸入含有金納米顆粒的水溶液中，溶液濃度為0.03-0.06mg/mL；

石英光纖中傳輸的高功率密度激光與水溶液中金納米顆粒相互作用，在光纖端面產生燒蝕，形成規則穩定的凹腔結構，同時金納米顆粒附著在凹腔表面；激光與凹腔表面附著的金納米顆粒通過共振耦合發生光聲轉換，在凹腔的自聚焦作用下形成具有方向性的超聲波，驅動水溶液產生噴流，當噴流穩定時，代表凹腔結構及表面附著的納米金顆粒分布穩定，光纖光聲換能器制備完成。

進一步的，通過改變凹腔尺寸和結構，能夠得到不同焦點和方向性的光纖光聲換能器。

與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：