[發(fā)明專利]一種利用脈沖激光在空氣中產(chǎn)生聲波的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210187635.1
• 申請(qǐng)日: 2022-02-28
• 公開（公告）號(hào): CN114550689A
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏軍;佟國棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G10K15/04
• 分類號(hào): G10K15/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 沈廉

本發(fā)明公開了一種利用脈沖激光在空氣中產(chǎn)生聲波的方法，由脈沖激光器、光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)構(gòu)成產(chǎn)生聲波的裝置，其中，采用脈沖激光發(fā)射脈沖激光通過光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)后與空氣中水蒸氣作用，水蒸氣吸收脈沖激光的熱能，脈沖激光經(jīng)過后水蒸氣溫度瞬間升高發(fā)生膨脹，進(jìn)而作用區(qū)域產(chǎn)生壓力波，即通過光聲效應(yīng)產(chǎn)生聲波。另外利用可見光三色激光器對(duì)作用區(qū)域照射進(jìn)行成像。本發(fā)明提出的通過激光脈沖在空氣產(chǎn)生聲波的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于即使在相對(duì)濕度較低的空氣中水蒸氣也依然能夠產(chǎn)生，所以只需通過上述步驟獲得效果，對(duì)微粒子操控，生物成像，空間成像，聲音通信，裸眼三維顯示有研究?jī)r(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)脈沖激光在空氣中與水蒸氣作用產(chǎn)生聲波的方法，特別涉及一種利用調(diào)制脈沖激光的發(fā)射頻率和掃描頻率與水蒸氣的光聲效應(yīng)在空氣中產(chǎn)生的聲鑷和聲波通信等。

背景技術(shù)

激光與物質(zhì)作用產(chǎn)生聲波，主要原理是激光的能量傳遞給作用介質(zhì)后產(chǎn)生壓力波導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生聲波。激光與物質(zhì)作用主要有固體，液體，氣體，分別應(yīng)用到醫(yī)療，成像，微粒操控等領(lǐng)域。目前比較常見的是基于光聲效應(yīng)原理的應(yīng)用，其中通過激光來產(chǎn)生聲鑷操控粒子是目前的研究熱點(diǎn)。聲鑷用于操作具有非常小的物體的位置和運(yùn)動(dòng)的聲波。但是利用激光產(chǎn)生的聲鑷的應(yīng)用還比較少。嚴(yán)格來說，只有基于單束的配置才能稱為聲學(xué)鑷子。然而，聲學(xué)鑷子的廣義概念涉及兩種波束配置：?jiǎn)尾ㄊ婉v波。該技術(shù)通過控制聲壓節(jié)點(diǎn)的位置來工作，這些節(jié)點(diǎn)將物體吸引到固定聲場(chǎng)的特定位置。目標(biāo)物體必須遠(yuǎn)小于所用聲音的波長(zhǎng)，該技術(shù)通常用于操縱微觀粒子。另外激光聲波信號(hào)通信也是一個(gè)研究熱點(diǎn)，目前主要用于水中通信和生物體內(nèi)的信號(hào)傳播等。在空氣的研究還相對(duì)較少。

對(duì)于聲鑷的產(chǎn)生方法主要是超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的駐波。英國布里斯托大學(xué)教授Bruce Drinkwater通過研究超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的駐波實(shí)現(xiàn)了操控微米甚至厘米級(jí)別的粒子，但是考慮到駐波必須要有兩個(gè)傳播方向相反的聲波才能實(shí)現(xiàn)，這個(gè)限制了聲鑷的一些應(yīng)用。且目前基于激光來產(chǎn)生聲鑷的方法還比價(jià)少。

對(duì)于激光聲信號(hào)通信的研究，目前對(duì)于將聲音信號(hào)加載到光的載體中的傳播方式的研究越來越來多。此方法的傳播速度遠(yuǎn)大于聲波的傳播速度，但是對(duì)于如何利用光直接與物質(zhì)作用傳遞聲音信號(hào)目前的研究還在進(jìn)行中。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的一種利用脈沖激光在空氣中產(chǎn)生聲波的方法為：由脈沖激光器、光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)構(gòu)成產(chǎn)生聲波的裝置，其中，采用脈沖激光發(fā)射脈沖激光通過光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)后與空氣中水蒸氣作用，水蒸氣吸收脈沖激光的熱能，脈沖激光經(jīng)過后水蒸氣溫度瞬間升高發(fā)生膨脹，進(jìn)而作用區(qū)域產(chǎn)生壓力波，即通過光聲效應(yīng)產(chǎn)生聲波。

所述由脈沖激光器、光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)構(gòu)成產(chǎn)生聲波的裝置為第一脈沖激光器和第一光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)構(gòu)成產(chǎn)生聲波的裝置，其頻率可調(diào)，每次發(fā)射的脈沖激光將產(chǎn)生一個(gè)聲波，進(jìn)而聲波不斷共振疊加，脈沖發(fā)射頻率決定產(chǎn)生聲波共振的次數(shù)、傳播相位和周期，通過調(diào)制共振實(shí)現(xiàn)各種聲波的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)駐波和行波。

所述由脈沖激光器、光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)構(gòu)成產(chǎn)生聲波的裝置為第二脈沖激光器和第二光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)構(gòu)成產(chǎn)生聲波的裝置，第二光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)輸出掃描激光對(duì)第二脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光起到匯聚和移動(dòng)掃描的作用，掃描頻率可調(diào)，通過調(diào)控掃描頻率控制聲波橫向上的共振頻率，實(shí)現(xiàn)空間中聲波疊加效果，進(jìn)而產(chǎn)生不同的聲波信號(hào)。

所述的第一脈沖激光器和第一光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)分別有兩個(gè)構(gòu)成兩組產(chǎn)生聲波的裝置，兩個(gè)脈沖激光發(fā)射方向成銳角，讓兩束激光在匯聚位置即兩個(gè)第一光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)的聚焦點(diǎn)位置重合，通過控制兩個(gè)脈沖激光器的發(fā)射頻率控制聲波的共振效果，產(chǎn)生兩個(gè)行波疊加的聲鑷。

所述的第二脈沖激光器和第二光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)分別有兩個(gè)構(gòu)成兩組產(chǎn)生聲波的裝置，兩個(gè)掃描脈沖激光發(fā)射方向成銳角，通過兩個(gè)第二光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)分別對(duì)脈沖激光束的掃描頻率進(jìn)行調(diào)制，掃描頻率的變化控制聲波的共振疊加，產(chǎn)生增強(qiáng)的聲波信號(hào)。