电气工程与电子技术学报

在吸光液体中激光激发超声波，通过光纤输入激光辐射，远端尖端由单层透明球体胶体涂层

弗拉基米尔·布雷季欣

将光学激光辐射高效地转换为用于医学和技术的高频声波是一个重要的应用问题。一种可能的解决方案是通过光纤将辐射注入液体中，光纤的远端覆盖着一层透明微球。微球在这里充当透镜，在液体中形成高度集中的光辐射区域。当液体吸收光时，就会出现局部加热体积系统，从而由于热弹效应导致光声 (OA) 响应。从这个角度来看，光吸收介质中光纤远端的透明微球层可被视为光纤激光-声波转换器 (LAC)。本报告通过实验研究了两种相反的 LAC 方案。首先 (a) 我们研究激光辐射通过带有 LAC 的 Ø 1 mm 石英光纤激发的超声波 [1]——光纤远端的涂层为 Ø 0.96 μm 聚苯乙烯 (PS) 球。激光器为YAG：Nd激光器，λ = 1.064 μm，使用蒸馏水作为介质（光吸收系数α ≈ 0.1 cm-1）。激光器在零横模区域（光束直径≈2 mm）产生脉冲序列，总持续时间≈300 ns，尖峰频率≈2 × 105 Hz，使用光学无源调制器。这种实验配置允许以“原始”形式研究系统的基本参数，避免更复杂效应的影响，例如热自散焦和过热液体状态。第二种（b）相反的情况是使用玻璃基板上涂覆的Ø 200 μm玻璃球作为激光束（约Ø 1 mm）中的LAC，第二谐波（λ = 0.532 μm），脉冲时间为15 ns。在这种情况下，介质是水-墨溶液（α≈100 cm-1）[2]。使用两阶段技术将由直径为 1 和 200 μm 的球体组成的涂层（见图）涂在光纤尖端面上。首先，在平板玻璃上形成单层球体。然后，用预先涂上的薄层氰基丙烯酸酯光学粘合剂将获得的单层粘在光纤末端。将单层小尺寸球体（最大 10 μm）从胶体溶液中沉积到板上。大尺寸球体一层一层地铺在平板上（在有限的填充区域内）。粘合剂上 1 毫米纤维尖端球体的显微照片为（a）在 λ = 1.064 μm（光吸收率 ~ 0.1 cm−1）的纯水中，形成具有特征尺寸≈λ 分数的热微结构，最高温度高达 10−2 度，短激光脉冲能量约为 0.005 J。开发的设备可以准确记录超声波的产生和预期的微加热。(b) 在水墨溶液的情况下，如果辐射是通过玻璃球层进行的，则产生的超声波的压力水平和频率范围都可以大大增强。产生的超声波的频率范围由光被吸收的体积的尺寸决定。在没有球体的情况下，这个尺寸是光穿透液体的深度。对于球体，它是那些热点的大小。