一种高方向性光纤光声换能器

本实用新型涉及光声换能技术领域，特别是涉及一种高方向性光纤光声换能器。

背景技术：

超声波指频率高于20000hz的声波，具有穿透性强，易产生物理、化学、生物等效应的优点，因此在医药、机械、国防等领域广泛应用。超声波换能器是一种进行能量转化的器件，可将一种形式的能量转换为机械能，激发超声信号。而传统的超声换能器主要有压电式换能器、机械式换能器、磁至伸缩换能器、电容式换能器等，尺寸较大，工作结构复杂，操作不灵活，不易应用于微小环境中，高频工作时耗能较高。

光声效应是指物体在周期性变化的光照中产生声信号的现象。当激光照射物体时，具有弹性的物体吸收热能发生周期性的振动，将热能转化为机械能，激发声信号。基于光声效应产生的超声波一般为mhz以上，为高频超声波，具有高方向性的优势。目前基于光声效应的超声换能器主要有两种，一种基于空间光激发，光路复杂，工作状态不稳定，且激发点固定，无法灵活使用；一种基于光导纤维通光激发，具有紧凑的结构，较高的稳定性，有利于超声设备的小型化、集成化，且具有抗电磁干扰，柔性的特点，但目前基于光导纤维的超声换能器多为在光纤表面涂敷光声涂料，超声信号发射发散，没有良好的方向性，不利于在微小环境中应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种高方向性光纤光声换能器，可以在超声波精密清洗、纳米流体防团聚、超声基因导入以及超声微流控等技术领域广泛应用。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高方向性光纤光声换能器，包括依次设置的纳秒脉冲激光器、透镜和石英光纤：所述石英光纤的尾端设置有凹腔，所述凹腔内均匀分布有金纳米颗粒，基于金纳米颗粒共振吸收的光声转换原理，能够将纳秒脉冲激光转换为超声脉冲。

进一步的，所述石英光纤为多模光纤，纤芯直径为50～500μm。

进一步的，所述纳秒脉冲激光器能够产生波长为532nm、脉宽为10-200ns、重复频率为1-100khz、平均功率为400-800mw的纳秒脉冲激光，纳秒脉冲激光经过透镜聚焦后耦合进入石英光纤。

进一步的，所述凹腔的尺寸与光纤纤芯直径相当，为50～500μm；金纳米颗粒粒径为40-60nm，对应共振吸收峰在530-535nm处。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

1.本实用新型应用柔性光纤作为光声换能器载体，与传统压电光声换能器相比，结构简单，使用灵活，利于小型化、集成化，还具有柔性和抗电磁干扰的特点。

2.本实用新型制备过程简单，只需有一定浓度的纳米金粒子溶液和普通多模石英光纤便可完成，成本低廉，且如端面结构损伤，可直接截取尾端，重新浸入纳米金粒子溶液中通过烧蚀还原该结构，易于维护。

3.该实用新型换能器的石英光纤尾端设有凹腔，具有自聚焦性，可在焦点处产生较强声压，具有高方向性，而传统光导纤维表面涂覆光声涂料光声换能器信号发散，向各个方向传播。

4.该实用新型基于光声效应产生超声波，一般纳秒级脉冲激光激发超声频率在mhz以上，为高频超声波，相比传统低频压电超声换能器，具有更高的方向性。

5.该实用新型由于方向性高，声压较为集中，可在流体中产生明显喷流现象，通过这种光-声-流转换过程，可在液体中进行流体的微小控制，在超声基因导入以及超声微流控等领域有重要应用价值。

6.本实用新型除直接激光烧蚀制备外，还可通过精密加工方式在石英光纤尾端加工设定的凹腔，并人工烧蚀附着纳米颗粒，通过对凹腔中孔径大小、对应直径以及纳米金粒子密度分布的设定，设计制作出具有不同声压焦点、不同光声特性的的光纤光声换能器。

附图说明

图1是本实用新型光纤光声换能器的结构示意图；

图2是本实用新型光纤光声换能器的制备方法流程图；

图3是本实用新型光纤光声换能器的制备示意图；

图4是光纤尾端光路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1和图3所示，本实施例的一种高方向性光纤光声换能器，包括依次设置的纳秒脉冲激光器1、透镜2和石英光纤3，石英光纤3的尾端设置有凹腔4，凹腔4内均匀分布有金纳米颗粒5，基于金纳米颗粒共振吸收的光声转换原理，能够将纳秒脉冲激光转换为超声脉冲。

图2示出了本实施例高方向性光纤光声换能器的制备流程，下面对基于光声效应的高方向性光纤光声换能器的制作过程进行阐述：

首先打开纳秒脉冲激光器1，根据光传播方向确定透镜的最佳位置，测量经过透镜2后的光斑大小，确定焦点位置；

使用光纤剥线钳剥除石英光纤3涂覆层，使用光纤切割刀对光纤两端进行切除，保证光纤两端端面平整，以便于在高功率密度激光烧蚀作用下形成规则凹腔；

将石英光纤尾端浸入浓度为0.05mg/ml，粒径为50nm纳米金颗粒溶液6中，首段固定在耦合透镜焦点位置；

设置纳秒脉冲绿光激光器，通过耦合透镜耦合入石英光纤中，石英光纤尾端在纳米金颗粒溶液中产生明显喷流，喷流稳定后表明纳米金粒子已均匀附着于烧蚀后的石英光纤尾端，完成光纤光声换能器的制作；

这样，对于按照上述步骤制备的高方向性光纤光声换能器，纳秒脉冲激光器发出激光，经过透镜耦合入石英光纤中，由于光纤具有一定数值孔径，激光均匀辐射于石英光纤尾端的纳米金粒子凹面阵列，激发纳米粒子振动产生超声波，由于凹腔结构的自聚焦性，超声波聚焦于凹面对应焦点位置，从而实现光声聚焦超声波的发射。

本实施例中给出了一组具体的超声换能器的组成元件及其结构尺寸：

本石英光纤的型号为105/125lownalaunch光纤，基于全石英光纤结构，标准105μm芯径，125μm包层直径，双丙烯酸酯涂覆层易于剥离。

纳米金粒子溶液选用纳米金球直径为50nm，浓度为0.05mg/ml的纳米金球颗粒溶液，其对应的纳米颗粒吸收峰位于535nm位置。

选用透镜为直径25.4m，焦距为100mm的平凸透镜，焦点处光斑大小在百微米以下；

纳秒脉冲激光器的波长为532nm、其脉宽为50ns、重复频率为10khz、平均功率为400～800mw。

石英光纤尾端可通过烧蚀方式制造特定的凹面腔结构，加工精度可至微米量级，纳米金粒子颗粒同样可通过微纳加工的方式均匀分布在特定的石英尾端凹面中。

本实用新型中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本实用新型并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本实用新型的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。