1.本发明涉及激光超声
技术领域：
：，具体涉及一种的螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测系统与方法。
背景技术：
：：2.近年来，医疗领域的进展对声场的特性提出了更高的要求，复杂声场的研究结果可以应用于粒子操纵，超声治疗和成像等领域。螺旋相位声场作为一种复杂声场，具有螺旋形相位波前，传播方向中心轴场强处处为零，且携带轨道角动量，能操控微小物体，在生物医学方向可实现声镊技术，用于无接触式药物颗粒的定位和操控等应用，提高医疗效率。3.现有的产生螺旋相位声场的方法有超声换能器阵列法和超表面法，(brunett,thomasjl,marchiano,régis,etal.experimentalobservationofazimuthalshockwavesonnonlinearacousticalvortices[j].newjournalofphysics,2009,11(1):013002.)，(xue,jiang,jiajun,etal.broadbandandstableacousticvortexemitterwithmulti-armcoilingslits[j].appliedphysicsletters,2016,108(20):203501-1-203501-5.)。超声换能器阵列法是用不同的电信号驱动换能器单元，通过相干叠加来产生目标声场，但存在成本高和电驱动系统复杂等问题；超表面法与大体积的电控阵列相比，成本低且方便定制，但产生的声场带宽有限。技术实现要素：[0004]本发明的目的在于提供一种螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测系统与方法。[0005]实现本发明目的的技术解决方案为：第一方面，本发明提供一种螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测系统，包括脉冲激光器、扩束系统、光电探测器、玻璃片、光声换能器、抛物面、压电换能器、示波器、计算机、步进电机和水缸，所述脉冲激光器发射的脉冲激光通过扩束系统扩束，入射到光声换能器表面，在光吸收区域形成瞬态热膨胀；在脉冲激光的传输路径上，玻璃片反射少量光到光电探测器，用于触发示波器；光声换能器光吸收区域形成瞬态热膨胀，激发出超声波传播到由三维移动步进电机控制移动的抛物面上，再由压电换能器表面接收，压电换能器将接收到的声信号传输给示波器记录，计算机处理声场数据，得到螺旋相位声场。[0006]第二方面，本发明提供一种螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测方法，包括如下步骤：[0007]第一步，设计制作光声换能器；[0008]根据预期的目标声场的带宽以及光声激发的相关特性设计对数螺旋域，复刻在聚合物薄膜上并涂覆黑色染料，制作光声换能器；[0009]第二步，调节光声激发装置；[0010]通过调节脉冲激光器的能量和设置扩束系统的相关参数，使得激光光斑大小能覆盖设计的光吸收区域，激发出超声场在换能器后方传播；[0011]第三步，设计制作抛物面，搭建聚焦探测系统；[0012]根据光声换能器产生的声场范围和频率特性设计制作抛物面，搭建抛物面聚焦探测系统；[0013]第四步，扫描声场与处理数据[0014]设置扫描步进和距离，步进电机控制抛物面在光声换能器后方移动进行三维扫描，处理数据得螺旋相位声场。[0015]本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)脉冲激光持续时间短且能量密度高，激发的声波具有高频、宽带和高强度的特征；2)基于光声效应的光声换能器没有电连接，可以放置在任何能被激光辐照的表面上，通过设计光吸收域的形状来产生螺旋相位声场，设计制作方便灵活且成本低，避免了超声换能器阵列的成本高和电路设计复杂等问题；3)光吸收材料的声阻抗大都与水的声阻抗相近，可以实现器件小型化，应用于精密治疗等领域，避免了传统压电材料与系统阻抗不匹配等问题；4)基于抛物面结构的三维声场探测系统，实现了高频声场的高分辨探测，成本低且易于调试；5)螺旋型相位声场不仅携带轨道角动量还可以穿透非透明物质，在医学领域，可以实现无接触式药物颗粒的定位和操控等应用。附图说明[0016]图1中，(a)是光声换能器光吸收区域示意图，(b)是声波在水域传播示意图。[0017]图2是拓扑荷数m＝1和m＝2的涡旋声场z＝5λ处的相位和声强分布图。[0018]图3是实现此方法的实验装置系统示意图。[0019]图4是具体实施方法的流程框图。具体实施方式[0020]脉冲激光辐照光声换能器的光吸收区域，光吸收材料吸收激光能量，形成瞬态热膨胀，光能转换为热能，从而激发出热弹性声波。如图1所示，分别为光声换能器光吸收区域形状和热弹性声波在水域传播示意图。[0021]本发明使用脉冲激光辐照光吸收材料，调整激光能量密度和光斑大小可以产生目标的高频、宽带和高强度声波。在对数螺旋区域涂覆光吸收材料，基于热弹性机制，形成的光声波在播时，各螺旋域的子波发生相干叠加，最终形成具有螺旋形相位波前的声场，由步进电机控制探测系统的移动，设置合适的步进和扫描范围进行探测。如图2所示，图中的(a)、(b)分别为拓扑荷数m＝1和m＝2的螺旋相位声场在z＝5λ处的相位分布图和声强分布图。[0022]如图3所示，一种螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测系统，包括脉冲激光器1、扩束系统4、光电探测器2、玻璃片3、光声换能器5、抛物面6、压电换能器7、示波器10、计算机11、三维移动步进电机、步进电机控制板和水缸12，脉冲激光器1发射的脉冲激光通过扩束系统4扩束，入射到光声换能器5表面，在光吸收区域形成瞬态热膨胀；在脉冲激光的传输路径上，玻璃片3反射少量光到光电探测器2，用于触发示波器10；光声换能器5光吸收区域形成瞬态热膨胀，激发出超声波传播到由三维移动步进电机控制移动的抛物面6上，再由压电换能器7表面接收，压电换能器7将接收到的声信号传输给示波器10记录，计算机11处理声场数据，得到螺旋相位声场。图中，8是电机转接杆，由抛物面6、压电换能器7组成的探测系统9放置在水缸12中。[0023]进一步的，光声换能器的光吸收区域是对数螺旋域，由两条对数螺旋线r1＝a1ebθ和r2＝a2ebθ围合而成，a1和a2是的初始半径，b是螺旋线的增长速率，θ是螺旋线旋转角度，根据声衍射理论，螺旋域宽度d＝(a2-a1)ebθ与声波长λ满足λ∈[2dmin,2dmax]关系，dmin、dmax为螺旋域宽度的最小、最大取值。[0024]进一步的，根据声场特性设计的抛物面聚焦探测系统，其信号增益因子与抛物面深度δx、抛物面口径δy、焦距f、声波长λ和压电换能器接收面直径d相关；设计抛物线x＝-0.1y2+2.5(mm)，经物理建模得到三维抛物面模型。[0025]进一步的，抛物面深度δx＝50mm，口径δy＝43mm，焦距f＝2.5mm，接收面直径d＝20mm，由金属加工技术得到铝质抛物面实物。[0026]进一步的，所述光声换能器、抛物面和压电换能器全部浸没在水缸的水中，水的声阻抗与光声材料的声阻抗相近，可减小声波衰减。抛物面和压电换能器固定在步进电机上，控制步进电机，在x-y方向10个波长，z方向20个波长范围内移动接收声信号，其中z方向是声波传播方向；最终合成中央场强为零和具有eimθ螺旋形相位波前的声场，其中，m表示拓扑荷数，θ表示方位角。[0027]如图4所示，本发明还提供一种螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测的方法，包括如下步骤：[0028]第一步，设计制作光声换能器；[0029]根据预期的目标声场的带宽以及光声激发的相关特性设计对数螺旋域，复刻在聚合物薄膜上并涂覆黑色染料，制作光声换能器；[0030]第二步，调节光声激发装置；[0031]通过调节脉冲激光器的能量和设置扩束系统的相关参数，使得激光光斑大小能较好的覆盖设计的光吸收区域，激发出超声场在换能器后方传播；[0032]第三步，设计制作抛物面，搭建聚焦探测系统；[0033]根据光声换能器产生的声场范围和频率特性设计制作抛物面，搭建抛物面聚焦探测系统，提高信号探测的空间分辨率；[0034]第四步，扫描声场与处理数据[0035]设置合适的扫描步进和距离，步进电机控制抛物面在光声换能器后方移动进行三维扫描，进行高分辨探测，处理数据得螺旋相位声场。[0036]进一步的，第一步中，光声换能器的光吸收域为对数螺旋形域，是由两条对数螺旋曲线围合而成，两条曲线的整体结构参数用极坐标r＝a1ebθ和r＝a2ebθ表示a1和a2两条螺旋曲线的初始半径，θ表示螺旋方位角，方位因子b是螺旋线旋转速率，与拓扑荷数m相关，当m＝1时，b＝0.0225；在螺旋区域涂覆光吸收材料，激光辐照产生热膨胀，产生的光声波在向前传播时，各螺旋域的子波发生相干叠加，最终形成具有螺旋形相位波前的声场；根据rayleighsommerfeld衍射理论得到声场某处的声压其中ρ为探测面径向坐标，为方位角坐标，z为光吸收面到探测面的距离。[0037]本发明具体的光吸收区域的对数螺旋的宽度与产生的声波的带宽相关，改变对数螺旋的初始半径或者增加和减少螺旋级数都会改变带宽上下限，作为一种具体实现，这里应用初始a1＝2.76mm和a2＝2.97mm，拓扑荷数m＝1和m＝2。[0038]进一步的，第二步中，激光超声信号强度与激光的能量、光斑大小以及脉宽有关，作为一种具体实现，可以应用脉宽为6μs，光斑大小扩束至20mm大小。[0039]进一步的，第三步中，抛物面具体设计方法为，根据产生的声信号的频率和范围设计了抛物线x＝-0.1y2+2.5(mm)，经物理建模得到三维抛物面模型，其中抛物面深度δx＝50mm，口径δy＝43mm，焦距f＝2.5mm，再由三维金属加工技术得到铝质抛物面实物。将抛物面与压电换能器固定在步进电机转接杆上，在光声换能器后方移动。[0040]进一步的，第四步中，步进电机控制抛物面在光声换能器后方的扫描区域具体设定为：根据预定声场的中心频率为f＝2.5mhz，声波在水中的传播速度为c＝1500m/s，声波长约为0.6mm；所以设置步进电机的扫描步长为1/6个波长大小，即0.1mm；另外考虑到声衰减，x-y方向扫描范围约为10mm×10mm，z方向扫描范围月2-20个波长距离，即1.2mm-12mm的范围。[0041]基于光声效应的光声换能器就特别适合产生螺旋相位声场，其不仅具备宽频带和高频率的特点，而且没有电连接，可以放置在任何能够被激光辐照的表面上，通过改变光吸收域形状来产生螺旋相位声场，设计制作方便灵活、成本低还可以实现器件小型化，应用于精密治疗等领域。另外，结合本发明中的抛物面三维声场探测装置，实现了较高频螺旋相位声场的光声激发与高分辨探测，整个系统成本低且易于调试，有望进一步促进超声波在医学诊断和治疗上的应用。当前第1页12当前第1页12