技术特征：
1.一种螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测系统，其特征在于，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＝a1e
bθ
和r2＝a2e
bθ
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＝(a
2-a1)e
bθ
与声波长λ满足λ∈[2d
min
，2d
max
]关系。3.根据权利要求1或2所述的螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测系统，其特征在于，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，经物理建模得到三维抛物面模型。4.根据权利要求3所述的螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测系统，其特征在于，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。5.根据权利要求3所述的螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测系统，其特征在于，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；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-v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e
imθ
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。6.一种螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，设计制作光声换能器；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；第二步，调节光声激发装置；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；第三步，设计制作抛物面，搭建聚焦探测系统；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；第四步，扫描声场与处理数据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。7.根据权利要求6所述的螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测方法，其特征在于，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＝a1e
bθ
和r＝a2e
bθ
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；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rayleigh sommerfeld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。8.根据权利要求7所述的螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测方法，其特征在于，螺旋线旋转速率b与拓扑荷数m相关，当m＝1时，b＝0.0225。9.根据权利要求6所述的螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测方法，其特征在于，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，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，再由金属加工技术得到铝质抛物面实物。10.根据权利要求6所述的螺旋相位声场的光声激发及其高分辨探测方法，其特征在于，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，声波长为0.6mm；设置步进电机的扫描步长为1/6个波长大小，即0.1mm；x-y方向扫描范围为10mm
×
10mm，z方向扫描范围为2-20个波长距离，即1.2mm-12mm的范围。
技术总结
本发明公开了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，设计了能产生宽带声信号的光声换能器，调节脉冲激光能量密度和光斑大小，辐照到换能器螺旋形光吸收区域，从而激发出螺旋相位声场；设计合适的抛物面聚焦结构，对声场进行有效地高分辨率探测；所形成的螺旋相位声场沿其传播方向的中心轴上压力为零，并且携带轨道角动量，能够实现对微粒的定位与操控。该方法避免了繁杂电子阵列控制且成本低，易于调试，不仅能产生较高中心频率的宽带超声场，还能实现器件小型化，为更高要求的精密应用提供了实现方案。求的精密应用提供了实现方案。求的精密应用提供了实现方案。
技术研发人员：阚威威 周慧 杨泽儒 李秋雨 曾超 沈中华 陈畅
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2022.07.25
技术公布日：2022/10/25