Устройство термооптического возбуждения акустических волн

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ТЕРМООПТИЧЕСКОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Белорусский торгово-экономический университет потребительской кооперации(72) Авторы Ропот Петр Иосифович Митюрич Георгий Семенович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Белорусский торговоэкономический университет потребительской кооперации(57) Устройство термооптического возбуждения акустических волн, включающее источник лазерного излучения, систему формирования светового пучка с бесселевым профилем распределения интенсивности, элемент для генерации, состоящий из прозрачного демпфера, слоя для генерации акустического сигнала, согласующих слоев и резонансного ультразвукового отражателя, отличающееся тем, что содержит модулятор интенсивности лазерного излучения, задающий длительность лазерного импульса меньше периода генерируемой акустической волны, в качестве слоя для генерации акустического сигнала использована гиротропная поглощающая среда с коэффициентом поглощения, обеспечивающим проникновение лазерного излучения в среду на глубину не более длины ультразвуковой волны, элемент для генерации акустического сигнала помещен внутрь катушки, создающей электромагнитное поле, величина которого влияет на поглощение гиротропной среды.(56) 1. Патент США 4169662, МПК 01 29/2410 15/04, НКИ 73/643, 350/358. 2. Патент США 5081995, МПК 61 8/00, НКИ 128/662.03 310/369, 1992. 3. Патент РБ 3924, 2007. 4. Жаров В.П., Летохов Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. - М. Наука, 1984. 5. Блистанов А.А., Бондаренко , Чкалова В.В. и др. Акустические кристаллы. Справочник / Под ред. М.П. Шаскольской. - М. Наука, 1982. - 632 с. Устройство относится к физике, а именно к фотоакустике, и может быть использовано для генерации акустических волн при неразрушающем оптическом контроле и для ультразвуковой диагностики. При термооптическом возбуждении звука тепловой механизм является основным в широком диапазоне значений коэффициентов поглощения среды и частот модуляции лазерного излучения. Если на поглощающую среду падает лазерный импульс, то вследствие поглощения среда неоднородно и не стационарно нагревается и расширяется, что порождает возникновение акустического сигнала. Управлять распределением интенсивности возбуждаемого акустического сигнала при использовании модулированного гауссового пучка невозможно. В способе, описанном в 1, проводилось возбуждение сфокусированных акустических волн за счет поглощения образцом модулированного по амплитуде лазерного излучения, укладывающегося в френелевскую зонную структуру. Френелевская зонная структура формировалась подходящей маской, вставленной между лазерным источником и поверхностью образца. Тепловой эффект, возникающий на поверхности поглощающего образца в отдельных зонах, приводил к возникновению в них механических напряжений, которые распространяются как упругие волны. Множество возникших и согласованных за счет френелевской зонной пластинки акустических волн, согласно принципу Гюйгенса, распространяются внутрь среды и имеют общий фокус. К недостаткам способа относится в первую очередь необходимость механической замены френелевской зонной пластинки при изменении распределения интенсивности сигнала. При пьезоэлектрическом способе возбуждения ультразвука на пьезоэлемент, состоящий из пьезо(кристаллической)керамической пластинки с электродами, подают высокочастотный электрический сигнал, который преобразуется в ультразвуковую волну за счет обратного пьезоэлектрического эффекта. Для уменьшения акустического сопротивления(импеданса) при распространении ультразвука от пьезоэлемента к исследуемой среде применяют согласующие слои. Для управления интенсивностью ультразвуковых волн в 2 предложено один из электродов изготавливать в виде соосных кольцевых элементов. При подаче на соседние кольцевые элементы электрических сигналов в противофазе, устройство генерирует ультразвуковую волну с бесселевым профилем давления. При подаче на кольцевые элементы электрического сигнала с одинаковой фазой - генерируется волна,профиль давления которой описывается гауссовой функцией. К недостаткам такого устройства следует отнести трудность управления ультразвуковым преобразователем из-за сложной системы токопроводов и возможность генерирования акустических волн, аппроксимируемых только двумя типами функций. Известен пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь 3 (прототип), состоящий из оптически прозрачного демпфера, пьезоэлемента из фото-пьезополупроводникового материала в виде диска с плоскими тыльной и излучающей поверхностями, согласующих слоев и резонансного ультразвукового отражателя. На тыльную поверхность пьезоэлемента нанесен оптически прозрачный активный электрод в виде диска с токопроводом, на излучающую поверхность - заземляющий электрод в виде тонкого диска с токопроводом. Поверх активного электрода прикреплен демпфер, после заземляющего элект 2 59692010.02.28 рода нанесены согласующие слои и резонансный ультразвуковой отражатель. Токопроводы через приемник/передатчик подключаются к одноканальному генератору высокочастотных электрических сигналов. По токопроводам от генератора на электроды пьезоэлемента подают высокочастотный электрический сигнал, который в результате обратного пьезоэлектрического эффекта преобразуются в ультразвуковую волну. Когерентный световой пучок с распределением интенсивности, соответствующим функции Бесселя нулевого или высших порядков, через оптически прозрачный демпфер и активный электрод направляют на пьезоэлемент из фото-пьезополупроводника. В освещенной области такого пьезоэлемента, имеющей вид светлых колец, за счет закорачивания обратного пьезоэффекта, генерация ультразвука не происходит. Неосвещенные области, т.е. области темных колец, генерируют ультразвуковую волну, представляющую собой суперпозицию бесселевой и осевой плоской ультразвуковых волн с примерно одинаковыми интенсивностями. Профиль давления этой волны контрастно-инвертирован по отношению к профилю интенсивности лазерного излучения. Плоскую ультразвуковую волну отражают резонансным акустическим отражателем. На выходе устройства получают ультразвуковую волну, амплитудный профиль которой апроксимируется функцией Бесселя с удвоенной по отношению к лазерному пучку поперечной компонентой волнового вектора. К недостаткам прототипа относятся низкая мощность устройства, обусловленная закорачиванием пьезоэффекта в среде из фото-пьезополупроводника и протеканием токов в этих областях наличие передатчика/приемника и генератора высокочастотных электрических сигналов. Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства, позволяющего формировать нескольких типов ультразвуковых волн, управлять амплитудой и распределением интенсивности при существенном его упрощении (по сравнению с прототипом) за счет исключения электронных схем генерации электрических сигналов. Поставленная задача решается следующим образом. Устройство термооптического возбуждения акустических волн, включающее источник лазерного излучения, систему формирования светового пучка с бесселевым профилем распределения интенсивности,элемент для генерации, состоящий из прозрачного демпфера, слоя для генерации акустического сигнала, согласующих слоев и резонансного ультразвукового отражателя, содержит модулятор интенсивности лазерного излучения, задающий длительность лазерного импульса меньше периода генерируемой акустической волны, в качестве слоя для генерации акустического сигнала использована гиротропная поглощающая среда с коэффициентом поглощения, обеспечивающим проникновение лазерного излучения в среду на глубину не более длины ультразвуковой волны. При этом элемент для генерации акустического сигнала помещен внутрь катушки, создающей электромагнитное поле, величина которого влияет на поглощение гиротропной среды. Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1, 2, где 1 - источник лазерного излучения 2 - модулятор интенсивности лазерного излучения 3 - система формирования светового пучка с бесселевым профилем распределения интенсивности (система 3) 4 - элемент для генерации акустических сигналов 5 - катушка для создания электромагнитного поля 6 - прозрачный демпфер 7 - гиротропная поглощающая среда 8 - согласующие слои 9 - резонансный ультразвуковой отражатель 10 - лазерный пучок 11 - бесселев световой пучок (БСП) 12 - акустическая волна. 3 59692010.02.28 На фиг. 2 показано устройство элемента для генерации акустического сигнала. Элемент для генерации акустических сигналов 4 помещается внутрь катушки 5. Он состоит(фиг. 2) из последовательно расположенных прозрачного демпфера 6, гиротропной поглощающей среды 7, согласующих слоев 8 и резонансного ультразвукового отражателя 9. На фиг. 3-6 приведены профили распределения интенсивности падающего на поглощающую гиротропную среду лазерного излучения (фиг 3, 5) и профили генерируемой в среде акустической волны (фиг. 4, 6) для нулевого и высших порядков соответственно. В основу устройства положен термооптический метод возбуждения акустических волн, т.е. используется известный опто-акустический (ОА) эффект 4. Амплитуда давления генерируемого акустического сигнала пропорциональна изменению температуры среды и зависит от плотности 0, скорости звука 0 и коэффициента теплового расширения 2 среды, т.е.(, )00 (,) , где (,) и (,) - приращения давления и температуры среды относительно их равновесных значений. Параметры возбуждаемого акустического сигнала зависят от оптических, теплофизических и акустических характеристик поглощающей среды. В свою очередь величина (,) пропорциональна интенсивности света 0,т.е. эффективность термооптического преобразования пропорциональна мощности поглощаемого средой светового излучения. Управляя диссипацией (поглощением) энергии лазерного излучения в среде можно управлять амплитудой генерируемого акустического сигнала. С этой целью в заявляемом устройстве поглощающая среда 7 выбрана гиротропной, обладающей циркулярным дихроизмом. Устройство работает следующим образом. Лазерный пучок 10 попадает в модулятор интенсивности лазерного излучения 2 с регулируемой частотой модуляцииинтенсивности светового пучка в широких пределах. Далее модулированный световой пучок с гауссовым профилем распределения амплитуды попадает в систему 3, где формируется бесселев световой пучок (БСП) 11 заданного порядкас распределением интенсивности, описываемой функцией 2 , где- радиальная координата,(2/) - поперечная составляющая волнового вектора БСП,- длина световой волны,- параметр конусности сформированного БСП. Профили распределения интенсивности падающего на поглощающую гиротропную среду БСП 11 для мод нулевого и высших порядков приведены на фиг. 3 и фиг. 5 соответственно. Формирование в системе 3 световых пучков с бесселевым профилем можно осуществлять различными методами. Это и применение для получения БСП нулевого порядка классических элементов - аксикона или кольцевой диафрагмы и использование голограмм для получения БСП, нулевого и высших порядков и применение преобразования порядка БСП в анизотропных кристаллах. Важным с практической точки зрения в этом случае является возможность удобно и быстро изменять как угол конусности бесселевого светового пучка , так и его порядок . Как пример, система 3 (фиг. 1) формирует БСП 11 нулевого порядка с регулируемым углом конусности. Аксикон А с углом конусности 1, помещенный внутрь телескопической системы, состоящей из двух линз 1 и 2 с фокусными расстояниями 1, и 2. Перемещение аксикона вдоль оси телескопической системы позволяет менять угол конусности формируемого бесселевого све тового пучка в пределах от 0 до 1 1 . 2 Освещенная модулированным БСП 11 поверхность гиротропной поглощающей среды 7 имеет вид светлых и темных колец. В освещенной области (светлые кольца) за счет поглощения происходит термооптическое возбуждение ультразвука. На темных участках генерация акустических волн не наблюдается. В приповерхностном слое гиротропной поглощающей среды 7 формируется акустическая волна 12, профиль давления которой копирует профиль интенсивности БСП 11. Акустические колебания возбуждаются на частоте модуляцииинтенсивности лазерного излучения, попадающей в акустический диапазон. 4 59692010.02.28 При этом профиль давления акустической волны 12, как правило, определяется профилем интенсивности модулированного бесселевого светового пучка 11. Модулированное лазерное излучение проходит через прозрачный демпфер 6, формирующий направленные в сторону согласующих слоев 8 механические колебания, возникающие в гиротропной поглощающей среде 7. Необходимыми условиями для распространения упругих волн внутрь среды (перпендикулярно к поверхности) являются длительность лазерного импульса должна быть меньше периода акустической волны глубина проникновения лазерного излучения в среду должна быть меньше по сравнению с длиной ультразвуковой волны. Возникшая в гиротропной поглощающей среде 7 акустическая волна 12 представляет собой суперпозицию бесселевой ультразвуковой волны с поперечной компонентой волнового вектора 2 и осевой плоскойультразвуковой волны. Акустический сигнал проходит через согласующие слои 8, которые обеспечивают эффективную передачу сигнала от гиротропной поглощающей среды 7 к исследуемому образцу (на фигуре не показан). Плоскую акустическую волну 12 отражают резонансным ультразвуковым отражателем 9. На выходе устройства получают ультразвуковую волну с амплитудным профилем 2 (фиг. 4 и фиг. 6). Катушка 5, в которую помещается элемент для генерации аку стических сигналов 4, создает электромагнитное поле. Изменяя величину электромагнитного поля путем регулирования значения подаваемой на катушку силы тока , можно в определенных пределах управлять гиротропной поглощающей средой 7. В качестве гиротропной поглощающей среды 7 применимы кристаллы группы силленитов (, , ВТО) 5 при облучении их лазерным излучением в УФ диапазоне (например 2 гармоника рубинового лазера). Предлагаемое устройство для термооптического возбуждения акустических волн позволяет упростить управление известным ультразвуковым преобразователем и генерировать любые возможные типы ультразвуковых волн, которые определяются профилем интенсивности падающего светового пучка. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6