[发明专利]一种高方向性光纤光声换能器及方法

说明书

本发明公开一种高方向性光纤光声换能器及方法，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。本发明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。

技术领域

本发明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及方法。

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。

发明内容

本发明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及方法，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。

本发明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。

本发明还提供一种高方向性光纤光声换能器的制备方法，包括以下步骤：

利用光纤切割刀切除石英光纤两端，保证石英光纤两端面平整，以便在高功率密度激光的作用下形成规则稳定的凹腔结构；调整纳秒脉冲激光器、透镜及石英光纤的位置，使纳秒脉冲激光有效耦合进入石英光纤一端，石英光纤另一端浸入含有金纳米颗粒的水溶液中，溶液浓度为0.03-0.06mg/mL；

石英光纤中传输的高功率密度激光与水溶液中金纳米颗粒相互作用，在光纤端面产生烧蚀，形成规则稳定的凹腔结构，同时金纳米颗粒附着在凹腔表面；激光与凹腔表面附着的金纳米颗粒通过共振耦合发生光声转换，在凹腔的自聚焦作用下形成具有方向性的超声波，驱动水溶液产生喷流，当喷流稳定时，代表凹腔结构及表面附着的纳米金颗粒分布稳定，光纤光声换能器制备完成。

进一步的，通过改变凹腔尺寸和结构，能够得到不同焦点和方向性的光纤光声换能器。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：