CN105806786B - 一种激光超声光声转换装置及其制备方法 - Google Patents

一种激光超声光声转换装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光超声光声转换装置，包括：用于激光超声聚焦的声聚焦晶体结构(1)；声聚焦晶体结构(1)的一侧旋涂有复合光声转换层(2)，复合光声转换层(2)用于激光超声增强以及激光超声聚焦；复合光声转换层(2)吸收激光器发射的激光束，首先将其转换成声能，然后对其聚焦，并将产生的超声波信号传导进入声聚焦晶体结构(1)，由声聚焦晶体结构(1)进一步聚焦。同时本发明还提供了该装置的制作方法。本实施例中的激光超声光声转换装置作为一种新的声源兼具有激光超声高频率和聚焦超声高指向性的优点，可以实现对器件的无损探伤检测，并具有非接触、探伤分辨率高等优点，提高了检测的效率，节省检测时间，对比传统的激光超声检测探伤的深度有较大提高。

Description

一种激光超声光声转换装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学工程和材料以及声学的交叉技术领域，尤其涉及一种激光超声光声转换装置及其制备方法。
背景技术
激光超声技术可以用于高精度的缺陷检测，其中，激光超声无损检测是其中研究最多的一个方面。激光在试样表面通过热弹效应产生超声，激发产生的声波在试样中传播的时候与缺陷作用后被检测到，通过对接收到的声信号进行信号处理，确定缺陷的位置信息。聚焦超声由于能量集中，实现无损探伤有更好的指向性，同时能达到更高的探测深度。
高强度聚焦超声(HIFU)是指能够将超声波聚焦于靶组织，使其生热以至消融而不影响周围健康组织的一种治疗技术，这一技术很有希望用于治疗癌症，通过超声在聚焦的组织区域瞬间产生很高的温度来杀死癌细胞而不损伤周围的细胞，这种方式有非接触，无创的特点，所以被广泛研究，而现在所研究的高强度聚焦超声大都是通过压电换能器阵列实现的，压电换能器不但结构复杂，且价格昂贵，其需要与声聚焦镜头之间的耦合剂匹配层，会对待检测物产生污染。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，进一步增强激光激发超声的强度，提高激光超声的检测深度，实现高强度聚焦超声，提供了一种激光超声光声转换装置，并同时提出了这种激光超声光声转换装置的制备方法，采用该装置具有激光超声非接触、激发超声强度高的优点。
第一方面，本发明提供了一种激光超声光声转换装置，包括：用于激光超声聚焦的声聚焦晶体结构1；声聚焦晶体结构的一侧旋涂有复合光声转换层2，复合光声转换层2用于激光超声增强以及激光超声聚焦；复合光声转换层2吸收激光器发射的激光束，首先将其转换成声能，然后对其聚焦，并将产生的超声波信号传导进入声聚焦晶体结构1，由声聚焦晶体结构1进一步聚焦。
优选地，声聚焦晶体结构为透明结构。
优选地，声聚焦晶体结构由聚二甲基硅氧烷PDMS胶体固化得到。
优选地，复合光声转换层是将碳纳米管和PDMS的混合材料旋涂到声聚焦晶体结构的上，然后固化得到的。
优选地，碳纳米管为强氧化性酸和硅烷偶联剂改性的碳纳米管。
优选地，声聚焦晶体结构和复合光声转换层均为弧面型。
第二方面，本发明提供了一种激光超声光声转换装置的制备方法，包括：
S10，制备声聚焦晶体结构：
设计并制备所需形状的的模具；将PDMS胶体与固化剂按一定比例混合，静置；将静置后的液态PDMS胶体倒入所述模具中进行固化，得到所需声聚焦晶体结构；
S20，制备复合光声转换层：
将PMDS材料与碳纳米管按一定比例混合，静置后旋涂到所述步骤S10得到的声聚焦晶体结构上，然后进行固化，获得复合光声转换层，得到所需激光超声光声转换装置。
优选地，步骤S10中的固化温度为80-150℃，固化时间为1-2h。
优选地，步骤S20中的固化温度和固化时间与所述步骤S10中的相同。
优选地，碳纳米管为改性碳纳米管。
相对于现有技术，本发明提供的激光超声光声转换装置的优点和有益效果为：
1、本发明提供的激光超声光声转换装置具有高强度聚焦，且不需要复杂、昂贵的高频率压电超声换能器，同时也不需要压电换能器与声聚焦镜头之间的耦合剂匹配层，不会对待检测物产生污染。另外，该装置可以有更大的自由度，声聚焦的焦点能更方便的调节。在声聚焦更灵活的同时器件能微型化。
2、激发超声的频率较高，可以达到毫米级别的探伤精度。
3、聚焦超声使得超声的指向性和幅度大大增强，提高了探伤的深度。
4、复合光声转换层和声聚焦晶体结构的主要成分都是PDMS胶体，故其声阻抗很相近，避免了由于声阻抗不匹配带来的声能量的损失。
5、该装置有激光超声非接触的优点，可以实现对被检测物体的非接触在线检测，提高了检测的效率，节省检测时间。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明一实施例提供的激光超声光声转换装置示意图；
图2为本发明一实施例提供的装置制备流程示意图。
具体实施方式
下面通过附图和具体的实施例，对本发明进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不限制本发明的保护范围。
本部分对本发明实验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
图1示出了本发明一实施例激光超声光声转换装置示意图。
如图1所示，该实施例的激光超声光声转换装置，包括用于激光超声聚焦的声聚焦晶体结构1；在声聚焦晶体结构1的一侧旋涂有复合光声转换层2，复合光声转换层2用于激光超声增强以及激光超声聚焦；复合光声转换层2吸收激光器发射的激光束，首先将其转换成声能，然后对其聚焦，并将产生的超声波信号传导进入所述声聚焦晶体结构1，由所述声聚焦晶体结构1进一步聚焦。具体地：
激光超声光声转换装置，是一种具有声聚焦作用的激光超声光声转换结构，又称之为聚焦光声转换镜头，该结构为声聚焦晶体结构1和复合光声转换层2共同组成。在使用过程中，为使得产生的声波聚焦的效果更好，声波汇聚处的声强能够达到更大，即为了达到更好的声聚焦作用，在一个示例中，声聚焦晶体结构1和复合光声转换层2选为弧面型。此时声聚焦晶体结构1和复合光声转换层2均能起到凸透镜的作用，对聚焦超声焦点具有调节作用，除此之外，复合光声转换层2还具有激光超声增强的作用。
在另一个示例中，声聚焦晶体结构1为透明结构。
在又一个示例中，声聚焦晶体结构1由聚二甲基硅氧烷PDMS胶体固化得到。
在再一个示例中，复合光声转换层2是将碳纳米管和PDMS的混合材料旋涂到声聚焦晶体结构1的一侧上，然后固化得到的。此时，复合光声转换层2和声聚焦晶体结构1紧密贴合在一起。
需要说明的是，在操作过程中，为了使碳纳米管在PDMS液体中分散的效果更好，优选地，碳纳米管为改性碳纳米管，进一步优选地，碳纳米管为强氧化性酸和硅烷偶联剂改性的碳纳米管。
本实施例中的装置使用过程为：将脉冲激光器对准复合光声转换层2的一侧，激光器的激光束从激光器中出来时可以经过声聚焦晶体结构调节光斑的大小从而调节激发超声的幅度和频率，使用时也可以调节激光功率的大小从而调节聚焦超声功率的大小，激光光束与激光超声光声转换装置的法线必须在一条直线上。因此激光器必须需要特定的工作台进行固定，防止激光器光源的抖动。下面举例说明该装置的应用场景：
该装置其应用场景之一：为高铁车轮非接触式检测，激光作用在这种具有声聚焦结构的激光超声转换装置上后，会激发产生高频率的聚焦超声，聚焦的超声具有很高的强度，能够达到较大的检测深度。聚焦超声与车轮中的缺陷作用后会反射回来，然后被接收换能器接收到，通过对反射出来超声的信号处理来确定缺陷的类型，位置等信息，从而实现聚焦超声来对车轮的无损探伤。
由上述应用场景举例可知该装置能实现对材料的无损探伤检测，相比传统的激光超声探伤检测相比，其激发超声的幅度较高，通过声聚焦晶体结构1和复合光声转换层2使得声能量更加集中。实现高强度激光超声激发的关键在于弧面型的复合光声转换层2，其有两个作用，一是激光超声增强作用，通过选用PDMS胶体和碳纳米管混合材料，使得激光能量最大可能的转化成热量，高的热膨胀系数使得受热后质点的位移振幅最大，从而最大程度的激发超声。二是声聚焦作用，弧面型的结构使得激发的声波向球面中心处聚集，达到声聚焦的效果。另外，声聚焦晶体结构1的弧面型结构使得超声进一步更好的聚焦，通过控制声聚焦晶体结构1和复合光声转换层2的弧度可以对激发超声的聚焦点进行调节，使得这种新型的激光超声光声转换装置能更好的适用不同的应用场景。
本实施例中的激光超声光声转换装置作为一种新的声源兼具有激光超声高频率和聚焦超声高指向性的优点，可以实现对器件的无损探伤检测，并具有非接触、探伤分辨率高等优点，提高了检测的效率，节省检测时间，对比传统的激光超声检测探伤的深度有较大提高。
图2示出了激光超声光声转换装置的制备流程示意图，如图2所示，制备方法包括以下步骤：
S10，制备声聚焦晶体结构：
S101,设计并制备所需形状的的模具。
具体地，具有声聚焦作用的激光超声光声转换装置的声聚焦点可以在制作的过程中通过调节声聚焦晶体结构来调节，其聚焦的焦点位置与聚焦晶体结构的厚度可以通过仿真得到，也可以通过实验测得，然后根据设计的形状来制作相应固化的模具，通过制作好的磨具来制作激光超声聚焦结构。需要说明的是，为后续能达到更好的声聚焦作用，在一个实施例中，声聚焦晶体结构的结构设计为弧面型，模具根据声聚焦晶体结构的弧面型进行相应的制作。
S102，将PDMS胶体与固化剂按一定比例混合，静置。
具体地，将PDMS胶体与固化剂按一定比例混合均匀，得到液态PDMS胶体，然后静置除去气泡。优选地，PDMS胶体与固化剂按10：1的质量比例进行混合。为方便更快、更好的去除气泡，静置过程可以选择在真空条件下进行，也可以在负压条件下进行。
S103,将静置后的液态PDMS胶体倒入模具中进行固化，得到所需声聚焦晶体结构。
具体地，将步骤S103中静置得到的液态PDMS胶体倒入步骤S101中制作的模具中进行固化，得到所需声聚焦晶体结构。在固化过中，优选地，固化温度为80-150℃，所需固化时间为1-2小时。需要指出的是，获得的声聚焦晶体结构是透明的。另外，步骤S101中指出，为后续能达到更好的声聚焦作用，声聚焦晶体结构的结构可设计为弧面型，此时固化后的PDMS胶体能起到凸透镜的作用，对聚焦超声焦点具有调节作用。
S20，制备复合光声转换层：
S201，将PMDS材料与碳纳米管按一定比例混合，静置。
具体地，将PMDS材料与碳纳米管按一定比例混合均匀，得到PMDS混合物，然后静置除去气泡。优选地，混有固化剂的PDMS材料与碳纳米管按30：1的质量比例进行混合。为方便更快、更好的去除气泡，静置过程可以选择在真空条件下进行，也可以在负压条件下进行。
S202，将静置得到的PDMS混合物旋涂到声聚焦晶体结构上，然后进行固化，获得复合光声转换层，得到所需激光超声光声转换装置。
具体地，将步骤S201中静置得到的PDMS混合物旋涂到步骤S10中制备的声聚焦晶体结构的一侧上，然后进行固化，获得复合光声转换层，与步骤S10制备的声聚焦晶体结构紧密贴合在一起，得到所需激光超声光声转换装置。在操作过程中，为缩短固化时间，在固化过程中应保持温度的稳定性，即该步骤中的固化温度和固化时间按与步骤S10中的固化条件保持一致。也就是，在固化过中，优选地，固化温度为80-150℃，所需固化时间为1-2小时。
需要进一步说明的是，在操作过程中，为了使碳纳米管在PDMS液体中分散的效果更好，优选地，碳纳米管为改性碳纳米管，进一步优选地，碳纳米管为强氧化性酸和硅烷偶联剂改性的碳纳米管。另外，为后续能达到更好的声聚焦作用，旋涂获得的复合光声转换层与声聚焦晶体结构的结构相同，也可旋涂为弧面型。
应用上述方法制备的激光超声转换装置通过使用PDMS和碳纳米管复合材料来实现对激光超声高强度的激发以及聚焦，并通过声聚焦晶体结构实现对激发超声的进一步聚焦。另外，复合光声转换层和声聚焦晶体结构的主要成分都是PDMS胶体，故其声阻抗很相近，避免了由于声阻抗不匹配带来的声能量的损失。
另外，相对于现有技术，应用上述方法制备的激光超声转换装置作为一种新的声源兼具有激光超声高频率和聚焦超声高指向性的优点，通过该方式实现激光超声非接触的探伤检测能够达到毫米级别的探伤分辨率，同时高强度的聚焦超声使得探伤的深度大大增加。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光超声光声转换装置，其特征在于，包括：
用于激光超声聚焦的声聚焦晶体结构(1)；所述声聚焦晶体结构的一侧旋涂有复合光声转换层(2)，所述复合光声转换层(2)用于激光超声增强以及激光超声聚焦；
所述复合光声转换层(2)吸收激光器发射的激光束，首先将其转换成声能，然后对其聚焦，并将产生的超声波信号传导进入所述声聚焦晶体结构(1)，由所述声聚焦晶体结构(1)进一步聚焦；
所述声聚焦晶体结构(1)和所述复合光声转换层(2)均为弧面型；
所述声聚焦晶体结构为透明结构，由聚二甲基硅氧烷PDMS胶体固化得到；
所述复合光声转换层是将碳纳米管和PDMS的混合材料旋涂到所述声聚焦晶体结构上，然后固化得到的。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述碳纳米管为强氧化性酸和硅烷偶联剂改性的碳纳米管。
3.一种激光超声光声转换装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备如权利要求1或2权利要求所述的装置，包括：
S10，制备声聚焦晶体结构：
设计并制备所需形状的的模具；将PDMS胶体与固化剂按一定比例混合，静置；将静置后的液态PDMS胶体倒入所述模具中进行固化，得到所需声聚焦晶体结构；
S20，制备复合光声转换层：
将PMDS材料与碳纳米管按一定比例混合，静置后旋涂到所述步骤S10得到的声聚焦晶体结构上，然后进行固化，获得所述复合光声转换层，得到所需激光超声光声转换装置。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S10中的固化温度为80-150℃，固化时间为1-2h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S20中的固化温度和固化时间与所述步骤S10中的相同。
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