CN112305079B - 一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器，包括脉冲光源、物镜和吸光薄膜，所述吸光薄膜为球冠状，所述吸光薄膜吸收光能后可产生光声效应并聚焦超声波；所述物镜将所述脉冲光源发射的脉冲光均匀照射到吸光薄膜表面，所述照射到吸光薄膜表面的脉冲光的焦点与所述吸光薄膜的球心重合。本发明的超声发射器可发射高频率的超声波，且超声波的中心频率可调，满足不同应用的超声显微镜对分辨率、穿透力的需求。

Description

一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器
技术领域
本发明涉及一种超声发射器，具体涉及一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器。
背景技术
超声显微镜是一种利用样品内部结构声学特性的差异进行成像的装置。由于超声波对物体的穿透性强于光波，超声显微镜可以对不透明的物体进行成像，无需损坏样品表面即可对样品内层结构进行检测。目前，超声显微镜主要应用于生物医学成像、微电子集成电路无损检测、材料学检测等领域。
超声显微镜的性能与超声波的频率密切相关。超声波频率越高，其波长越短，根据瑞利准则，显微镜的分辨率则会越高，但是穿透力会越弱。传统的超声发射装置一般采用压电振子，用高频电流驱动压电换能器产生超声波，再用声透镜对超声波进行聚焦。然而，压电换能器能达到的最高频率一般为数百MHz，受硬件结构限制，难以进一步提升。另外，传统超声发射器基于压电材料，产生超声脉冲的中心频率和带宽是固定的，无法调节，难以满足不同应用对分辨率、穿透力的需求。因此，工业用的超声显微镜需要配备一批不同中心频率的超声发生器，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器，可发射高频率的超声波，且超声波的中心频率可调，满足不同应用的超声显微镜对分辨率、穿透力的需求。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器，包括脉冲光源、物镜和吸光薄膜，所述吸光薄膜为球冠状，所述吸光薄膜吸收光能后可产生光声效应并聚焦超声波；所述物镜将所述脉冲光源发射的脉冲光均匀照射到吸光薄膜表面，所述照射到吸光薄膜表面的脉冲光的焦点与所述吸光薄膜的球心重合。
进一步地，所述脉冲光源为脉冲激光、脉冲LED光源或闪光灯。
进一步地，其特征在于，所述脉冲光源的脉冲宽度可变。
进一步地，所述物镜的光路实现方式为透射式或反射式。
进一步地，所述吸光薄膜采用吸光性强的材料制成。
本发明的有益效果有：
（1）相比于传统压电式超声发射器，本发明利用光声效应产生极高频率的超声波，从而使采用所述超声发射器作为组件的超声显微镜的分辨率更高。
（2）超声聚焦的数值孔径取决于吸光薄膜球冠的覆盖角度，更大的覆盖角度可以获得更大的数值孔径，从而获得更好的分辨率。本发明可通过调节薄膜球冠的光照区域（比如遮挡法），实现可调节的数值孔径或空间模式的聚焦超声激发，得到某些特定的空间聚焦模式可让超声聚焦到有特殊结构物体的侧面上。
（3）当吸光体的吸收系数足够高时，超声波的中心频率与脉冲光的脉宽成反比。由于本发明脉冲光源的脉冲宽度可变，从而使产生的超声波的中心频率可以自由调节，可以满足不同应用场景的需求，克服了传统超声发射器的频率是固定的限制。
（4）本发明采用透射式或反射式的透镜式照射光源，可以让脉冲光均匀激发球冠状的吸光薄膜。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1的超声发射器的原理示意图。
图2为本发明实施例2的超声发射器的原理示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器，包括脉冲光源1、物镜2和吸光薄膜3，所述吸光薄膜2为球冠状，采用吸光性强的材料制成，所述吸光薄膜2吸收光能后可产生光声效应并聚焦超声波；所述物镜2的光路实现方式为透射式，其将所述脉冲光源1发射的脉冲光均匀照射到吸光薄膜2表面，所述照射到吸光薄膜2表面的脉冲光的焦点与所述吸光薄膜2的球心重合；所述脉冲光源1为脉冲激光、脉冲LED光源或闪光灯，其脉冲宽度可变。
具体原理如下：
脉冲光源1发射的脉冲光4平行于物镜2的主光轴射入物镜2，经过物镜2的聚焦后，按照光线5的路径，照射到吸光薄膜3的外表面。吸光薄膜3呈球冠状，由吸光性强的材料制成。吸光薄膜3吸收了光线5，由于光声效应，产生超声波6，聚焦在焦点7。脉冲光4的焦点和吸光薄膜3的球心重合于焦点7位置。超声发射器工作时，焦点7应位于样品8的表面或内部，可以对样品8的结构进行探测。
实施例2
如图2所示，一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器，包括脉冲光源1、物镜2和吸光薄膜3，所述吸光薄膜2为球冠状，采用吸光性强的材料制成，所述吸光薄膜2吸收光能后可产生光声效应并聚焦超声波；所述物镜2的光路实现方式为反射式，由第一反射镜9和第二反射镜10组成，两个反射镜将所述脉冲光源1发射的脉冲光均匀照射到吸光薄膜2表面，所述照射到吸光薄膜2表面的脉冲光的焦点与所述吸光薄膜2的球心重合；所述脉冲光源1为脉冲激光、脉冲LED光源或闪光灯，其脉冲宽度可变。
具体原理如下：
脉冲光源1发射的脉冲光4射向第一反射镜9，反射至第二反射镜10，再次反射，按照光线5的路径，照射到吸光薄膜3的外表面。吸光薄膜3呈球冠状，由吸光性强的材料制成。吸光薄膜3吸收了光线5，由于光声效应，产生超声波6，聚焦在焦点7。第一反射镜9和第二反射镜10经过精密的光路设计，使脉冲光4聚焦至吸光薄膜3，聚焦焦点和吸光薄膜3的球心重合于焦点7位置。超声发射器工作时，焦点7应位于样品8的表面或内部，可以对样品8的结构进行探测。
相比于传统的压电换能器件，光声效应能产生极高频率的超声波。当用光照射吸收体时，吸收体中的分子吸收光子后，释放的热量导致吸收体局部温度升高，热膨胀而产生压力波，这就是光声信号。当激发光为脉冲光，可以激发出超声波。当吸光体的吸收系数足够高时，超声波的中心频率与脉冲光的脉宽成反比。用来激发超声信号的光源可以是脉冲激光，也可以是脉冲式的LED光源和闪光灯。对于激光，目前既有脉宽固定的皮秒、纳秒激光器，也有脉宽可调的纳秒激光器，这为产生高频率、可调谐的超声波提供了条件。
本发明利用光声效应产生极高频率的超声波，从而使采用所述超声发射器作为组件的超声显微镜的分辨率更高；采用透射式或反射式的透镜式照射光源，可以让脉冲光均匀激发球冠状的吸光薄膜。
另外，超声聚焦的数值孔径取决于吸光薄膜球冠的覆盖角度，更大的覆盖角度可以获得更大的数值孔径，从而获得更好的分辨率。本发明可通过调节薄膜球冠的光照区域（比如遮挡法），实现可调节的数值孔径或空间模式的聚焦超声激发，得到某些特定的空间聚焦模式可让超声聚焦到有特殊结构物体的侧面上。
由于本发明脉冲光源的脉冲宽度可变，从而使产生的超声波的中心频率可以自由调节，可以满足不同应用场景的需求，克服了传统超声发射器的频率是固定的限制。
上述说明是示例性的而非限制性的。通过上述说明本领域技术人员可以意识到本发明的许多种改变和变形，其也将落在本发明的实质和范围之内。

Claims (4)

1.一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器，其特征在于，包括脉冲光源、物镜和吸光薄膜，所述吸光薄膜为球冠状，所述吸光薄膜吸收光能后可产生光声效应并聚焦超声波；所述物镜将所述脉冲光源发射的脉冲光均匀照射到吸光薄膜表面，所述照射到吸光薄膜表面的脉冲光的焦点与所述吸光薄膜的球心重合，所述吸光薄膜采用吸光性强的材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器，其特征在于，所述脉冲光源为脉冲激光、脉冲LED光源或闪光灯。
3.根据权利要求2所述的一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器，其特征在于，所述脉冲光源的脉冲宽度可变。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲光驱动的聚焦式超声发射器，其特征在于，所述物镜的光路实现方式为透射式或反射式。
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