CN114550689A - 一种利用脉冲激光在空气中产生声波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用脉冲激光在空气中产生声波的方法，由脉冲激光器、光学调制系统构成产生声波的装置，其中，采用脉冲激光发射脉冲激光通过光学调制系统后与空气中水蒸气作用，水蒸气吸收脉冲激光的热能，脉冲激光经过后水蒸气温度瞬间升高发生膨胀，进而作用区域产生压力波，即通过光声效应产生声波。另外利用可见光三色激光器对作用区域照射进行成像。本发明提出的通过激光脉冲在空气产生声波的结构简单，由于即使在相对湿度较低的空气中水蒸气也依然能够产生，所以只需通过上述步骤获得效果，对微粒子操控，生物成像，空间成像，声音通信，裸眼三维显示有研究价值。

Description

一种利用脉冲激光在空气中产生声波的方法

技术领域

本发明涉及一种实现脉冲激光在空气中与水蒸气作用产生声波的方法，特别涉及一种利用调制脉冲激光的发射频率和扫描频率与水蒸气的光声效应在空气中产生的声镊和声波通信等。

背景技术

激光与物质作用产生声波，主要原理是激光的能量传递给作用介质后产生压力波导致振动产生声波。激光与物质作用主要有固体，液体，气体，分别应用到医疗，成像，微粒操控等领域。目前比较常见的是基于光声效应原理的应用，其中通过激光来产生声镊操控粒子是目前的研究热点。声镊用于操作具有非常小的物体的位置和运动的声波。但是利用激光产生的声镊的应用还比较少。严格来说，只有基于单束的配置才能称为声学镊子。然而，声学镊子的广义概念涉及两种波束配置：单波束和驻波。该技术通过控制声压节点的位置来工作，这些节点将物体吸引到固定声场的特定位置。目标物体必须远小于所用声音的波长，该技术通常用于操纵微观粒子。另外激光声波信号通信也是一个研究热点，目前主要用于水中通信和生物体内的信号传播等。在空气的研究还相对较少。

对于声镊的产生方法主要是超声波发生器产生的驻波。英国布里斯托大学教授Bruce Drinkwater通过研究超声波发生器产生的驻波实现了操控微米甚至厘米级别的粒子，但是考虑到驻波必须要有两个传播方向相反的声波才能实现，这个限制了声镊的一些应用。且目前基于激光来产生声镊的方法还比价少。

对于激光声信号通信的研究，目前对于将声音信号加载到光的载体中的传播方式的研究越来越来多。此方法的传播速度远大于声波的传播速度，但是对于如何利用光直接与物质作用传递声音信号目前的研究还在进行中。

发明内容

技术问题：本发明的一种利用脉冲激光在空气中产生声波的方法为：由脉冲激光器、光学调制系统构成产生声波的装置，其中，采用脉冲激光发射脉冲激光通过光学调制系统后与空气中水蒸气作用，水蒸气吸收脉冲激光的热能，脉冲激光经过后水蒸气温度瞬间升高发生膨胀，进而作用区域产生压力波，即通过光声效应产生声波。

所述由脉冲激光器、光学调制系统构成产生声波的装置为第一脉冲激光器和第一光学调制系统构成产生声波的装置，其频率可调，每次发射的脉冲激光将产生一个声波，进而声波不断共振叠加，脉冲发射频率决定产生声波共振的次数、传播相位和周期，通过调制共振实现各种声波的调制，实现驻波和行波。

所述由脉冲激光器、光学调制系统构成产生声波的装置为第二脉冲激光器和第二光学调制系统构成产生声波的装置，第二光学调制系统输出扫描激光对第二脉冲激光器发射的脉冲激光起到汇聚和移动扫描的作用，扫描频率可调，通过调控扫描频率控制声波横向上的共振频率，实现空间中声波叠加效果，进而产生不同的声波信号。

所述的第一脉冲激光器和第一光学调制系统分别有两个构成两组产生声波的装置，两个脉冲激光发射方向成锐角，让两束激光在汇聚位置即两个第一光学调制系统的聚焦点位置重合，通过控制两个脉冲激光器的发射频率控制声波的共振效果，产生两个行波叠加的声镊。

所述的第二脉冲激光器和第二光学调制系统分别有两个构成两组产生声波的装置，两个扫描脉冲激光发射方向成锐角，通过两个第二光学调制系统分别对脉冲激光束的扫描频率进行调制，扫描频率的变化控制声波的共振叠加，产生增强的声波信号。

所述两个第一脉冲激光器相对放置，即两个激光器的发射方向相反；两个脉冲激光分别通过第一光学调制系统分别使激光脉冲的汇聚点位置重合，基于光声效应产生相对方向传播的声波，根据相反方向传播的声波叠加以产生驻波，通过控制两个脉冲激光器的发射频率控制声波的共振频率，即产生驻波声镊。

所述两个第二脉冲激光器相对放置，即两个激光器的发射方向相对；两个第二光学调制系统分别对两束激光脉冲在空间中相对的传播方向上进行扫描频率的调制，扫描频率的变化引起声波在垂直激光发生方向上的的共振叠加，从而增强产生声波信号。

所述的脉冲激光器，其激光波长在1400nm或1900nm附近，工作模式脉冲波；这两个波长附近的光可以被空气中的水蒸气大量吸收，从而更容易产生基于光声效应产生声波。

所述的第一脉冲激光器或第二脉冲激光器的单个脉冲能量至少在毫焦耳这个量级。

所述的产生声波的方法采用增加一个空气加湿装置，提升和控制周围空气的湿度。

另外激光脉冲通过光学调制系统光学调制系统后对激光脉冲进行空间扫频频率的调制来产生不同的声音信号。与传统方法对比是完全不同的。

有益效果：本方法首次提出了利用脉冲与空气中的水蒸气作用产生声波叠加效果应用于声镊和声波通信等领域，采用脉冲激光器与光学调制系统，可以在空气中产生声波，既可以单独一个脉冲激光器通过改变脉冲发射的频率来产生声波叠加，又可以通过两个激光器的脉冲叠加来产生声波加强，例如产生行波和驻波形式等。同时，本方法与传统的声波产生的声波方法不同，具有易操作，简单的结构，对微粒子操控，生物成像和声波通信发展提供了新思路。

附图说明

图1为实施例1的系统原理图；

图2为实施例2的系统原理图；

图3为实施例3的系统原理图；

图4为实施例4的系统原理图；

图5为实施例5的系统原理图；

图6为实施例6的系统原理图；

图中有：第一脉冲激光器1，第一光学调制系统2，第二脉冲激光器3，第二光学调制系统4。

具体实施方式

本发明的一种实现脉冲激光在空气中与水蒸气作用产生声波的方法，主要由第一脉冲激光器1、第一光学调制系统2构成产生声波的装置。其中，采用第一脉冲激光器1发射激光脉冲通过第一光学调制系统2后与空气中水蒸气作用，水蒸气吸收激光脉冲的热能，因此激光脉冲经过后水蒸气温度瞬间升高发生膨胀，进而作用区域产生压力波，即通过光声效应原理产生声波，即基于光声效应原理来产生声波。脉冲发射频率决定产生声波共振的次数，传播相位和周期，即通过调制共振可以实现各种声波的调制。对于同一方向传播的声波叠加，可实现行波。其中产生行波基于声波叠加的原理公式如下：

由公式(1)可知，当两个同方向传播的声波，通过共振叠加产生行波的声波，本发明采用的多个脉冲照射后即产生多个向+y方向传播的声波，当同一方向传播的相位为2kπ时(k为正整数)，声波共振加强，当时同一方向传播的声波相位为(2k+1)π时，声波共振相消。因此多个声波得加后，即产生行波声镊。

利用第二光学调制系统4对第二脉冲激光器3发射的激光脉冲在空间扫描的频率进行调制，扫描频率的变化控制声波的共振，基于光声效应产生不同的声波信号。本发明基于权利要求1产生行波的基础上，让脉冲在脉冲扫描区域内产生更多的声波叠加，起到共振加强的效果。

所述的两个第一脉冲激光器1的激光发射方向成锐角，让两束激光在汇聚位置(即第一光学调制系统2的汇聚点位置)重合，通过控制两个脉冲激光器的发射频率控制声波的共振，产生声镊。在公式(1)的基础上通过两束激光脉冲产生的两束行波在夹角为锐角的位置产生叠加共振，在两束声波的2kπ相位时产生共振增强的效果，(2k+1)π相位时产生共振相消。因此将产生更强的声镊。

根据权利要求1所述的利用激光脉冲与空气中水蒸气作用产生声波的方法，其特征在于，所述的两个第二脉冲激光器3的激光发射方向成锐角，通过两个第二光学调制系统4分别对脉冲激光束的扫描频率进行调制，扫描频率的变化控制声波的共振，产生声波信号。此方法让两束夹角为锐角的声波在横向上也能够产生叠加效果，起到共振叠加增强声波信号的作用。

所述两个第一脉冲激光器1相对放置，即两个激光器的发射方向相反。激光脉冲通过两个第一光学调制系统2分别使激光脉冲的聚焦点位置重合，基于光声效应的原理产生相对方向传播的声波，根据相对方向传播的声波叠加可以产生驻波，通过控制两个脉冲激光器的发射频率控制声波的共振，即产生驻波声镊系统。两个相反方向传播的声波的叠加公式为：

y(x,t)＝y_msin(kx-ωt)+y_msin(kx+ωt)＝2y_mcos(ωt)sin(kx) (2)

根据公式(2)，两个振幅，频率和波长都相等的两个声波传播方向相反时，当相反方向传播的声波相位为2kπ时(k为正整数)，声波共振加强，当相反方向传播的声波相位为(2k+1)π时，声波共振相消。因此产生驻波。本发明利用两个相同的产生声波的装置相对放置来产生驻波声镊。

所述两个第二脉冲激光器3相对放置，即两个激光器的发射方向相反。两个第二光学调制系统4分别对两束激光脉冲在空间中相对的传播的垂直方向上进行扫描频率的调制，扫描频率的变化控制声波的共振，从而增强产生声波叠加的效果。同样此方法采用了产生驻波的原理，在产生驻波的基础上同时在横向作用区域利用激光脉冲扫描起到声波共振叠加的效果。

所述的第一脉冲激光器1的激光波长在1400nm或1900nm附近，工作模式脉冲波；这两个波长附近的光可以被空气中的水蒸气大量吸收，从而更容易产生基于光声效应产生声波。

所述的第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器3的单个脉冲能量至少在毫焦耳这个量级。

所述的产生声波的方法采用增加一个空气加湿装置，提升和控制周围空气的湿度。

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例公开的一种利用激光脉冲在空气中产生声波的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)，布设设备：按照图1将第一脉冲激光器1、第一光学调制系统2依次布设。

2)，通过第一光学调制系统2调整需要产生声波聚焦点的位置，基于光声效应原理，单个激光脉冲与水蒸气作用会产生沿着+y方向的声波，发射多个激光脉冲会产生多个声波叠加。

3)，在上述的声波叠加的过程中，超声波的叠加频率与脉冲发生的频率相关，调制脉冲激光的发射频率，产生多个不同频率沿+y方向的声波。根据沿同一方向传播的声波原理，因此通过调节脉冲激光器的发射频率可以调节超叠加超声波的相位，根据同一方向传播的多个声波叠加原理，可以产生行波的声镊。

实施例2：

如图2所示，本发明实施例公开的一种利用激光脉冲在空气中产生声波的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)，布设设备：按照图1将第二脉冲激光器3、第二光学调制系统4依次布设。

2)，通过第二光学调制系统4设置对于第二脉冲激光器3的脉冲激光束扫描频率进行调制，使激光脉冲在作用区域内的垂直激光发射方向上来回扫描，基于光声效应原理，脉冲光束在扫描的区域产生声波信号，通过第一光学调制系统对激光脉冲的空间频率进行调制，在作用区域声波产生共振叠加。

3)，在上述的声波信号叠加的过程中，超声波的叠加频率与脉冲发生的频率和第二光学调制系统4的扫描调制频率相关。对激光脉冲的发射频率和扫描频率进行调制，根据声波叠加原理，在作用区域产生不同强度的声波信号，并利用造成空气扰动的强度来调节产生声波的强度。即可以用于激光声波通信等。

实施例3：

如图3所示，本发明实施例公开的一种利用激光脉冲在空气中产生声波的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)，布设设备：按照图3将两个第一脉冲激光器1、两个第一光学调制系统2、分别依次布设，让两个第一脉冲激光器1产生的光束的汇聚位置重合。

2)，一组第一脉冲激光器1和第一光学调制系统2在光学调制系统的汇聚位置产生声波。同时，另外一组第一脉冲激光器1和第一光学调制系统2在光学调制系统的汇聚处同时也产生声波。此时，两束传播方向成锐角的两束声波将实时进行叠加共振。

3)，在上述的两束超声波叠加区域，调制脉冲激光的发射频率，两束超声波相交的位置即光学调制系统交点处将产生更强的叠加声波。根据两束超声沿y方向的分量叠加可以得到将产生更强的叠加效果，因此在此区域将产生更强的声镊系统。

实施例4：

如图4所示，本发明实施例公开的一种利用激光脉冲在空气中产生声波的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)，布设设备：按照图4将两个第二脉冲激光器3、两个第二光学调制系统4依次布设，使得两个第二脉冲激光器3的发射方向成锐角，分别调制两个第二光学调制系统4扫描频率。

2)，一组第二光学调制系统4对第二脉冲激光器3的脉冲光束的扫描频率进行调制在作用区域产生声波信号。同时，另外一组第二光学调制系统4对第二脉冲激光器3的脉冲光束的采用相同的扫描频率进行调制在作用区域产生声波信号。此时，两束扫描的脉冲光束产生的声波信号在共同作用区域内不断相遇叠加共振，使产生声波信号产生共振增强。

3)，在上述的两束超声波叠加区域，对激光脉冲的发射频率和扫描频率进行调制，多个声波不断叠加共振将产生更强的叠加声波。产生不同强度的声音信号，此方法有利于激光声波通信的进一步发展。

实施例5：

如图5所示，本发明实施例公开的一种利用激光脉冲在空气中产生声波的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)，布设设备：按照图5将两个第一脉冲激光器1和两个第一光学调制系统2分别依次布设，分别将两个第一脉冲激光器1发射方向相对放置，让两个第一光学调制系统2的汇聚位置重合，即让两束激光脉冲的聚焦位置重合。

2)，第一脉冲激光器1在第一光学调制系统2的作用下在聚焦点附近产生沿着+y方向传播的超声波。同时，另外一组第一脉冲激光器1在第一光学调制系统2的作用下在聚焦点处同时也产生沿着-y方向传播的声波。此时，两束传播方向相反的两束声波将实时进行共振叠加。

3)，在上述的两束声波叠加区域，调制脉冲激光的发射频率，两束相对方向传播的声波在光学调制系统的焦点处将产生更强的叠加声波。根据两束相反方向传播叠加的原理可以得到将产生驻波，因此系统将产生驻波形式的声镊。

实施例6：

如图6所示，本发明实施例公开的一种利用激光脉冲在空气中产生声波的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)，布设设备：按照图6将两个第二脉冲激光器3和两个第二光学调制系统4分别依次布设，分别将两个第二脉冲激光器3的发射方向相对放置，调制两个第二光学调制系统4的空间扫描频率，让两个脉冲激光器的脉冲的在聚焦点位置重合。

2)，第二光学调制系统4对第二脉冲激光器3的激光脉冲在垂直脉冲发射方向上进行扫描频率调制。同时，另外的第二光学调制系统4对另外的第二脉冲激光器3的脉冲激光束在垂直脉冲发射方向上进行扫描频率调制。此时，多个声波将实时进行叠加。

3)，在上述的声波叠加区域，对激光脉冲的发射频率和扫描频率进行调制，多个脉冲共振叠加将产生更强的声波信号，有利于激光声波通信的进一步研究。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用脉冲激光在空气中产生声波的方法，其特征在于：由脉冲激光器、光学调制系统构成产生声波的装置，其中，采用脉冲激光发射脉冲激光通过光学调制系统后与空气中水蒸气作用，水蒸气吸收脉冲激光的热能，脉冲激光经过后水蒸气温度瞬间升高发生膨胀，进而作用区域产生压力波，即通过光声效应产生声波。

2.根据权利要求1所述的一种利用脉冲激光在空气中产生声波的方法，其特征在于，所述由脉冲激光器、光学调制系统构成产生声波的装置为第一脉冲激光器(1)和第一光学调制系统(2)构成产生声波的装置，其频率可调，每次发射的脉冲激光将产生一个声波，进而声波不断共振叠加，脉冲发射频率决定产生声波共振的次数、传播相位和周期，通过调制共振实现各种声波的调制，实现驻波和行波。

3.根据权利要求1所述的一种利用脉冲激光在空气中产生声波的方法，其特征在于，所述由脉冲激光器、光学调制系统构成产生声波的装置为第二脉冲激光器(3)和第二光学调制系统(4)构成产生声波的装置，第二光学调制系统(4)输出扫描激光对第二脉冲激光器(3)发射的脉冲激光起到汇聚和移动扫描的作用，扫描频率可调，通过调控扫描频率控制声波横向上的共振频率，实现空间中声波叠加效果，进而产生不同的声波信号。

4.根据权利要求2所述的一种利用激光脉冲光在空气中产生声波的方法，其特征在于，所述的第一脉冲激光器(1)和第一光学调制系统(2)分别有两个构成两组产生声波的装置，两个脉冲激光发射方向成锐角，让两束激光在汇聚位置即两个第一光学调制系统(2)的聚焦点位置重合，通过控制两个脉冲激光器的发射频率控制声波的共振效果，产生两个行波叠加的声镊。

5.根据权利要求3所述的一种利用激光脉冲光在空气中产生声波的方法，其特征在于，所述的第二脉冲激光器(3)和第二光学调制系统(4)分别有两个构成两组产生声波的装置，两个扫描脉冲激光发射方向成锐角，通过两个第二光学调制系统(4)分别对脉冲激光束的扫描频率进行调制，扫描频率的变化控制声波的共振叠加，产生增强的声波信号。

6.根据权利要求2所述的一种利用激光脉冲光在空气中产生声波的方法，其特征在于，所述两个第一脉冲激光器(1)相对放置，即两个激光器的发射方向相反；两个脉冲激光分别通过第一光学调制系统(2)分别使激光脉冲的汇聚点位置重合，基于光声效应产生相对方向传播的声波，根据相反方向传播的声波叠加以产生驻波，通过控制两个脉冲激光器的发射频率控制声波的共振频率，即产生驻波声镊。

7.根据权利要求3所述的一种利用激光脉冲光在空气中产生声波的方法，其特征在于，所述两个第二脉冲激光器(3)相对放置，即两个激光器的发射方向相对；两个第二光学调制系统(4)分别对两束激光脉冲在空间中相对的传播方向上进行扫描频率的调制，扫描频率的变化引起声波在垂直激光发生方向上的的共振叠加，从而增强产生声波信号。

8.根据权利要求1所述的一种利用激光脉冲光在空气中产生声波的方法，其特征在于，所述的脉冲激光器，其激光波长在1400nm或1900nm附近，工作模式脉冲波；这两个波长附近的光可以被空气中的水蒸气大量吸收，从而更容易产生基于光声效应产生声波。

9.根据权利要求1所述的一种利用激光脉冲光在空气中产生声波的方法，其特征在于，所述的第一脉冲激光器(1)或第二脉冲激光器(3)的单个脉冲能量至少在毫焦耳这个量级。

10.根据权利要求1所述的一种利用激光脉冲光在空气中产生声波的方法，其特征在于，所述的产生声波的方法采用增加一个空气加湿装置，提升和控制周围空气的湿度。

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