CN114798395A - 一种平面聚焦型光声换能器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超声换能器技术领域，公开了一种平面聚焦型光声换能器装置，该装置包括自下而上、紧密连接的一层光声转换薄膜(2)和一层衬底(3)；脉冲激光经过衬底(3)入射至所述光声转换薄膜(2)后，能够形成图案化的光声转换发生区域。以图案化形状为圆环形或扇环形状为例，光声转换发生区域吸收脉冲激光的能量并通过光声效应辐射出超声波，从而得到对应的圆环形或扇环超声声源；由于该声源相应的发散角，将会使声场在中心轴线方向上存在幅值最大位置，实现超声聚焦。本发明通过构建图案化的光声转换发生区域，能够形成一个对应的图案化的光声声源，利用该图案化光声声源所对应的发散角，从而实现空间声场的聚焦。

Description

一种平面聚焦型光声换能器装置
技术领域
本发明属于超声换能器技术领域，更具体地，涉及一种平面聚焦型光声换能器装置，能够利用平面结构的光声换能器装置实现超声聚焦。
背景技术
超声换能器被广泛应用于无损检测和医学诊断与治疗，随着激光技术的发展，基于光声效应的光声换能器具备了宽频带和高频率的优点。其中，对超声场进行聚焦能够在一定的空间范围内得到较大的声压输出，可用于医学治疗上的超声碎石和溶栓等。此外，当高频率、宽带宽的超声用于医学成像时，对超声场进行聚焦不仅能够提高焦点处的横向分辨率，还能提高焦点处和焦点外的信号对比度，提高超声成像质量。在光声换能器领域，现有的实现超声聚焦的方法大多将光声转换层制备在球面或锥面衬底上，利用球面或锥面的几何聚焦特性来实现超声聚焦。这类方法工艺相对复杂，难以在非均匀衬底上制备出均匀且厚度可控的光声转换层，器件制备重复性差，不适用于实际的批量生产应用。相比较之下，如能利用平面结构的光声换能器实现超声聚焦，考虑到现有成熟的平面工艺可以借鉴使用，其必将在制备工艺难度降低和重复性提升上具有很大优势。平面结构的菲涅尔圆环阵列波源能够对某一特定频率的波起到聚焦作用，由于电声原理产生的超声波是窄带的，因此菲涅尔圆环阵列结构常被用在电声换能器领域来实现超声场的聚焦。而在光声换能器领域，由于光声效应产生的超声信号是宽谱的，单脉冲激励时，不同圆环产生的脉冲超声信号不满足时间相干性，难以形成有效聚焦。为此，需要使用多个调Q激光器以特定的重复频率发射激励脉冲激光，才能使不同圆环产生的超声脉冲在时域上叠加，产生超声聚焦的效果，以满足超声治疗和成像方面的应用需求。然而，这种方法成本过高，实用性不强。故而，急需探索其它易于实现的平面结构光声换能器装置。
中国专利CN111007154A公开了一种基于微纳光纤的柔性超声换能器、制作方法及全光超声发射与检测方法，虽然它也公开了通过改变环形曲率半径，从而实现超声聚焦于焦距调谐的方法，但仍存在制备过程复杂、器件制备可重复性较低、且受光纤损伤阈值影响，能够耦合进入光纤中的光功率阈值相对较小，难以实现较大的声压幅值、光纤的曲率半径控制难度大、且由于环形微纳光纤上各点不是同时辐射出超声波，从而削弱超声聚焦的效果等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种平面聚焦型光声换能器装置，其中通过构建图案化的光声转换发生区域(如呈环形形状分布的光声转换发生区域)，能够形成一个对应的图案化的光声声源，利用该图案化光声声源所对应的发散角，从而实现空间声场的聚焦。并且，本发明工艺简单，可行性强。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种平面聚焦型光声换能器装置，该装置用于配合脉冲激励光源(1)使用，其特征在于，该装置包括自下而上、紧密连接的一层光声转换薄膜(2)和一层衬底(3)，其中：
对于所述衬底(3)，该衬底(3)上远离所述光声转换薄膜(2)的表面是作为输入面，用于输入脉冲激励光源(1)产生的脉冲激光；这些脉冲激光透过衬底(3)入射至所述光声转换薄膜(2)后，所述光声转换薄膜(2)将与激光相互作用，形成图案化的光声转换发生区域；该图案化的光声转换发生区域具体为呈圆环形形状分布或扇环形状分布的光声转换发生区域；
所述呈圆环形形状分布或扇环形状分布的光声转换发生区域用于吸收脉冲激光的能量并通过光声效应辐射出超声波，从而得到对应的圆环形或扇环超声声源；并且由于圆环形或扇环超声声源相应的发散角，将会使声场在圆环的法向中心轴线上或是在扇环所处圆环的法向中心轴线上，存在幅值最大位置，实现超声聚焦。
按照本发明的另一方面，提供了一种平面聚焦型光声换能器装置，该装置用于配合脉冲激励光源(1)使用，其特征在于，该装置包括自下而上、紧密连接的一层光声转换薄膜(2)和一层衬底(3)，其中：
对于所述衬底(3)，该衬底(3)上远离所述光声转换薄膜(2)的表面是作为输入面，用于输入脉冲激励光源(1)产生的脉冲激光；这些脉冲激光透过衬底(3)入射至所述光声转换薄膜(2)后，所述光声转换薄膜(2)将与激光相互作用，形成图案化的光声转换发生区域；该图案化的光声转换发生区域具体为呈椭圆环形状分布或椭圆扇环形状分布的光声转换发生区域；
所述呈椭圆环形状分布或椭圆扇环形状分布的光声转换发生区域用于吸收脉冲激光的能量并通过光声效应辐射出超声波，从而得到对应的椭圆环或椭圆扇环超声声源；并且由于椭圆环或椭圆扇环超声声源相应的发散角，将会使声场在椭圆环的法向中心轴线上或是在椭圆扇环所处椭圆环的法向中心轴线上，存在幅值最大位置，实现超声聚焦。
按照本发明的又一方面，提供了一种平面聚焦型光声换能器装置，该装置用于配合脉冲激励光源(1)使用，其特征在于，该装置包括自下而上、紧密连接的一层光声转换薄膜(2)和一层衬底(3)，其中：
对于所述衬底(3)，该衬底(3)上远离所述光声转换薄膜(2)的表面是作为输入面，用于输入脉冲激励光源(1)产生的脉冲激光；这些脉冲激光透过衬底(3)入射至所述光声转换薄膜(2)后，所述光声转换薄膜(2)将与激光相互作用，形成图案化的光声转换发生区域；该图案化的光声转换发生区域具体为呈2条平行带状形状分布的光声转换发生区域；
所述呈2条平行带状形状分布的光声转换发生区域用于吸收脉冲激光的能量并通过光声效应辐射出超声波，从而得到对应的带状并列超声声源；并且由于带状并列超声声源相应的发散角，将会使声场在中分平面上存在幅值最大位置，且幅值最大位置沿直线分布，从而实现超声的线聚焦；其中，所述中分平面垂直于2条平行带状形状所在的平面，并平行于任意一条带状形状，且该中分平面距这2条带状形状的距离彼此相等；而所述幅值最大位置所在直线平行任意一条带状形状。
作为本发明的进一步优选，所述图案化的光声转换发生区域，是由未经图案化的脉冲激光入射至图案化的光声转换薄膜上作用形成的；
或者，是由图案化的脉冲激光入射至未经图案化的光声转换薄膜上作用形成的；
或者，是由图案化的脉冲激光入射至图案化的光声转换薄膜上作用形成的。
作为本发明的进一步优选，所述图案化的光声转换薄膜是通过在衬底(3)上直接沉积图案化的光声转换薄膜形成的；
所述图案化的脉冲激光是通过对激励光场进行空间调制，从而形成空间分布图案化的脉冲激励光场；优选的，所述空间调制具体是通过空间光调制器或光学掩膜版实现的；
更优选的，当所述图案化的脉冲激光为圆环形形状的脉冲激光时，所述空间调制具体是通过轴锥透镜实现的。
作为本发明的进一步优选，所述光声转换薄膜(2)是由金属基薄膜或者吸光微纳结构材料和柔性聚合物组成的复合材料薄膜，其中，所述吸光微纳结构材料为碳基微纳结构材料、金属基微纳结构材料或具有微纳结构的二硫化物材料；所述碳基微纳结构材料优选选自薄膜碳纳米管、碳黑颗粒、烛灰颗粒(CSNPs)、石墨烯或碳纤维；所述金属基微纳结构材料优选选自金属纳米粒子、金属纳米薄膜或金属纳米阵列；所述具有微纳结构的二硫化物材料优选选自颗粒状或薄片状二硫化钼或二硫化钨。
作为本发明的进一步优选，所述衬底(3)为玻璃衬底或聚合物衬底。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，光声转换薄膜上产生光声效应的区域为预先设计的图案化形状(即，图案化的光声转换发生区域)，具体可以是完整的圆环结构，可以是部分圆环结构(即，扇环)，此时可通过变化圆环的宽度或中心半径，调节声场聚焦的聚焦特性(如焦距、焦斑形状和尺寸、焦深)；光声转换薄膜上产生光声效应的区域还可以是完整椭圆环、部分椭圆环结构(此时，可通过调整椭圆结构的椭圆度或宽度，能够对聚焦声场的聚焦特性进行调节)，还可以是两条平行线结构(此时，焦斑横截面为带状，带状并列声源的宽度与前文中的圆环宽度相对应，可通过变化并列带状声源的宽度以及两平行线间距，调节声场线聚焦特性)。
对于一个内半径为r1、外半径为r2的声源，向其所在平面法线正方向辐射出超声波，可以得到其中心法线z上的声压表达式如下：
Figure BDA0003542619550000051
其中，ρ0为介质密度、c0为介质中声速、ωi为声波角频率、ua为声波体积速度、R1为圆环声源内径上的点到z轴某处的距离、R2为圆环声源外径上的点到z轴某处的距离。可以看到对于单频辐射的环形声源，其轴线z方向的声压幅值可表示为：
Figure BDA0003542619550000052
考虑到光声信号的宽谱特性，z轴上的声压分布应是多个频率的超声信号叠加的结果，可以得到的声压表达式如下：
Figure BDA0003542619550000061
可以看到，声源所产生的信号频谱和环形尺寸共同决定了轴线上的声场分布，由此可以通过数值计算得到轴上声压幅值最大所对应的位置，以及环形尺寸参数(中心半径和宽度)对焦距的影响。对圆环而言，若z轴上的幅值分布为p(z)，p(z)取最大值的地方zmax即为焦距(z轴为经过圆环圆心、且垂直于圆环所在平面的直线，该直线也即圆环的法向中心轴线；扇环形状同理)。对于中心半径为rc，宽度为w的圆环，其声发散角α＝arctan(rc/zmax)。对于长轴为2a，短轴为2b的椭圆环而言，其发散角介于与之宽度相同、半径分别为a和b的圆环之间，因此，椭圆环的椭圆度也是影响其聚焦特性的一个因素；对并列带状声源而言，其中心间距的一半对应圆环的中心半径rc，带的宽度对应圆环的宽度w。此外，由于光声信号的宽谱特性，可认为声源上同时辐射出多个频率的声波，因此会在轴向一段距离上具有较大的声压幅值，即聚焦声场焦深相对长，后文实施例中的实验测试结果也与该结论相符。
光声转换薄膜上吸收脉冲激光能量并发生光声效应的区域为图案化结构(如环形、环扇、椭圆环形、椭圆环扇、两条平行线)，是本发明的关键。以圆环形图案化为例，该环形光声效应区域可以分别从光声转换薄膜的图案化和脉冲激励光源的图案化两个方面来实现。若直接对光声转换薄膜进行图案化(例如，可以在光声转换薄膜中设置具有较高光声转换效率的区域为环形)，能够得到一个圆环形的声源；此外，利用空间光调制器、轴锥透镜或光学掩膜版等，均能够实现环形的脉冲激励光场，从而使光声转换薄膜上发生光声效应的区域为圆环形；同时，图案化的环形光场与图案化的光声转换薄膜相配合也可以达到同样效果。
本发明利用平面结构，实现了在光声换能器领域的超声聚焦。相比之下，以中国专利CN111007154为例，其中提出的利用环形微纳光纤曲率半径的变化实现超声的方法，在制备过程中，采用熔融拉锥的方法制备微纳光纤成功率低，难以保证制备的重复性；且受光纤损伤阈值影响，能够耦合进入光纤中的光功率阈值相对较小，难以实现较大的声压幅值；另外，在工作时难以对光纤的曲率半径进行控制，从而实现所述的调焦效果。本发明中，对于尺寸确定的环形结构，其声场聚焦特性主要由光声转换层的特性(如厚度，吸光系数)决定。由于光声转换层也是平面结构，可以通过简单且制备重复性较高的平面工艺加以实现。因此，本发明平面聚焦型光声换能器装置其超声聚焦的实现机制，一方面可以通过平面工艺制备重复性高的光声转换层，且激励光直接作用在光声转换薄膜上能够产生MPa级声压，以满足生物医学相关领域的应用需求；另一方面可以用光掩膜和空间光调制的方法很好的控制环形的尺寸，从而保证器件工作的稳定性和制备的可重复性，易于批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种平面聚焦型光声换能器装置及对应声源形状示意图；其中，图1中的(a)对应装置结构示意图，图1中的(b)对应声源俯视图。
图2为本发明实施例1的平面结构的光声换能器中心轴线上的声场分布。
图3为本发明实施例2提供的一种平面聚焦型光声换能器装置及对应声源形状示意图；其中，图3中的(a)对应装置结构示意图，图3中的(b)对应声源俯视图。
图4为本发明实施例3提供的一种平面聚焦型光声换能器装置及对应声源形状示意图；其中，图4中的(a)对应装置结构示意图，图4中的(b)对应声源俯视图。
图5为本发明实施例3的平面结构的光声换能器中心轴线上的声场分布。
图6为本发明实施例4提供的一种平面聚焦型光声换能器装置及对应声源形状示意图；其中，图6中的(a)对应装置结构示意图，图6中的(b)对应声源俯视图。
图7为本发明实施例5提供的一种平面聚焦型光声换能器装置及对应声源形状示意图；其中，图7中的(a)对应装置结构示意图，图7中的(b)对应声源俯视图。
图8为本发明实施例6提供的一种平面聚焦型光声换能器装置及对应声源形状示意图；其中，图8中的(a)对应装置结构示意图，图8中的(b)对应声源俯视图。
图9为本发明实施例7提供的一种平面聚焦型光声换能器装置及对应声源形状示意图；其中，图9中的(a)对应装置结构示意图，图9中的(b)对应声源俯视图。
图中，各附图标记的含义如下：1为脉冲激励光源，2为光声转换薄膜，3为衬底，4为光学掩膜版，5为声源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明中能够实现超声聚焦的、平面结构的光声换能器装置，包括脉冲激励光源、光声转换薄膜和衬底。光声转换薄膜位于衬底上，二者紧密相连。工作时，脉冲激励光场透过衬底并到达光声转换薄膜。利用光声转换薄膜与激光的相互作用，将形成图案化的光声转换发生区域(如环形、环扇、椭圆环形、椭圆环扇、两条平行线)。
以光声转换薄膜上实际发生光声转换的区域为环形形状为例，光声转换薄膜上的环形区域吸收脉冲激光的能量并通过光声效应辐射出超声波，由于环形声源存在发散角，因此该环形声源声压会在轴向某处达到最大，从而实现超声聚焦的目的。
具体的，本发明是利用入射脉冲激光与光声转换薄膜的相互作用，使光声转换薄膜上吸收脉冲激光能量并发生光声效应的区域为一个环形结构。该环形光声效应区域可以分别从光声转换薄膜的图案化和脉冲激励光源的图案化两个方面来实现。若直接对光声转换薄膜进行图案化，即光声转换薄膜中具有较高光声转换效率的区域为环形，由此能够得到一个环形的声源；此外，利用空间光调制器、轴锥透镜或光学掩膜版的方法均能够实现环形的脉冲激励光场，从而使光声转换薄膜上发生光声效应的区域为环形；同时，图案化的环形光场与图案化的光声转换薄膜相配合也可以达到同样效果。
对于光声转换薄膜，可以是金属基薄膜，可以是碳基或金属基或二硫化钼等化合物微纳结构材料和柔性聚合物所组成的复合材料薄膜。所述碳基微纳结构材料可以选择薄膜碳纳米管、炭黑颗粒和碳纤维等。例如，所述光声转换薄膜为烛灰颗粒和聚二甲基硅烷所构成的复合光声转换层。
对于衬底材料，可以是对脉冲激励光具有较高透过率的玻璃或聚合物，同时，还可以在衬底材料上沉积对脉冲激励光有高反射率的图案化薄膜，同时起到光学掩膜版的作用，使原本未经图案化的激励光场透过衬底并辐射到光声转换薄膜上时为环形结构。
以下为具体实施例：
实施例1
图1中的(a)所示为本实施例的平面聚焦型光声换能器装置示意图。
如图1中的(a)所示，本实施例中平面聚焦型光声换能器装置，包括：脉冲激励光源1、光声转换薄膜2、衬底3；所述脉冲激光源1为波长为532nm，脉宽为6ns，脉冲重复频率为10Hz，经扩束后的光斑直径为20mm；所述图案化的光声转换薄膜2为烛灰颗粒和聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过简单的旋涂和蒸镀工艺制备得到的厚度为50μm的复合光声转换层。
图案化光声转换薄膜的制备过程如下：
S10，在衬底上旋涂一层PDMS，固化；
S20，在涂覆有PDMS层的基片上贴放一片镂空的金属掩膜版，镂空部分为中心半径为1.5mm，宽度为0.2m的圆环，将此面倒置于蜡烛焰心上方2.5cm处，进行烛灰颗粒的蒸镀，蒸镀时间为5s，形成图案化的环形烛灰区域，该区域的面积与金属掩膜版的镂空部分尺寸相同；
S30，取下镂空的金属掩膜版，并在图案化的烛灰层上再旋涂一层PDMS，固化并得到所需的光声转换薄膜，薄膜总厚度为50μm；
该光声转换薄膜2与衬底紧密贴合，衬底材料为玻璃；具体地，经扩束后的脉冲激励光源1经过玻璃衬底后到达光声转换薄膜表面，由于光声转换层中的沉积了烛灰颗粒的区域为圆环结构，该部分具有较强的光吸收系数，因此图案化的环形区域为发生光声效应的主要区域，而没有沉积烛灰颗粒的区域，由于PDMS的光吸收系数有限，因此光声效应的影响可以忽略不计。该圆环作为声源辐射出超声波(声源俯视图如图1中的(b)所示)，由于环形声源具有发散角，能够在轴向实现声场的聚焦，实现声场聚焦。
按照上述实施例中的参数，我们对其中心轴线上的声场进行了测试，如图2中结果显示，可以看到明显的超声聚焦现象，超声幅值在轴向距离为10.45mm处达到最大值，该处的-3dB焦斑直径为215.6μm，轴向-3dB焦深为9.56mm。从中可以看出，本发明提供的一种平面结构的光声换能器装置，能够实现超声聚焦的效果，且能够实现较小的焦斑直径和较大的焦深。
另外，除了上述实施例中所例举的将图案化光声转换薄膜2直接制作成满足目标图案化形状外，也可以在衬底3上沉积一层图案化的高反射率材料(如金属铬薄膜)，从而使透过衬底2后的脉冲激励光变成一个图案化的环形光场；相似的，该环形光场照射在光声转换薄膜3上，将形成一个产生光声效应的环形区域，该环形区域作为声源辐射出具有聚焦能力的超声波。
实施例2
图3中的(a)所示为本实施例中平面聚焦型光声换能器装置示意图。
如图3中的(a)所示，该实施例的一种平面聚焦型光声换能器装置，包括：脉冲激励光源1、图案化光声转换薄膜2、衬底3；所述脉冲激光源1为波长为532nm，脉宽为6ns，脉冲重复频率为10Hz，扩束后的光斑直径为20mm的脉冲激光；所述图案光声转换薄膜2为碳纳米管和聚二甲基硅氧烷(PDMS)所构成的复合光声转换层，该光声转换薄膜2与衬底3紧密贴合，衬底3材料为聚二甲基硅烷(PDMS)。具体地，碳纳米管和PDMS混合后，在PDMS衬底上沉积为一个中心半径为4mm，宽度为0.2mm的圆环结构，经扩束后的脉冲激励光源1经过PDMS衬底之后，照射到环形分布的光声转换薄膜上，因此只有该环形区域(声源俯视图如图3中(b)所示)能够吸收大部分脉冲激励光源的能量并由光声效应辐射出超声波，其余部分由于光吸收率很低，故光声效应的作用可以忽略不计。
按照上述实施例中的参数，对该平面结构的超声换能器装置中心轴线上的声场进行了表征，可以看到明显的超声聚焦现象。可见本发明提供的一种平面结构的光声换能器装置，具有很好的超声聚焦特性。
另外，除了上述实施例中所例举的将图案化光声转换薄膜2直接制作成满足目标图案化形状外，也可以在衬底3上沉积一层图案化的高反射率材料(如金属铬薄膜)，从而使透过衬底2后的脉冲激励光变成一个图案化的环形光场；相似的，该环形光场照射在光声转换薄膜3上，将形成一个产生光声效应的环形区域，该环形区域作为声源辐射出具有聚焦能力的超声波。
实施例3
如图4中的(a)所示，本实施例中平面聚焦型光声换能器装置，包括：脉冲激励光源1、光声转换薄膜2、衬底3和光学掩膜版4；所述脉冲激光源1为波长为532nm，脉宽为6ns，脉冲重复频率为10Hz，经扩束后的光斑直径为20mm；所述光声转换薄膜2为烛灰颗粒和聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过简单的旋涂和蒸镀工艺制备得到的厚度为50μm的复合光声转换层。该光声转换薄膜2与衬底3紧密贴合，衬底材料为玻璃；光学掩膜版是玻璃铬板所构成，其透光区域是一个中心半径为3mm，宽度为0.3m的圆环，光声转换薄膜2和衬底3放置在光学掩膜版4上。具体地，经扩束后的脉冲激励光源1经过光学掩膜版4之后，变成一个与光学掩膜版4透光区域的形状和尺寸相同的环形光场，该环形光场再经过透明的玻璃衬底后到达光声转换薄膜表面，因此光声转换薄膜中发生光声效应的区域也是和光学掩膜版透光区域形状和尺寸相同的圆环。该圆环(俯视图如图4中的(b)所示)作为声源辐射出超声波，由于环形声源具有发散角，能够在轴向实现声场的聚焦。
按照上述实施例中的参数，我们对其中心轴线上的声场进行了测试，如图5中结果显示，可以看到明显的超声聚焦现象，超声幅值在轴向距离为17.74mm处达到最大值，该处的-3dB焦斑直径为217.93μm，轴向-3dB焦深为21.59mm。从中可以看出，本发明提供的一种平面结构的光声换能器装置，能够实现超声聚焦的效果，且圆环中心半径和宽度的变化能够改超声的聚焦特性(焦距、焦斑尺寸和焦深)。
另外，除了上述实施例中所例举的使激励脉冲激光通过光学掩膜版4，从而形成图案化的环形光场，也可以利用空间光调制器或轴锥透镜直接形成同样结构尺寸的环形光场；相似的，该环形光场照射在光声转换薄膜2上，将形成一个产生光声效应的环形区域，该环形区域作为声源辐射出具有聚焦能力的超声波。还可以直接在衬底上直接对光声转换薄膜进行图案化，让发生光声效应的区域为同样大小的圆环结构，可以实现一样的聚焦效果。
实施例4
如图6中的(a)所示，本实施例中平面聚焦型光声换能器装置，包括：脉冲激励光源1、光声转换薄膜2、衬底3；所述脉冲激光源1为波长为532nm，脉宽为6ns，脉冲重复频率为10Hz，经扩束后的光斑直径为10mm；所述光声转换薄膜2的制备过程如下：首先在衬底上沉积一层厚度为100nm的金纳米颗粒，沉积的图案为中心长轴为4mm，中心短轴为6mm，宽度为300μm的椭圆环结构。具体地，经扩束后的脉冲激励光源1经过衬底3之后到达光声转换薄膜表面，由于作为吸光介质金层是经过图案化的椭圆环结构，因此发生光声效应的声源也是对应的椭圆环区域。该椭圆环(声源俯视图如图6中的(b)所示)作为声源辐射出的超声波，由于具有特定的发散角，所以在对垂直于椭圆平面的中心上的超声场进行测试时，能看到明显的聚焦现象，且对焦点处的声场横截面为椭圆形状。
另外，除了上述实施例中所例举的将图案化光声转换薄膜2直接制作成满足目标图案化形状外，也可以在衬底3上沉积一层图案化的高反射率材料(如金属铬薄膜)，从而使透过衬底2后的脉冲激励光变成一个图案化的椭圆环形光场；相似的，该椭圆环形光场照射在光声转换薄膜3上，将形成一个产生光声效应的椭圆环形区域，该椭圆环形区域作为声源辐射出具有聚焦能力的超声波。
实施例5
如图7中的(a)所示，本实施例中平面聚焦型光声换能器装置，包括：脉冲激励光源1、光声转换薄膜2、衬底3；所述脉冲激光源1为波长为532nm，脉宽为6ns，脉冲重复频率为10Hz，经扩束后的光斑直径为10mm；所述光声转换薄膜2的制备过程如下：首先在衬底上沉积一层厚度为150nm的金纳米颗粒，沉积的图案为两条长4mm，宽度为300μm的带状结构，两带状结构平行排列，中心间距为2mm。具体地，经扩束后的脉冲激励光源1经过衬底3之后到达光声转换薄膜表面，由于吸光介质金层为经过图案化的平行带状结构，因此该区域也是发生光声效应的声源区域(声源俯视图如图7中的(b)所示)，由于声波具有特定的发散角，两带状声源产生的声场会汇聚在一起。通过对垂直于并列带状声源所在平面的中心轴向上的声场进行测试，能看到明显的聚焦现象，对中心轴线上信号幅值最大处的声场横截面进行扫描，声场分布呈现出带状结构。
另外，除了上述实施例中所例举的将图案化光声转换薄膜2直接制作成满足目标图案化形状外，也可以在衬底3上沉积一层图案化的高反射率材料(如金属铬薄膜)，从而使透过衬底2后的脉冲激励光变成一个图案化的两条平行带状光场；相似的，该光场照射在光声转换薄膜3上，将形成一个产生光声效应的两条平行带状区域，该并列带状区域作为声源辐射出具有聚焦能力的超声波。
实施例6
如图8中的(a)所示，本实施例中平面聚焦型光声换能器装置，包括：脉冲激励光源1、光声转换薄膜2、衬底3；所述脉冲激光源1为波长为532nm，脉宽为6ns，脉冲重复频率为10Hz，经扩束后的光斑直径为10mm；所述光声转换薄膜2的制备过程如下：首先在衬底上沉积一层厚度为150nm的金纳米颗粒，沉积的图案为中心半径为3mm，宽度为250μm，弧度为3π/2的扇环结构。具体地，经扩束后的脉冲激励光源1经过衬底3之后到达光声转换薄膜表面，由于吸光介质金层为经过图案化的扇环结构，因此该区域也是发生光声效应的声源区域，由于声波具有特定的发散角，该扇环声源辐射出的声波会发生聚焦。通过对垂直于扇环所在平面的中心轴向上的声场进行测试，能看到明显的聚焦现象，对中心轴线上信号幅值最大处的声场横截面进行扫描，焦斑形状为圆形。
另外，除了上述实施例6中所例举的将图案化光声转换薄膜2直接制作成满足目标图案化形状外，也可以在衬底3上沉积一层图案化的高反射率材料(如金属铬薄膜)，从而使透过衬底2后的脉冲激励光变成一个图案化的扇环形状光场；相似的，该光场照射在光声转换薄膜3上，将形成一个产生光声效应的扇环区域(声源俯视图如图8中的(b)所示)，该区域作为声源辐射出具有聚焦能力的超声波。
实施例7
如图9中的(a)所示，本实施例中平面聚焦型光声换能器装置，包括：脉冲激励光源1、光声转换薄膜2、衬底3和光学掩膜版4；所述脉冲激光源1为波长为532nm，脉宽为6ns，脉冲重复频率为10Hz，经扩束后的光斑直径为20mm；所述光声转换薄膜2为烛灰颗粒和聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过简单的旋涂和蒸镀工艺制备得到的厚度为30μm的复合光声转换层。该光声转换薄膜2与衬底紧密贴合，衬底材料为玻璃；光学掩膜版是玻璃铬板所构成，其透光区域是四个中心半径为2.5mm，宽度为0.2m的π/4扇环阵列在半径为2.5mm的圆周上均匀排布构成，光声转换薄膜2和衬底3放置在光学掩膜版4上。具体地，经扩束后的脉冲激励光源1经过光学掩膜版4之后，变成一个与光学掩膜版4透光区域的形状和尺寸相同的扇环阵列光场区域，该光场再经过透明的玻璃衬底后到达光声转换薄膜表面，因此光声转换薄膜中发生光声效应的区域(声源俯视图如图9中的(b)所示)也是和光学掩膜版透光区域大小和尺寸相同的扇环阵列。该扇环阵列作为声源辐射出超声波，由于环形声源具有发散角，能够在轴向实现声场的聚焦，实现声场聚焦。
另外，除了上述实施例中所例举的将图案化光声转换薄膜通过光学掩膜版，从而得到扇环阵列形状的光声区域外，也可以直接在衬底上制备目标图案化的光声转换薄膜。
上述实施例仅为示例，例如，衬底3所采用的材料，除玻璃外，还可以是其他对所采用的脉冲激励光波段具有较高的透过率的材料，如聚合物等。另外，图案化的脉冲激光和/或图案化的光声转换薄膜上的图案化结构也可以是由多个子图案结构拼接得到的、整体具有预期图案的结构，均能实现声场聚焦的目的；例如由多个小单元组成的完整圆环或部分圆环结构，又例如由多个小单元组成的完整椭圆环或部分椭圆环结构等。另外，本发明中椭圆环的法向中心轴线，是指经过椭圆圆心、且垂直于椭圆环所在平面的直线；椭圆圆心是指椭圆两焦点连线的中点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种平面聚焦型光声换能器装置，该装置用于配合脉冲激励光源(1)使用，其特征在于，该装置包括自下而上、紧密连接的一层光声转换薄膜(2)和一层衬底(3)，其中：
对于所述衬底(3)，该衬底(3)上远离所述光声转换薄膜(2)的表面是作为输入面，用于输入脉冲激励光源(1)产生的脉冲激光；这些脉冲激光透过衬底(3)入射至所述光声转换薄膜(2)后，所述光声转换薄膜(2)将与激光相互作用，形成图案化的光声转换发生区域；该图案化的光声转换发生区域具体为呈圆环形形状分布或扇环形状分布的光声转换发生区域；
所述呈圆环形形状分布或扇环形状分布的光声转换发生区域用于吸收脉冲激光的能量并通过光声效应辐射出超声波，从而得到对应的圆环形或扇环超声声源；并且由于圆环形或扇环超声声源相应的发散角，将会使声场在圆环的法向中心轴线上或是在扇环所处圆环的法向中心轴线上，存在幅值最大位置，实现超声聚焦。
2.一种平面聚焦型光声换能器装置，该装置用于配合脉冲激励光源(1)使用，其特征在于，该装置包括自下而上、紧密连接的一层光声转换薄膜(2)和一层衬底(3)，其中：
对于所述衬底(3)，该衬底(3)上远离所述光声转换薄膜(2)的表面是作为输入面，用于输入脉冲激励光源(1)产生的脉冲激光；这些脉冲激光透过衬底(3)入射至所述光声转换薄膜(2)后，所述光声转换薄膜(2)将与激光相互作用，形成图案化的光声转换发生区域；该图案化的光声转换发生区域具体为呈椭圆环形状分布或椭圆扇环形状分布的光声转换发生区域；
所述呈椭圆环形状分布或椭圆扇环形状分布的光声转换发生区域用于吸收脉冲激光的能量并通过光声效应辐射出超声波，从而得到对应的椭圆环或椭圆扇环超声声源；并且由于椭圆环或椭圆扇环超声声源相应的发散角，将会使声场在椭圆环的法向中心轴线上或是在椭圆扇环所处椭圆环的法向中心轴线上，存在幅值最大位置，实现超声聚焦。
3.一种平面聚焦型光声换能器装置，该装置用于配合脉冲激励光源(1)使用，其特征在于，该装置包括自下而上、紧密连接的一层光声转换薄膜(2)和一层衬底(3)，其中：
对于所述衬底(3)，该衬底(3)上远离所述光声转换薄膜(2)的表面是作为输入面，用于输入脉冲激励光源(1)产生的脉冲激光；这些脉冲激光透过衬底(3)入射至所述光声转换薄膜(2)后，所述光声转换薄膜(2)将与激光相互作用，形成图案化的光声转换发生区域；该图案化的光声转换发生区域具体为呈2条平行带状形状分布的光声转换发生区域；
所述呈2条平行带状形状分布的光声转换发生区域用于吸收脉冲激光的能量并通过光声效应辐射出超声波，从而得到对应的带状并列超声声源；并且由于带状并列超声声源相应的发散角，将会使声场在中分平面上存在幅值最大位置，且幅值最大位置沿直线分布，从而实现超声的线聚焦；其中，所述中分平面垂直于2条平行带状形状所在的平面，并平行于任意一条带状形状，且该中分平面距这2条带状形状的距离彼此相等；而所述幅值最大位置所在直线平行任意一条带状形状。
4.如权利要求1－3任意一项所述平面聚焦型光声换能器装置，其特征在于，所述图案化的光声转换发生区域，是由未经图案化的脉冲激光入射至图案化的光声转换薄膜上作用形成的；
或者，是由图案化的脉冲激光入射至未经图案化的光声转换薄膜上作用形成的；
或者，是由图案化的脉冲激光入射至图案化的光声转换薄膜上作用形成的。
5.如权利要求4任意一项所述平面聚焦型光声换能器装置，其特征在于，所述图案化的光声转换薄膜是通过在衬底(3)上直接沉积图案化的光声转换薄膜形成的；
所述图案化的脉冲激光是通过对激励光场进行空间调制，从而形成空间分布图案化的脉冲激励光场；优选的，所述空间调制具体是通过空间光调制器或光学掩膜版实现的；
更优选的，当所述图案化的脉冲激光为圆环形形状的脉冲激光时，所述空间调制具体是通过轴锥透镜实现的。
6.如权利要求1－3任意一项所述平面聚焦型光声换能器装置，其特征在于，所述光声转换薄膜(2)是由金属基薄膜或者吸光微纳结构材料和柔性聚合物组成的复合材料薄膜，其中，所述吸光微纳结构材料为碳基微纳结构材料、金属基微纳结构材料或具有微纳结构的二硫化物材料；所述碳基微纳结构材料优选选自薄膜碳纳米管、碳黑颗粒、烛灰颗粒(CSNPs)、石墨烯或碳纤维；所述金属基微纳结构材料优选选自金属纳米粒子、金属纳米薄膜或金属纳米阵列；所述具有微纳结构的二硫化物材料优选选自颗粒状或薄片状二硫化钼或二硫化钨。
7.如权利要求1－3任意一项所述平面聚焦型光声换能器装置，其特征在于，所述衬底(3)为玻璃衬底或聚合物衬底。
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