PL223785B1 - Laser akustyczny - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest laser akustyczny, przeznaczony do wytwarzania impulsów fal dźwiękowych o dużym natężeniu i mający zastosowanie do celów naukowych oraz w technice, na przykład do obróbki materiałów lub wykrywania obiektów metodą echolokacji.

Znane ze stanu techniki lasery akustyczne, opisane są przez C. B. Scubry'ego i L. E. Drain'a w książce pod tytułem „Laser ultrasonics”, wydanej przez Adama Hilger'a w Bristolu w 1990 r. Lasery te składają się z przełączanych impulsowo laserów optycznych lub emitujących w podczerwieni, w których akacja laserowa zachodzi w jednym z następujących ośrodków: ciele stałym - laser neodymowy Nd:YAG albo gazie - laser na dwutlenku węgla (CO₂). Opisane lasery generują krótkie impulsy promieniowania elektromagnetycznego o czasie trwania od femtosekund do kilkudziesięciu nanosekund, które kierowane są na powierzchnię ciała stałego. W wyniku bardzo dużej koncentracji energii zachodzi szybkie nagrzewanie powierzchni ciała i jego gwałtowna rozszerzalność cieplna, a także nagrzewanie powyżej temperatury wrzenia w małym obszarze i szybkie odparowanie ciała. Tym zjawiskom towarzyszy emisja fali ultradźwiękowej o częstotliwości w zakresie od dziesiątków megaherców do setek gigaherców. Lasery akustyczne o takim samym sposobie generacji fali ultradźwiękowej, powodowanym przez laser gazowy lub ekscymerowy, opisane są także przez: J. N. Caron'a, Y. Yang'a J. B. Mhel'a, K. V. Steiner'a w artykule „Gas coupled laser acoustic detection for ultrasound inspection of composite materials”, który ukazał się 2001 r. w czasopiśmie „Materials Evaluation”, tom 58, nr 5, str. 667.

Inny, znany laser akustyczny, ujawniony został przez A. Kenta i współpracowników w artykule „A new kind of acoustic laser”, opublikowanym w 2006 r. w czasopiśmie „Physical Review Letter”,tom 58, nr 2, str. 779. Laser ten składa się z pakietu (nazywanego również supersiecią), utworzonego przez wiele równoległych i stykających się ze sobą warstw wykonanych z dwóch półprzewodników: arsenku glinu (AlAs) i arsenku galu (GaAs). Warstwy z tych materiałów rozmieszczone są na przemian, natomiast z przodu nałożona jest dodatkowa warstwa arsenku glinu, która kontaktuje ze znac znie grubszą warstwą arsenku galu, zaopatrzoną w cienkie okienko wyjściowe z arsenku glinu. Działanie znanego lasera polega na tym, że do skrajnej warstwy arsenku glinu i do dodatkowej warstwy z tego materiału przykłada się stałe napięcie elektryczne. W wyniku tego w supersieci generowane są kwanty pola akustycznego - fonony, które następnie rozchodzą się w supersieci i odbijają od jej skrajnych warstw. Odpowiadające fononom fale ulegają w wyniku tego interferencji i wzmocnieniu. Końc owa, wzmocniona fala akustyczna przechodzi przez grubszą warstwę arsenku galu i w ychodzi na zewnątrz lasera przez okienko wyjściowe.

Znany jest także sposób wytwarzania fali dźwiękowej za pomocą lasera pracującego na dwutlenku węgla, opisany przez D. Wojaczek w rozprawie doktorskiej zatytułowanej „Analiza zjawisk termodynamicznych w ośrodku falowodowego lasera CO₂ pobudzanego impulsowo prądem wielkiej częstotliwości”, przygotowanej w Instytucie Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Politechniki Wrocławskiej w 2008 r. Znany sposób polega na tym, że podczas impulsowego pobudzania oś rodka czynnego, szczególnie przy włączaniu lasera, wytwarzane są drgania o częstotliwości akustycznej, które mogą być rejestrowane za pomocą mikrofonu.

Wspólną cechą znanych ze stanu techniki laserów akustycznych jest to, że generują one fale o bardzo wysokich częstotliwościach z zakresu ultradźwiękowego lub hiperdźwiękowego, które są silnie pochłaniane w powietrzu i przez to rozchodzą się na małe odległości, co jest niekorzystne, na przykład przy ich wykorzystaniu w echolokacji. Ponadto natężenie fal wytwarzanych przez znane lasery akustyczne jest niewielkie, co również ogranicza zakres ich zastosowań.

Laser akustyczny według wynalazku zawiera cylindryczną rurę, zawierającą powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym i pokrytą od wewnątrz warstwą materiału dobrze pochłaniającego fale dźwiękowe, korzystnie korka lub styropianu. Rura połączona jest szczelnie z jednej strony z koszem głośnika elektrodynamicznego, korzystnie o wąskiej charakterystyce kierunkowej, zasilanego z generatora elektronicznego o regulowanej częstotliwości, przyłączanego wyłącznikiem do głośnika. Przeciwległy koniec rury styka się z przesłoną w kształcie koła, wykonaną z materiału dobrze odbijającego fale dźwiękowe, korzystnie ze stali i osadzonej na osi silnika elektrycznego prądu stałego. W przesłonie wykonany jest kołowy otwór o średnicy równej średnicy wewnętrznej rury i umieszczony w takiej odległości od osi przesłony, że podczas jej obrotu może odsłaniać wnętrze rury. Za przesłoną umies zczone są współosiowo z rurą dwa paraboliczne zwierciadła, wykonane z materiału dobrze odbijającego fale dźwiękowe, korzystnie ze stali, zwrócone powierzchniami wklęsłymi ku sobie i tworzące układ

PL 223 785 B1 konfokalny. Zwierciadło bliższe przesłony ma znacznie mniejszą średnicę, niż zwierciadło dalsze i pokryte jest od strony wypukłej warstwą, dobrze pochłaniającą fale dźwiękowe, korzystnie korkiem lub styropianem. Zwierciadło dalsze ma też centralnie umieszczony otwór o średnicy takiej samej, jak średnica zwierciadła bliższego.

Istota zasady działania lasera z przesłoną wirującą w kształcie koła według wynalazku polega na tym, że za pomocą wyłącznika przyłącza się generator do głośnika, który emituje fale dźwiękowe do wnętrza rury. Przesłona zamyka w tym czasie koniec rury i wprawiana jest w ruch obrotowy za pomocą silnika, zasilanego stałym napięciem o odpowiednio dobranej wartości. Membrana głośnika drga z częstotliwością pracy generatora i długość rury równa się nieparzystej wielokrotności ćwiartek długości fali dźwiękowej, emitowanej przez głośnik. Fala ta rozchodzi się w rurze w kierunku przesłony, odbija od niej i wracając w kierunku głośnika interferuje z falą rozchodzącą się w kierunku przesł ony. W wyniku odpowiedniego doboru częstotliwości pracy generatora w rurze wytwarzana jest fala stojąca, której jeden z węzłów zawsze znajduje się na przesłonie, a przy membranie głośnika zawsze jest jedna ze strzałek. Energia fali stojącej wzrasta wraz czasem, aż do osiągnięcia ustalonej wartości maksymalnej, dla której moc strat wskutek tłumienia drgań w powietrzu i niecałkowitego odbicia od przesłony jest równa mocy fali emitowanej przez głośnik. Po osiągnięciu maksymalnej energii fali we wnętrzu rury, otwór przesłony znajdzie się naprzeciw końca tej rury. Osiąga się to przez odpowiednie dobranie wartości napięcia zasilającego silnik, które wpływa na szybkość obrotu przesłony. W wyniku tego z otwartej rury zostaje wyemitowana impulsowa, równoległa wiązka fal, która prawie w całości pada na zwierciadło dalsze i po odbiciu od niego przekształca się w wiązkę zbieżną, ulegającą skupieniu w ognisku zwierciadeł. Niewielka część wiązki, padającej na warstwę pokrywającą zwierciadło bliższe, zostaje pochłonięta i nie zmienia rozkładu przestrzennego fali emitowanej z rury. Po przejściu przez ognisko wiązka pada na zwierciadło bliższe i po odbiciu od niego przekształca się znowu we wiązkę równoległą, wychodzącą z lasera przez otwór w zwierciadle dalszym. Ponieważ średnica zwierciadła dalszego jest znacznie większa, niż średnica zwierciadła bliższego, to przekrój poprzeczny wiązki fali wychodzącej z lasera zostaje zmniejszony w stosunku do wiązki emitowanej z rury, a natężenie zwiększone. Po wyjściu wiązki z lasera przesłona zamyka koniec rury i opisane efekty się powtarzają. W ten sposób laser akustyczny emituje regularne impulsy równoległych fal dźwiękowych o małym przekroju poprzecznym i dużym natężeniu.

Laser akustyczny w korzystnej postaci według wynalazku zamiast przesłony w kształcie koła i osadzonej na osi silnika ma przesłonę prostokątną, wykonaną z materiału dobrze odbijającego fale dźwiękowe, korzystnie ze stali i zaopatrzoną w kołowy otwór o średnicy równej średnicy wewnętrznej rury. Przesłona prostokątna może być przesuwana w prowadnicach i w położeniu początkowym zamyka wnętrze rury. Do tej przesłony, w pobliżu jej krawędzi przeciwległej do otworu, przymocowany jest jeden koniec ferromagnetycznego rdzenia, a drugi koniec tego rdzenia częściowo wchodzi do kanału w karkasie, na którym nawinięte jest uzwojenie, otoczone ferromagnetycznym płaszczem, zaś w przestrzeni kanału znajduje się sprężyna spiralna śrubowa, pracująca na ściskanie i wykonana ze sprężystego, nieferromagnetycznego drutu, korzystnie z brązu fosforowego.

Istota zasady działania lasera z przesuwaną przesłoną według wynalazku jest taka sama, jak lasera akustycznego z wirującą przesłoną, z tą różnicą, że po osiągnięciu maksymalnej energii fali stojącej we wnętrzu rury, do końcówek uzwojenia, przykładany jest impuls napięcia. Powoduje to wciągnięcie rdzenia do kanału karkasu i przez to przesunięcie przesłony, aż do położenia, w którym otwór odsłania wylot rury. Podczas tego zostaje również ściśnięta sprężyna. W tej sytuacji emitowana jest z rury impulsowa, równoległa wiązka fal dźwiękowych, która następnie podlega takim samym transformacjom, jak w laserze z wirującą przesłoną. Po wyemitowaniu fal z rury zanika impuls napięcia, przyłożony do uzwojenia i uprzednio ściśnięta sprężyna rozpręża się, powodując powrót przesłony do początkowego położenia oraz zamknięcie rury. Następnie opisane efekty się powtarzają.

Zaletami lasera akustycznego według wynalazku są emitowanie impulsów fal akustycznych z o małej częstotliwości i dużym natężeniu z zakresu dźwięków słyszalnych, co było nieosiągalne w innych laserach akustycznych oraz możliwość regulacji parametrów tych impulsów, takich jak czas trwania, natężenie i częstotliwość. Dodatkowymi zaletami lasera według wynalazku są prosta konstrukcja i niezawodne działanie.

Przedmiot wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia laser akustyczny z wirującą przesłoną w przekroju podłużnym, fig. 2 - ten sam laser w widoku przodu, fig. 3 wyjaśnia zasadę działania tego lasera, fig. 4 pokazuje zależności energii fal

PL 223 785 B1 akustycznych generowanych przez laser od czasu, natomiast fig. 5 przedstawia laser akustyczny z przesuwaną przesłoną w przekroju podłużnym, a fig. 6 - widok tego lasera z przodu.

P r z y k ł a d l

Laser akustyczny z wirującą przesłoną składa się z cylindrycznej rury 1 o długości 35 cm i średnicy 20 cm, zawierającej powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym i pokrytej od wewnątrz warstwą styropianu 2 oraz połączonej szczelnie z jednej strony z koszem głośnika elektrodynamicznego 3 o średnicy 20 cm, o wąskiej charakterystyce kierunkowej, zasilanego z generatora elektronicznego G o regulowanej częstotliwości, przyłączanego do głośnika wyłącznikiem W. Przeciwległy koniec rury 1 styka się z przesłoną 4 w kształcie koła o średnicy 60 cm, wykonaną ze stali i osadzonej na osi 5 silnika elektrycznego prądu stałego M. W przesłonie 4 wykonany jest kołowy otwór 6 o średnicy 20 cm i umieszczony w takiej odległości od osi przesłony, że podczas jej obrotu może odsłaniać wnętrze rury 1. Za przesłoną umieszczone są współosiowo z rurą dwa paraboliczne zwierciadła 7, 8, wykonane ze stali, zwrócone powierzchniami wklęsłymi ku sobie i tworzące układ konfokalny o ognisku F. Zwierciadło 7 umieszczone bliżej przesłony ma średnicę 2 cm i pokryte jest od strony wypukłej warstwą 9 dobrze pochłaniającą fale dźwiękowe ze styropianu, a zwierciadło 8 ma średnicę 20 cm oraz ma centralnie umieszczony otwór 10 o średnicy 2 cm.

Zasada działania lasera z wirującą przesłoną polega na tym, że za pomocą wyłącznika W przyłącza się generator G do głośnika 3, który emituje fale dźwiękowe do wnętrza rury 1. Przesłona 4 zamyka w tym czasie koniec rury 1 i wprawiana jest w ruch obrotowy za pomocą silnika M, zasilanego stałym napięciem U o odpowiednio dobranej wartości. Membrana głośnika 3 drga z częstotliwością pracy generatora G i długość rury równa się nieparzystej liczbie ćwiartek długości fali dźwiękowej, emitowanej przez głośnik. Fala ta rozchodzi się w rurze 1 w kierunku przesłony 4, odbija od niej i wracając w kierunku głośnika interferuje z falą rozchodzącą się w kierunku przesłony. W wyniku odpowiedniego doboru częstotliwości pracy generatora w rurze wytwarza jest fala stojąca 11, której jeden z węzłów zawsze znajduje się na przesłonie, a przy membranie głośnika zawsze jest jedna ze strzałek. Energia fali stojącej E₁ wzrasta wraz czasem, aż do osiągnięcia ustalonej wartości maksymalnej, dla której moc strat wskutek tłumienia drgań w powietrzu i niecałkowitego odbicia od przesłony jest równa mocy fali emitowanej przez głośnik. Po osiągnięciu maksymalnej energii fali stojącej we wnętrzu rury 1, otwór 6 znajdzie się naprzeciw końca tej rury. Osiąga się to przez odpowiednie dobranie wartości napięcia U zasilającego silnik M, które wpływa na szybkość obrotu przesłony. W wyniku tego z otwartej rury zostaje wyemitowana impulsowa, równoległa wiązka fal 12 o energii E₂, która prawie w całości pada na zwierciadło paraboliczne 8 i po dobiciu od niego przekształca się we wiązkę zbieżną 13, ulegającą skupieniu w ognisku zwierciadeł F. Niewielka część wiązki 12, padająca na warstwę 9, pokrywającą zwierciadło 7, zostaje pochłonięta i nie zmienia rozkładu przestrzennego fali padającej. Po przejściu przez ognisko wiązka 13 pada na zwierciadło paraboliczne 7 i po odbiciu od niego przekształca się znowu we wiązkę równoległą 14, wychodzącą z lasera przez otwór 10 w zwierciadle 8. Ponieważ średnica zwierciadła 8 jest znacznie większa, niż średnica zwierciadła 7, to przekrój poprzeczny wiązki fali wychodzącej 14 zostaje zmniejszony w stosunku do wiązki 12, a natężenie zwiększone. Po wyjściu wiązki 12, przesłona 4 zamyka koniec rury 1 i opisane efekty się powtarzają. W ten sposób laser akustyczny emituje regularne impulsy równoległych fal dźwiękowych o m ałym przekroju poprzecznym i dużym natężeniu.

P r z y k ł a d II

Laser akustyczny z przesuwaną przesłoną jest zbudowany tak samo, jak laser akustyczny z wirującą przesłoną, z tą różnicą, że zamiast przesłony w kształcie koła osadzonej na osi silnika ma przesłonę 11 w kształcie prostokąta 24 cm x 50 cm, wykonaną ze stali i zaopatrzoną w kołowy otwór 12 o średnicy 20 cm. Przesłona 11 może być przesuwana w prowadnicach 13, 14 i w położeniu początkowym zamyka wnętrze rury 1. Do przesłony w pobliżu jej krawędzi przeciwległej do otworu 12 przymocowany jest jeden koniec ferromagnetycznego rdzenia 15, a drugi koniec tego rdzenia częściowo wchodzi do kanału w karkasie 16, na którym nawinięte jest uzwojenie 17, otoczone ferromagnetycznym płaszczem 18, zaś w przestrzeni kanału znajduje się sprężyna spiralna śrubowa 19, pracująca na ściskanie i wykonana z brązu fosforowego.

Zasada działania lasera z przesuwaną przesłoną według wynalazku jest taka sama, jak lasera akustycznego z wirującą przesłoną, z tą różnicą, że po osiągnięciu maksymalnej energii fali stojącej we wnętrzu rury 1, do końcówek uzwojenia 17. przykładany jest impuls napięcia U. Powoduje to wciągnięcie rdzenia 15 do kanału karkasu 16, a przez to przesunięcie przesłony 11, aż do położenia, w którym otwór 12 odsłoni wylot rury 1. Podczas tego zostaje również ściśnięta sprężyna 19. W tej

PL 223 785 B1 sytuacji emitowana jest z rury impulsowa, równoległa wiązka fal dźwiękowych o energii E₂, która następnie podlega takim samym transformacjom, jak w laserze z wirującą przesłoną. Po wyemitowaniu fal z rury zanika impuls napięcia, przyłożony do uzwojenia 17 i uprzednio ściśnięta sprężyna 19 rozpręża się, powodując powrót przesłony do początkowego położenia i zamknięcie rury. Następnie opisane efekty się powtarzają.

Claims (2)

1. Laser akustyczny, znamienny tym, że zawiera cylindryczną rurę (1), zawierającą powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym i pokrytą od wewnątrz warstwą materiału dobrze pochłaniającego fale dźwiękowe (2), korzystnie korka lub styropianu oraz połączoną szczelnie z jednej strony z koszem głośnika elektrodynamicznego (3), korzystnie o wąskiej charakterystyce kierunkowej, zasilanego z generatora elektronicznego (G) o regulowanej częstotliwości, przyłączanego do głośnika wyłączn ikiem (W), przy czym przeciwległy koniec rury (1) styka się z przesłoną (4) w kształcie koła, wykonaną z materiału dobrze odbijającego fale dźwiękowe, korzystnie ze stali i osadzonej na osi (5) silnika elektrycznego prądu stałego (M), natomiast w przesłonie wykonany jest kołowy otwór (6) o średnicy równej średnicy wewnętrznej rury (1) i umieszczony w takiej odległości od osi przesłony, że podczas jej obrotu może odsłaniać wnętrze rury, za przesłoną umieszczone są współosiowo z rurą dwa paraboliczne zwierciadła (7), (8), wykonane z materiału dobrze odbijającego fale dźwiękowe, korzystnie ze stali, zwrócone powierzchniami wklęsłymi ku sobie i tworzące układ konfokalny o ognisku (F), przy czym zwierciadło (7), umieszczone bliżej przesłony, ma znacznie mniejszą średnicę, niż umieszczone dalej zwierciadło (8) i pokryte jest od strony wypukłej warstwą (9), dobrze pochłaniającą fale dźwiękowe, korzystnie korkiem lub styropianem, natomiast zwierciadło (8) ma centralnie umieszczony otwór (10) o średnicy takiej samej, jak średnica zwierciadła (7).

2. Laser akustyczny według zastrz. 1, znamienny tym, że zamiast przesłony (4) w kształcie koła z otworem (6), osadzonej na osi (5) silnika (M), ma przesłonę (11) w kształcie prostokąta, wykonaną z materiału dobrze odbijającego fale dźwiękowe, korzystnie ze stali oraz zaopatrzoną w kołowy otwór (12) o średnicy równej średnicy wewnętrznej rury i przesłona (11) może być przesuwana w prowadn icach (13), (14) zamykając w położeniu początkowym wnętrze rury (1), przy czym do przesłony (11) w pobliżu jej krawędzi przeciwległej do otworu (12) przymocowany jest jeden koniec ferromagnetycznego rdzenia (15), a drugi koniec tego rdzenia częściowo wchodzi do kanału w karkasie (16), na którym nawinięte jest uzwojenie (17), otoczone ferromagnetycznym płaszczem (18), zaś w przestrzeni kanału znajduje się sprężyna spiralna śrubowa (19), pracująca na ściskanie i wykonana ze sprężystego, nieferromagnetycznego drutu, korzystnie z brązu fosforowego.