超声光栅测量声速的研究及仪器化实现

本介绍的超声致光衍射形成原理及利用该原理测量液体中的声波速度．并重点讲述了WSG-I超声光栅声速仪的研制方法及性能。     

基于探测超声的新型生物组织光声层析成像

利用一束单频探测超声穿过由脉冲激光照射产生的光声激发区域，使之与光致声场产生相互作用，光声信号将耦合到探测束上，再解调探测超声来重建光吸收区域的图像，可以得到丰富的组织信息.该信息不仅反映了组织中光吸收的特性，也反映了组织的声学特性.实验中，通过旋转超声探测器进行数据采集，并利用滤波反投影算法重建图像，可得到高信噪比的光声层析图像.由于激光的窄光谱线宽，其吸收是特征分子选择性的，所以此方法既是一种无损伤的结构层析成像方法，也可用于组织的功能成像.     

测量液体非线性参量的光声方法

本文描述了一种用光声脉冲测量液体非线性参量Ｂ／Ａ的新方法。用聚焦脉冲激光束通过光击穿机制在液体中激发光声脉冲。在测量距离范围内，光声脉冲声压幅值随传播距离的变化接近球面扩展衰减规律。根据光声脉冲传播一定距离后前沿上升时间的变化，测定了液体的Ｂ／Ａ。和有限束宽的平面脉冲声波相比，用球面脉冲声波可以避免衍射的影响。用此法测量了水的非线性参量，得到了满意的结果。     

光学滤波与频谱分析

依据光声效应产生的超声波具有波的特性,借鉴光学成像理论,提出了一种新的光声信号成像模式一利用声透镜直接成像。以声场复振幅来描述声场分布,根据基尔霍夫衍射理论,从理论上推导了声透镜的脉冲响应,并通过实验得到了生物组织的功能成像。     

相干光学声子的操控以及对能量输运过程的影响

利用脉冲整形器生成双脉冲泵浦光,通过调整双脉冲的间隔时间,在不改变泵浦光能量密度的前提下,实现了相干光学声子的增强和完全消除,进而研究了相干光学声子对半导体能量输运过程的影响。实验直接验证了光学声子在超快能量输运过程的重要作用。相干光学声子增强时测量得到的热电子冷却以及晶格加热的特征时间均减小,因此激发相干光学声子可提高超快能量输运效率。当电子与晶格处于热平衡状态时,相干光学声子增强和消除前后反射信号的下降趋势相同,因此光学声子对热量输运没有显著影响。     

基于衍射光学元件的激光相干合成研究进展

从衍射光学元件的基本原理出发,围绕连续波和脉冲波两大应用领域,综述了国内外基于衍射光学元件实现共孔径相干合成的研究进展。在国内,上海光学精密机械研究所分别实现了连续光和脉冲光的合成,连续光实现了206 W的输出功率,光束质量1.38,合束效率29.6%;脉冲光实现了峰值功率1.02 kW,重复频率2.2 MHz的ns级脉冲相干合成光束,合束效率61%。在国外,连续光方面实现了5 kW量级的合成光输出,合束效率82%;脉冲光方面实现了平均功率150 mW,重复频率100 MHz的fs级脉冲相干合成光束,合束效率83.4%。最后对基于衍射光学元件的激光相干合成技术的未来发展做出了展望,相信在不久的将来,基于衍射光学元件的相干合成技术会不断发展,逐渐突破技术瓶颈,从而为更多的应用领域奠定坚实基础。     

超声光栅实验中声致折射率变化的研究

为了研究声光效应中声致折射率变化情况,以超声光栅实验为基础,用CCD结合光强分析软件,分析了衍射光的强度分布;通过数值计算衍射光相对强度,比较得到了在超声场频率为10.27 MHz时,介质中的声光相位延迟Δ=1.2855 rad,声致折射率变化量Δn=3.014×10-6;进而讨论了电声换能器的机电耦合效率与超声频率的关系,给出当超声频率为10.33 MHz时,耦合效率最高,介质中折射率变化量最大;结果表明,在超声光栅实验中,引入这些测量内容,不仅能丰富实验内容,更能加深学生理解声光效应,扩展学生的知识面.     

时间平均全息法显示超声场

本文介绍了用时间平均全息法显示超声振幅场侧视图的一种有效方法.由时间平均全息法获得的全息图再现象,与Schlieren法的零级光所成的象完全相同.本方法与常用的Schlieren法比较,有两个优点:1.不需要质量较高的光学元件,2.能显示频率较低的超声场.当然,本方法也有不如Schlic-ren法之处.     

晶格振动的超快光谱调控

采用飞秒激光抽运脉冲激发了Bi_2Te_3薄膜频率为1.856 THz的声子相干振动,并用探测光测量得到了其阻尼振动信号.结合Raman光谱,确定该振动为A~1_(1g)对称振动模式的相干光学声子.为了实现该模式振动的调控,在抽运光路上安装了脉冲整形器,进而控制生成具有不同时间间隔和能量比的两束脉冲激光.研究表明,当两束脉冲的间隔时间为相干光学声子振动半周期的奇数倍时,调整两束脉冲的能量比值,可以实现A~1_(1g)模式振动的完全消除.继而将两束脉冲的能量比值保持不变,得到了振幅随间隔时间的变化曲线,与理论分析符合.结果进一步证实了用超快光谱调控特定晶格振动的可行性,从而为研究材料内部超快能量传递过程提供了有效手段.     

干涉型全光学光声光谱气体传感技术研究进展

光声光谱技术作为一种超高灵敏度的气体检测技术,声波传感器作为核心部件直接影响着系统的体积和检测极限。传统光声光谱技术使用电容式麦克风作为声波探测单元,但该器件的电学特性易受到高温环境和电磁干扰影响。在全光学光声光谱系统中,利用光学声波传感器对光声信号进行探测,避免了电子探测元件的使用,具有环境适应性强、灵敏度高等优点,且系统中全光学的设计可以极大地减小光声传感单元的体积。综述了基于干涉型光学声波传感器的全光学光声光谱气体传感技术的研究进展,并展望了其未来的发展方向。     

一种基于非衍射波的高帧率超声成像发射系统的研究

基于非衍射波的高帧率(high frame rate,HFR)超声成像的前提是发射阵列波(array beam)声场,但由于阵列波的正弦函数特征使对超声发射信号加权处理变得比较困难,导致了发射系统复杂.针对这一问题,本文提出一种有效的解决方案.基于傅里叶变换理论,从方波的能量成分主要集中在基波这一特性出发,采用单值方波对超声传感器发射信号进行加权,用一个功率信号源和简单的电子开关网络实现了HFR系统中所需要的发射电路.实验表明,这种方案对HFR的成像质量几乎没有什么影响,但大大简化了HFR成像系统,这为HFR超声成像方法在现有B超声系统上的实现提供了一个可行的方法.     

高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场模拟

建立了高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场计算模型, 并采用有限元方法计算了20 kHz超声直接作用下AZ91D熔体的声场分布, 熔体声场呈辐射状分布, 距离声源越远, 声压幅值越低. 采用超声作用下单一气泡变化模型描述超声作用下AZ91D 熔体中的空化效应, 通过对Rayleigh-Plesset方程的求解, 得到了不同声压作用下气泡的变化规律, 获得了声压幅值与熔体空化效应的关系, 声压幅值越大, 气泡溃灭半径阈值越小, 熔体发生空化效应越容易. 计算了固定坩埚尺寸、不同超声探头没入熔体深度情况下的声场, 得到了超声探头最优没入深度为30 mm左右. 将声场计算结果以及AZ91D熔体中空化效应的发生规律进行综合分析, 得到了超声功率对有效空化区域的影响规律, 超声功率较大时, 有效空化区域体积随超声功率近似成线性增大. 最后, 通过甘油水溶液超声处理实验, 验证了模拟计算的准确性.     

光弹法测量超声换能器声场

超声换能器声场的测试对于超声检测具有基础性作用,而传统的超声换能器声场测试方法具有一些局限性。本文介绍了搭建的动态激光光弹实验平台,并利用动态光弹法测量了纵波换能器和横波换能器辐射声场的特征,由瞬态声场图像获得了传声介质的声波速度及超声换能器的中心频率;由稳态声场图像获得了声场的近场长度、指向性和扩散角等参数;分析了光弹实验系统和测量方法可能引起测量误差。本文结果表明动态光弹法是一种有效的定量测量超声换能器声场的方法。     

衍射超声透镜

以基尔霍夫衍射理论和菲涅尔波带片理论为原理,设计制作了一个衍射超声透镜,实验达到声波聚焦放大效果,理论模拟准确预言实验结果.改变透镜的物距D和透镜环数N对比声场,发现后者是影响一维声场分布的主要因素.     

脉冲激光在液体中激发的声波特性研究

理论上分析了脉冲激光在液体中产生的声波波阵面随光声源形状的变化,以及不同激发机制下光声脉冲波形的差别,并从实验中得出了脉冲CO2激光光声脉冲频谱特性.结果表明光声波波阵面为球面或柱面,热弹机制激发双极性的光声脉冲,汽化机制激发单极性的光声脉冲,CO2脉冲激光在水中激发的声波频谱峰值主要在100 kHz以下.通过选择光声源的形状和激发机制可以获得所需的光声信号.     

声全息技术

 声全息是利用声波干涉获得被观察物体声场全部信息的声成像技术。20世纪60年代中期,为了检测和显示对于可见光和X射线来说是不透明物质的结构特性,人们提出用声波代替光波的声全息技术的研究,并且迅速地得到发展和应用。声全息在原理上与光全息完全相同。     

基于聚焦声场模型的光声层析成像时间延迟快速校正反投影方法

光声层析成像是一种发展迅速的成像技术,其可提供生物组织的结构和功能信息,结合了光学成像高光学对比度与声学成像高穿透深度的优点.然而,由于现有的反投影成像算法通常将围绕目标扫描的超声换能器等效为一个点探测器,导致非中心成像区域图像的切向模糊,严重影响了图像质量.本文提出一种新的光声层析成像算法,其采用聚焦声场等效模型,可以快速有效地克服换能器孔径效应所造成的声场畸变,恢复非中心成像区域的切向分辨率.仿真结果表明,该方法对直径5 mm,距离旋转中心6 mm的目标,切向分辨率提升至少达2倍.实验结果表明,该方法可以有效地恢复边缘图像的切向模糊,使得复杂目标的微小结构能被清晰探测.这种新方法为传统的反投影方法提供了一种有价值的替代选择,对基于圆/球扫描的光声层析成像系统的设计具有重要的指导作用.     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

奇妙的声全息技术

声全息是利用声波干涉获得被观察物体声场全部信息的声成像技术.20世纪60年代中期,为了检测和显示对于可见光和X射来说是不透明物质的结构特性,人们提出用声波代替光波的声全息技术的研究,并且迅速地得到发展和应用.     

超声吸收体物理参数对红外热成像测量高强度聚焦超声声场的影响

超声吸收体的物理参数对利用水听器和红外热成像技术的高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)声场测量结果具有重要影响。为了探索超声吸收体的物理参数(密度、声速、衰减系数、热扩散系数、定压比热容)对测量结果的影响规律,本文根据层状模型计算出相同声源功率输出时不同物理参数对应的超声吸收体内部声场和热场,利用有限差分法计算出超声吸收体表面在辐照过程中的温度变化;利用基于水听器和红外热成像技术的聚焦声场测量方法测量出焦域内不同位置上声场特征值(轴线声强和-6 dB声束宽度),与通过理论计算得到的声源在纯水中声场特征值进行比较,分析了不同物理参数对测量结果的影响。超声吸收体的声、热学参数中除了声速外,其它物理参数的变化引起声场特征值的测量造成最大相对差异率小于15%。因为声波传播速度的改变会导致超声吸收体内部热场分布变化,使测量结果与理论计算值有较大偏差,其中-6 dB声束宽度和轴线声强最大相对差异率为95.37%和69.97%。因此在选择超声吸收体的声、热学参数时应重点关注声波在吸收体内声速的影响。超声吸收体的声学参数与水的声学参数相近时,可以在焦域内获得较好的测量结果。