对光声成像系统中声透镜的二元声学研究

基于二元声学的方法提出了一种折射／衍射混合声透镜设计方案,该声透镜在对光声信号进行二维成像时体现出了极大的优越性,与单声透镜相比,除了有实时成像、成像焦深较大且可以利用时间分辨技术实现层析成像的优点外,还可以利用二元声学透镜独特的色散特性校正单声透镜的轴向色差,可以极大提高成像的分辨力。通过计算机模拟了有一定带宽的点声源通过该声透镜像面上的点扩展函数,与经单声透镜的结果比较,可以看出点扩展函数弥散斑得到明显改善,极大地消除色差对成像质量的影响。     

基于近零折射率材料的声非对称聚焦透镜

研究基于近零折射率声子晶体的声非对称聚焦透镜。声非对称聚焦透镜的两侧分别为竖直平面与圆弧面结构,由于近零折射率材料的声波方向选择性,当声波从竖直平面一侧入射时,可以通过透镜,实现高性能声聚焦效应;而当声波从圆弧面一侧任意方向入射时,声波无法通过透镜,从而实现同时具有聚焦与非对称传输特性的声学透镜。在此基础上,改变透镜圆弧面的曲率半径,可以调控非对称透镜的正向聚焦焦点位置,且声非对称传输性能保持不变.此外,透镜内部的刚性散射体对声非对称聚焦性能的影响较小。研究结果表明所设计的声非对称聚焦透镜具有多功能、单一结构及高鲁棒性等优点,为设计新型近零折射率声学器件提供相应的理论方案与实验参考.      

光声信号的声透镜层析成像研究

提出了一种用声透镜实现光声层析成像的新模式。从理论上计算出了声透镜的响应，测出了已知声场中标准物像面处的声场分布。考虑到圆形活塞振源的指向性，对代表物成像进行了理论修正，并与实验结果做了对比分析。研究表明，利用声透镜可以实现光声层析成像，并经图像重构得到了生物组织中异物的光声图像，横向、纵向分辨力较高。     

基于菲涅耳声透镜的声速与焦距的测量实验

将"空气中声速测量"实验和"薄透镜焦距测量"实验融合,设计了集声学原理和光学原理的"菲涅耳声透镜"实验,明确了该实验所使用的实验仪器,给出了实验内容,即测量声透镜的焦距、通过测量声透镜的几何参量得出超声波的波长、测量超声波在空气中的声速.最后,制作了焦距f为50mm的声透镜,并对实验内容进行了可行性分析及实验验证.实验结果(声透镜的焦距为50.3mm及超声波波长值8.70mm)与理论设计值基本一致.     

基于热声相控阵列的声聚焦效应

研究基于热声相控阵列的宽频带声聚焦效应.设计新型热声相位控制单元,通过改变单元的空气温度控制声波波速,实现声波透射与反射相位延迟覆盖2π区间.设计四种不同类型的热声相控阵列聚焦透镜,采用8种或2种热声相位控制单元分别实现了透射与反射声聚焦效应.与其他类型的声聚焦透镜相比,热声相控阵列聚焦透镜具有宽频带、高聚焦性能、设计方案简单等优点.     

准平板型声透镜的聚焦原理及其计算

本文阐述了准平板型声透镜的聚焦原理,并根据声的折射定律和到达焦点的声束必须同相的条件,推导出了点声源和平行声束入射时准平板型声透镜的计算公式,并以平行声束入射的情况为例,分别用所推得的公式设计、制作了斜面形和弧面形准平板声透镜,观测了它们的聚焦性能,给出了有关的曲线和图片.经观测,透镜的聚焦性能是令人满意的.     

利用维纳滤波改善声透镜光声成像系统的分辨率

为了克服衍射效应对光声成像系统分辨率的限制,需要采用逆卷积方法进行图像反演.从理论上分析了声透镜成像原理,模拟仿真了声透镜的点扩展函数对声透镜成像系统分辨率的影响和维纳滤波解卷积方法复原光声成像的过程,并利用自搭建的声透镜光声成像系统进行了深入的实验研究,得到了物平面上相距4 mm和3 mm的两个黑胶带点的直接成像光声...     

基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜

研究基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜.根据近零折射率材料的声波方向选择机理,采用蜷曲空间结构为基本单元进行排列,设计具有特定入射与出射界面的几何结构,对透射声波的出射方向进行调控,实现了平面声波与柱面声波的聚焦效应,并深入讨论了透镜内部刚性散射体对声聚焦性能的影响.在此基础上,改变近零折射率透镜的出射界面,可以精确调控声波阵面的形状与方向.该类型透镜具有单一的单元结构、高聚焦性能及高鲁棒性等优点.研究结果为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供了理论指导与实验参考,同时也为研究声波阵面的调控提供了新思路.     

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。     

利用波导型声透镜探索声波在空气中的聚焦

声透镜是实现声聚焦的一种重要工具,它通过改变声传播路径上介质的分布和引入适当的相移,从而使波阵面指向性发生变化,作用于声场,实现聚焦。波导型声透镜在空气中能实现低频声波的聚焦,且聚焦效果较好。但由于测量环境的不同,声波遇到墙壁等刚性边界时会被反弹,实际的聚焦区域与理论值会有些许偏差。     

二维蜂窝结构声子晶体的负折射成像研究*

为了得到分辨率更好的平板透镜,对此进行了研究。利用有限元的方法研究了由水/水银材料组合的二维蜂窝结构声子晶体平板透镜的负折射成像特性,通过数值仿真计算了声子晶体的能带结构、等频色散曲线,模拟了点源成像,并且利用高斯波束验证了声子晶体平板透镜的负折射现象,得到了有效折射率neff =-1的成像。对比相同材料的正方晶格和三角晶格而言,该模型的成像效果更佳。为了改善成像分辨率,还在原来的模型上进行了改进,得到了分辨率约为0.37λ的亚波长像。     

菲涅尔透镜聚焦声泳打印装置设计及实验研究*

针对现有的喷墨打印技术需根据喷印材料的特性定制而较难直接用于不同材料打印的问题,设计了一种基于菲涅尔透镜聚焦的声泳打印装置,该装置由超声发生器、超声换能器、菲涅尔透镜以及供液系统组成。首先,利用COMSOL软件模拟液滴在声辐射力作用下的滴落过程,并分析了超声发生器功率、喷嘴到基底距离、菲涅尔透镜厚度等参数对声场压力分布的影响,以及声场压力、喷嘴直径及材料粘度对液滴喷射过程的影响。其次,采用构建的声泳打印装置进行喷射成滴实验,通过调整超声发生器输出功率实现了不同粘度的聚乙二醇溶液的喷射以及UV胶的喷射。实验结果表明：该微滴喷射系统能产生一致性较好的微滴,喷印出的微透镜尺寸波动范围在2%以内,证明了该装置的稳定性以及实现了不同材料微滴喷射的可行性。     

基于声透镜的三维光声成像技术

基于声透镜的光声成像系统中, 由样品的光声压分布等效样品的吸收分布, 进行光声像重建, 但之前的这种等效是一种近似, 理论上并不准确. 本文阐述了声透镜三维光声成像的基本原理, 揭示了声透镜像面上光声压信号的时间分布与样品轴向吸收分布之间的关系; 提出用积分法和希尔伯特变换提取光声信号瞬时值法, 解调样品吸收系数分布并重建光声像; 实验上, 对不同样品分别用积分法和希尔伯特变换法获取样品的吸收系数, 重建光声像的横向和轴向分辨率均约为1 mm, 实现了真正的三维快速光声成像.     

A0模态Lamb波聚焦透镜的结构设计及实验研究

基于折射率的弯曲波透镜多在板结构上打孔或挖槽,这种设计破坏了原有的结构,降低了板的刚度和稳定性。鉴于此,通过在板表面镶嵌棱柱的方式设计了A0模态Lamb波的聚焦透镜。首先,详细讨论了棱柱的结构参数对Lamb波带隙的影响机理,获取了波速与结构尺寸的定量关系,并实现了透镜的结构设计;其次,有限元仿真了该聚焦透镜的工作性能,包括聚焦位置、焦点处能量分布、聚焦尺寸、工作带宽等;最后,通过实验验证了该透镜设计的正确性。研究结果表明,设计的透镜能够使弯曲波聚焦在预先设定位置,且在不改变结构参数的情况下具有一定的工作频率带宽。该透镜设计方法具有聚焦性能优越、刚度强、易于加工等优点,为声聚焦透镜在无损检测、能量收集等领域的实际应用提供了参考。     

共形Mikaelian声透镜设计*

该文研究了利用共形变换设计声学器件的一般方法,在此基础上根据普通Mikaelian透镜的折射率分布规律,利用指数映射设计出了弧形的Mikaelian透镜,分析并讨论了弧形透镜的密度、模量和折射率分布规律。对160 k Hz的声波进行了仿真实验,仿真结果表明,在弧形透镜的理论预测焦点处出现能量汇聚的现象,即实现了弧形聚焦的效果。同时,声波在经过该透镜后传播方向产生了一定角度的偏转。该工作为实现弧形声学器件提供了理论方法,在水下声探测及水下声通讯等方面有着潜在的应用。     

反射式液晶空间光调制器用于光束会聚控制

根据偏心透镜组的结构原理,利用液晶空间光调制器(LC-SLM)对其结构进行了优化。对LC-SLM等效透镜功能的原理进行了分析,模拟仿真了利用LC-SLM对光束进行调制的结果。实验验证了LC-SLM通过加载菲涅尔透镜相位图,实现了对光束会聚功能,并且通过耦合位移相位因子可以实现会聚光斑平移的功能,能够代替在偏心透镜组中实现同一功能的透镜。配合后续的透镜组,理论上可以控制光束实现大角度的扫描。     

基于光控取向技术的液晶元器件研究

从液晶取向技术展开,介绍了液晶几何相位的基本原理和光控取向液晶元器件的制作工艺,通过实验制备了液晶透镜和液晶双焦点透镜样品,并在衍射光路中演示了其效果.相比于传统光学透镜,制备的液晶透镜和双焦点透镜的焦距和焦点位置可以按需预设在液晶样品中,其中双焦点透镜可实现焦距相等和焦距不相等的情况.此外,本实验制备的液晶样品还具备偏振控制的功能,通过调节入射光的偏振态可以切换目标光场的分布.     

介质超透镜自动设计技术及软件研究

由于超透镜在光场相位调控、多功能复合、微纳集成等方面具备传统透镜无法比拟的优势,故其在许多领域具备极大的应用潜力。但是,超透镜的设计需要专业人员具备专业知识及丰富的经验,这使得非专业人员无法快速掌握,为此阻碍了超透镜的规模化制备。通过MATLAB和时域有限差分法(FDTD)的混合编程,研究了不依赖于预设物理模型的超透镜的设计过程,实现了介质超透镜的自动化设计。通过在MATLAB编写的软件界面上输入所需的超透镜参数,后台调用FDTD设计仿真程序来构建纳米结构,可以计算出结构的尺寸与相位和透过率的关系。根据所需的相位分布来构建超透镜,最后对超透镜进行数值模拟仿真及性能评估。所述的设计流程及软件能极大地方便非专业人员进行超透镜的设计。     

高压大电流SF6激光触发开关中透镜的污染

研究了高压大电流SF6激光触发开关在使用过程中透镜污染的问题,通过对激光触发开关中被污染透镜透过率的测量、透镜表面附着物的分析和透镜使用寿命的数据积累,总结出氟化氢的腐蚀和开关粉尘附着是造成激光开关透镜透过率降低、以致失效的主要原因。通过三种激光触发开关结构参数分析和开关运行数据的比较,认为采用氟化钙透镜、低吸水性绝缘材料、选择轴向绝缘V/N型辅助间隙多电极开关结构、铜钨合金电极、脱水处理等措施,可以降低氟化氢和粉尘的产额,从而增加开关的工作寿命。     

支撑曲面法设计自由曲面照明透镜

利用能量守恒建立光源与目标之间的网格映射可以用来设计自由曲面照明透镜,然而这种方式设计透镜表面的连续性依赖于映射是否可积。其根本原因是这种预先设定的映射并非照明问题的真实解。为了得到连续的透镜曲面,首先使用支撑曲面法利用一定数量的笛卡尔卵形面构造非连续的自由曲面透镜。以这个透镜为初始设计,通过拟合建立光源与目标面的网格映射。由于初始设计的透镜为照明问题的真实解,因此这个映射满足可积条件。光学仿真表明这种方法设计的透镜可以在目标面达到目标面达到0.77的照度均匀性以及81.6%的光学效率,同时透镜的表面连续。