Design of sonar transducer based on the laser-induced sound

A design of a kind of sonar transducers was presented. An experimental system was developed for producing the sound signal based on the laser-induced breakdown and bubble oscillation. The power spectrum and the ambiguity function were analyzed. The range resolution and the Doppler resolution constant of the sound signal were determined. It is basically proved in theory that both the range resolution and directivity of the sonar transducer are very high. The transducer can be a sound source of high-resolution sonars.     

高能拍瓦激光系统中大口径离轴抛物面聚焦特性研究

为进行快点火实验,需对高能拍瓦激光聚焦系统中的核心元件即大口径离轴抛物面,进行深入量化研究,以便对其结构选型和精密调整提供准确的理论依据。利用基于严格的矢量衍射理论的数值计算方法,并结合像差分析得到了大孔径、大离轴量的抛物面镜(OAP)的物理光学成像特性。首先用理想平行光入射,得出OAP的三维平动公差与其焦深密切相关,OAP绕旋转对称轴的转动可归结为平动问题,其公差与焦深也有简单关系;入射光轴失准时,像散占主导作用,并可由一结构因子来定性描述其对像斑的影响。其次当入射光有一定的发散角时,除引起最佳像面位置变化外,还会由于OAP不对称性而引起的彗差使得像斑的峰值光强大大降低,并论述了OAP的结构参数对此的影响。     

超声手术刀声学系统设计和实验*

为兼顾阶梯型变幅杆的高放大系数以及曲线过渡变幅杆突变截面处的高疲劳强度,本文提出了一种最速曲线过渡段的超声刀换能器。首先,基于等效电路法,设计了夹心式压电换能器的基本结构。在此基础上,结合超声刀的工作条件和材料特性,对换能器基本结构进行精确设计;然后,利用FEM法和实验法获取了换能器纵振频率以及频率响应曲线,进一步证明了本文所设计换能器的有效性;最后,对所设计的换能器进行了一系列测试,结果表明：测定了无负载换能器谐振频率与输出端振幅,与设计目标、仿真结果相吻合;连接负载后凝血,切割效果良好。     

柔性超声换能器在生物医学中的研究进展*

传统超声换能器存在体积大、表面刚性的缺点,无法用于人体复杂皮肤表面和可穿戴器件的设计。为使换能器具有灵活、体积小,满足可穿戴的特点,将其压电元件、电极和封装等各组成部分重组为柔性换能器。相比于传统换能器,它有两个优点：首先,不需要专业人员操作,可实现持续性的超声监控或治疗。其次,通过更全面的皮肤表面覆盖,扩大声场范围。在超声诊断方面,改善声信号采集,获得更全面的检测信息;在超声治疗方面,增加声能量沉积,提高疗效。柔性换能器使超声医疗应用场景多元化,可实现连续超声诊断或超声治疗。该文首先概述了其在设计和加工方面的最新进展,然后重点介绍了其在诊断和治疗方面的应用,最后讨论了这一领域所面临的挑战并对发展前景进行展望。     

耐γ辐射匹配层的制备及其在超声换能器的应用*

超声换能器是超声无损检测系统的核心器件。匹配层作为超声换能器的重要组成部分,能减小声阻抗失配造成的声能损失,提高换能器能量传输效率。传统超声换能器由于匹配层等有机材料在射线辐照条件下引起化学键断裂而失效,从而影响检测的准确性。为了研制高性能耐辐射超声换能器,本文选择具有良好耐辐射性能的双酚A型环氧树脂作为基体,氧化铝陶瓷粉末作为无机填料,制备了不同氧化铝含量的匹配层(0%～80%),研究了该系列匹配层样品经过γ射线辐照后的颜色、密度、声速、声阻抗和声衰减的变化情况。随着辐照剂量的增加(0～1000kGy),样品的颜色逐渐加深,密度几乎保持不变;声速,声阻抗和声衰减略有提高。基于该匹配层,研制了中心频率9MHz的超声换能器,换能器辐照前后信号变化不大,表明该系列匹配层在较大剂量辐照下仍然具有良好的声学性能,是较为优异的耐辐射匹配层材料,具有较好的应用前景。     

应用于斜楔块的子孔径虚拟源全聚焦成像*

楔块斜入射检测工艺下,楔块会进一步降低全聚焦(Total Focus Method, TFM)成像的缺陷检测能力。尤其是在检测大深度缺陷和粗晶材料时,全聚焦图像会因为缺陷回波幅值下降,导致缺陷图像的信噪比较低。为了提高入射能量,本文提出了应用于斜楔块的子孔径虚拟源全聚焦(Sub-aperture Virtual Source Total Focus Method, SVS-TFM)成像技术。研究结果表明：该技术通过延时控制子孔径阵元激励形成虚拟源发射,显著增加了射入到被检构件中的声能。在横向Q值为20mm~40mm探头移动区间内,17mm~38mm深度范围内Φ3边钻孔幅值较黄铜全聚焦图像提高4.58 dB~7.12 dB;当钢制试块为被检对象时,在横向Q值为30mm~40mm探头移动区间内,40mm~65mm深度范围内Φ1边钻孔幅值较全聚焦图像提高0.63 dB~2.35 dB。     

基于人工微纳结构的平板衍射透镜

现代显微镜中的物镜受限于瑞利衍射极限,其分辨率不能满足生物成像、材料科学以及光刻等领域的需求。目前,突破瑞利衍射极限的方法可分为近场(如扫描近场光学显微镜、超透镜、微球透镜)和远场(如受激辐射损耗显微镜、光激活定位显微镜、随机光学重建显微镜)方法。然而,前者利用纳米探针散射物体表面一个波长范围内的倏逝波,极具挑战性;而后者对样品有选择性,只适用于荧光分子样品,且会对样品造成损伤。近年来,平板透镜利用波带片、光子筛以及梯度超构表面等人工微纳结构来控制光的衍射,具有小型化、高数值孔径、大焦深、亚衍射极限聚焦等功能,为远场无标记超分辨率成像提供了一个可行的解决方案。本文从衍射聚焦光学的统一理论出发,总结平面衍射透镜的最新进展,揭示基于光场调控实现纳米聚焦的物理机制,介绍平板衍射透镜的设计原理、光学性能、微纳结构特性和材料影响,详细讨论平板衍射透镜的光学像差(如离轴像差和色差)及其校正,平板衍射透镜在纳米成像、光刻以及光电子能谱仪中的应用,最后展望其未来的发展方向和机遇。     

无线电窄波束在低电离层中的聚焦和散焦

 推导了无线电窄波束在电离层中传输的非线性几何光学方程,分析了无线电窄波束在低电离层中传输的聚焦和散焦原理,推导出了散焦参数和聚焦参数的计算公式,研究了无线电窄波束在低电离层中传输的散焦现象,讨论了电波频率和功率对发散波束宽度的影响。计算结果表明：低电离层主要表现为一种散焦介质,使电波波束发散,当电波频率较低并且功率较大时,波束散焦现象非常明显,使到达目标点的功率密度大幅度降低,而当频率达到数GHz时,波束散焦现象很微弱。     

Wiggler聚焦带状注速调管电子光学系统的设计

 带状注速调管可以在高频段实现高功率微波输出,电子光学系统是带状注速调管的关键部件。阐述了Wiggler双平面聚焦理论,设计了新型椭圆形柱面阴极和椭圆形聚焦极结构,阴极曲率半径为17 mm,长轴10 mm,短轴4 mm;聚焦极长轴28.8 mm,短轴10.4 mm。采用这种结构可以直接产生椭圆形带状电子注,且阴极发射电流密度较为均匀。设计了周期长度为8 mm,总长度为108 mm,中间带有凹槽并可以实现双平面聚焦的Wiggler结构,模拟显示电子注填充因子在75%左右,通过率达到100%。设计了新型的菱形收集极结构,电子轨迹在收集极内发散均匀。     

聚焦误差热透镜技术单透镜测量构型理论分析

构型优化条件要求柱面聚焦透镜与待测样品位置重合,造成实验实现的困难,因此通过数值计算分析了柱面聚焦透镜位置对其余构型参数优化值、聚焦误差信号幅值及其非线性误差的影响。提出了聚焦误差热透镜技术的单柱面聚焦透镜测量构型,并建立了基于热透镜光学相移理论的热透镜聚焦误差信号理论模型,获得了构型优化条件。计算结果表明：当柱面聚焦透镜与待测样品间距小于0.7倍的柱面聚焦透镜焦距时,探测和激励光斑半径优化值与理论优化值基本一致,探测器与聚焦透镜间距略有增大,聚焦误差信号大于0.85倍的理论极值,探测光最大光学相移小于0.2 rad时非线性误差小于1%。证明了聚焦误差热透镜技术的单柱面聚焦透镜测量构型的可行性。