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英國科學家利用激光製造特定超聲場

來源:中國光學期刊網2017-03-25 我要評論(0 )   

近日,英國倫(lun) 敦大學學院(UCL)的科學家們(men) 研究出了一種製造特定超聲場的方法,不需要用到聲換能器就能實現多重、最大限度地聚焦。該方法用6納米寬的激光脈衝(chong) 照射到一個(ge) 3...

近日,英國倫敦大學學院(UCL)的科學家們研究出了一種製造特定超聲場的方法,不需要用到聲換能器就能實現多重、最大限度地聚焦。該方法用6納米寬的激光脈衝照射到一個3D打印的物體上,物體表麵已經被噴塗了光吸收材料,從而產生特定結構的聲場。研究人員相信這個技術將會比常用的聲能轉換器陣列便宜得多,並將在物理學和生物醫學上得到大量應用。

聚焦聲音

理論上產生任意形狀的聲場是非常容易的一件事,例如在不同位置有多個焦點的聲學設備或者特定的連續結構聲場等,這在許多領域都會得到應用,小到實驗室中的微粒和生物細胞碎片的操控,大到診室中的超聲治療和神經刺激。但是從理論模型到實際操作卻是很艱難的。

傳(chuan) 統的超聲波是由壓電材料製成的壓電轉化器將電能轉換成高頻振動,從(cong) 而產(chan) 生聲場。利用這種技術產(chan) 生多焦點或有結構的聲場需要複雜的壓電轉換器陣列以及複雜的電路,成本高昂。

光聲透鏡

該研究小組利用光脈衝(chong) 解決(jue) 了這個(ge) 問題。更具體(ti) 地說,他(她)們(men) 利用光聲效應,將調製光或者激光脈衝(chong) 的部分能量轉化成聲能。研究人員解釋到,如果激光脈衝(chong) 照射到合適形狀的物體(ti) 上,得到的聲場將會(hui) 是多焦點的,具有緊密的特定結構超聲波。

首先研究人員設計了一個(ge) 盤狀的靶材料,盤上不同位置的垂直深度不同,利用激光脈衝(chong) 產(chan) 生特殊的聲場需要周期性地調製這個(ge) 深度。這就成了一種光聲透鏡——一個(ge) 塊狀的不規則表麵,光作為(wei) 輸入信號,從(cong) 而產(chan) 生特定結構的聲場。接著他(她)們(men) 開發出一套數值算法,將用戶設想的3D聲場作為(wei) 輸入信息,計算得到產(chan) 生這種聲場所需的光聲透鏡的表麵物理結構。

“7”字形聲場

該小組用這個(ge) 算法得到了產(chan) 生“7”字形聲場的樣品表麵輪廓。然後利用高分辨率聚合物噴射3D打印機製作出剛性的近乎透明的光聲透鏡,接著在其表麵噴塗上吸光聚合物材料。

接下來他們(men) 把透鏡放置在水麵上,用1064nm的YAG調Q激光器發出的6nm寬激光脈衝(chong) 照射在透鏡表麵。脈衝(chong) 通過樣品產(chan) 生一定形狀的聲場,並通過水傳(chuan) 播到位於(yu) 水底的傳(chuan) 感器。結果表明激發產(chan) 生的聲場結構和模型預設的聲場結構極為(wei) 相似——用聲音寫(xie) 出“7”的形狀。

文章第一作者UCL的博士生Michael Brown表示該技術還需要進一步精確,特別是針對不同的光源。例如調製光源比脈衝(chong) 激光要更有利於(yu) 產(chan) 生精細的聲場。不過他預計這項技術將有廣闊的應用前景,特別是在操控生物細胞和其它微粒方麵。他說,“類似的單焦點器件已經被用於(yu) 劈裂細胞團和藥物輸送,我們(men) 的工作將會(hui) 在這方麵得到應用。”


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