Журнал электротехники и электронных технологий

Лазерное возбуждение ультразвука в светопоглощающих жидкостях путем подачи лазерного излучения через оптическое волокно с коллоидным покрытием дистального конца одним слоем прозрачных сфер

Владимир Бредихин

Эффективные преобразователи оптического лазерного излучения в высокочастотное акустическое для медицины и технологий являются важной прикладной задачей. Возможным решением является инжекция излучения в жидкость через волокно, дистальный конец которого покрыт слоем прозрачных микросфер. Микросферы здесь выполняют роль линзы, создавая в жидкости высококонцентрированные области светового излучения. При наличии поглощения света в жидкости возникает система локальных нагретых объемов, что приводит к оптоакустическому (ОА) отклику за счет термоупругого эффекта. С этой точки зрения слой прозрачных микросфер на дистальном конце волокна в светопоглощающей среде можно рассматривать как волоконный лазерно-акустический преобразователь (ЛАП). В данной работе экспериментально исследуются две противоположные схемы ЛАП. Сначала (а) исследуется ультразвук [1], возбуждаемый лазерным излучением через кварцевое оптическое волокно Ø 1 мм с ЛАП — покрытием на дистальном конце волокна сферами полистирола (ПС) Ø 0,96 мкм. Лазер представляет собой YAG:Nd-лазер с λ = 1,064 мкм, в качестве среды используется дистиллированная вода (коэффициент поглощения света α ≈ 0,1 см-1). Лазер генерирует в режиме нулевой поперечной моды (диаметр луча ≈ 2 мм) последовательность импульсов общей длительностью ≈ 300 нс с частотой следования импульсов ≈ 2 × 105 Гц с помощью оптического пассивного модулятора. Такая конфигурация эксперимента позволяет изучать основные параметры системы в «первозданном» виде, избегая влияния более сложных эффектов, таких как тепловая самодефокусировка и состояния перегретой жидкости. Второй (б), противоположный случай, — это использование покрытия из стеклянных сфер Ø 200 мкм на стеклянной подложке в качестве ЛАК в лазерном луче (приблизительно Ø 1 мм) второй гармоники (λ = 0,532 мкм) с длительностью импульса 15 нс. В данном случае средой является водно-чернильный раствор (α ≈ 100 см-1) [2]. Покрытия, состоящие из сфер диаметром 1 и 200 мкм (см. рис.), наносятся на торцевую поверхность волокна с использованием двухэтапной технологии. Сначала на плоской стеклянной пластине формируется один слой сфер. Затем полученный один слой наклеивается на торец волокна предварительно нанесенным тонким слоем цианоакрилатного оптического клея. На пластину из коллоидного раствора наносится один слой сфер малого размера (до 10 мкм). Сферы большого размера распределяются в один слой на плоской пластине (в пределах ограниченной области заполнения). Микрофотографии сфер на кончике 1-мм волокна на клее: (а) В чистой воде при λ = 1,064 мкм (поглощение света ~ 0,1 см−1) формируется тепловая микроструктура с характерным размером фракций ≈ λ, максимальной температурой до 10−2 градуса при энергии короткого лазерного импульса ≈ 0,005 Дж. Разработанная аппаратура позволяет точно регистрировать генерацию ультразвука с ожидаемым микронагревом.(b) В случае раствора вода-чернила показано, что как уровень давления, так и частотный диапазон генерируемого ультразвука могут быть существенно улучшены, если облучение осуществляется через слой стеклянных сфер. Частотный диапазон генерируемого ультразвука определяется размерами объема, в котором поглощается свет. При отсутствии сфер этим размером является глубина проникновения света в жидкость. При наличии сфер это размер этих горячих точек.