一种激光超声光声转换装置及其制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种激光超声光声转换装置，包括：用于激光超声聚焦的声聚焦晶体结构1；声聚焦晶体结构1的一侧旋涂有复合光声转换层2，复合光声转换层2用于激光超声增强以及激光超声聚焦；复合光声转换层2吸收激光器发射的激光束，首先将其转换成声能，然后对其聚焦，并将产生的超声波信号传导进入声聚焦晶体结构1，由声聚焦晶体结构1进一步聚焦。同时本发明专利技术还提供了该装置的制作方法。本实施例中的激光超声光声转换装置作为一种新的声源兼具有激光超声高频率和聚焦超声高指向性的优点，可以实现对器件的无损探伤检测，并具有非接触、探伤分辨率高等优点，提高了检测的效率，节省检测时间，对比传统的激光超声检测探伤的深度有较大提高。

【技术实现步骤摘要】
一种激光超声光声转换装置及其制备方法
本专利技术涉及光学工程和材料以及声学的交叉
，尤其涉及一种激光超声光声转换装置及其制备方法。
技术介绍
激光超声技术可以用于高精度的缺陷检测，其中，激光超声无损检测是其中研究最多的一个方面。激光在试样表面通过热弹效应产生超声，激发产生的声波在试样中传播的时候与缺陷作用后被检测到，通过对接收到的声信号进行信号处理，确定缺陷的位置信息。聚焦超声由于能量集中，实现无损探伤有更好的指向性，同时能达到更高的探测深度。高强度聚焦超声(HIFU)是指能够将超声波聚焦于靶组织，使其生热以至消融而不影响周围健康组织的一种治疗技术，这一技术很有希望用于治疗癌症，通过超声在聚焦的组织区域瞬间产生很高的温度来杀死癌细胞而不损伤周围的细胞，这种方式有非接触，无创的特点，所以被广泛研究，而现在所研究的高强度聚焦超声大都是通过压电换能器阵列实现的，压电换能器不但结构复杂，且价格昂贵，其需要与声聚焦镜头之间的耦合剂匹配层，会对待检测物产生污染。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，进一步增强激光激发超声的强度，提高激光超声的检测深度，实现高强度聚焦超声，提供了一种激光超声光声转换装置，并同时提出了这种激光超声光声转换装置的制备方法，采用该装置具有激光超声非接触、激发超声强度高的优点。第一方面，本专利技术提供了一种激光超声光声转换装置，包括：用于激光超声聚焦的声聚焦晶体结构1；声聚焦晶体结构的一侧旋涂有复合光声转换层2，复合光声转换层2用于激光超声增强以及激光超声聚焦；复合光声转换层2吸收激光器发射的激光束，首先将其转换成声能，然后对其聚焦，并将产生的超声波信号传导进入声聚焦晶体结构1，由声聚焦晶体结构1进一步聚焦。优选地，声聚焦晶体结构为透明结构。优选地，声聚焦晶体结构由聚二甲基硅氧烷PDMS胶体固化得到。优选地，复合光声转换层是将碳纳米管和PDMS的混合材料旋涂到声聚焦晶体结构的上，然后固化得到的。优选地，碳纳米管为强氧化性酸和硅烷偶联剂改性的碳纳米管。优选地，声聚焦晶体结构和复合光声转换层均为弧面型。第二方面，本专利技术提供了一种激光超声光声转换装置的制备方法，包括：S10，制备声聚焦晶体结构：设计并制备所需形状的的模具；将PDMS胶体与固化剂按一定比例混合，静置；将静置后的液态PDMS胶体倒入所述模具中进行固化，得到所需声聚焦晶体结构；S20，制备复合光声转换层：将PMDS材料与碳纳米管按一定比例混合，静置后旋涂到所述步骤S10得到的声聚焦晶体结构上，然后进行固化，获得复合光声转换层，得到所需激光超声光声转换装置。优选地，步骤S10中的固化温度为80-150℃，固化时间为1-2h。优选地，步骤S20中的固化温度和固化时间与所述步骤S10中的相同。优选地，碳纳米管为改性碳纳米管。相对于现有技术，本专利技术提供的激光超声光声转换装置的优点和有益效果为：1、本专利技术提供的激光超声光声转换装置具有高强度聚焦，且不需要复杂、昂贵的高频率压电超声换能器，同时也不需要压电换能器与声聚焦镜头之间的耦合剂匹配层，不会对待检测物产生污染。另外，该装置可以有更大的自由度，声聚焦的焦点能更方便的调节。在声聚焦更灵活的同时器件能微型化。2、激发超声的频率较高，可以达到毫米级别的探伤精度。3、聚焦超声使得超声的指向性和幅度大大增强，提高了探伤的深度。4、复合光声转换层和声聚焦晶体结构的主要成分都是PDMS胶体，故其声阻抗很相近，避免了由于声阻抗不匹配带来的声能量的损失。5、该装置有激光超声非接触的优点，可以实现对被检测物体的非接触在线检测，提高了检测的效率，节省检测时间。附图说明以下，结合附图来详细说明本专利技术的实施方案，其中：图1为本专利技术一实施例提供的激光超声光声转换装置示意图；图2为本专利技术一实施例提供的装置制备流程示意图。具体实施方式下面通过附图和具体的实施例，对本专利技术进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本专利技术，即并不限制本专利技术的保护范围。本部分对本专利技术实验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本专利技术目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本专利技术仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本专利技术所用材料和操作方法是本领域公知的。图1示出了本专利技术一实施例激光超声光声转换装置示意图。如图1所示，该实施例的激光超声光声转换装置，包括用于激光超声聚焦的声聚焦晶体结构1；在声聚焦晶体结构1的一侧旋涂有复合光声转换层2，复合光声转换层2用于激光超声增强以及激光超声聚焦；复合光声转换层2吸收激光器发射的激光束，首先将其转换成声能，然后对其聚焦，并将产生的超声波信号传导进入所述声聚焦晶体结构1，由所述声聚焦晶体结构1进一步聚焦。具体地：激光超声光声转换装置，是一种具有声聚焦作用的激光超声光声转换结构，又称之为聚焦光声转换镜头，该结构为声聚焦晶体结构1和复合光声转换层2共同组成。在使用过程中，为使得产生的声波聚焦的效果更好，声波汇聚处的声强能够达到更大，即为了达到更好的声聚焦作用，在一个示例中，声聚焦晶体结构1和复合光声转换层2选为弧面型。此时声聚焦晶体结构1和复合光声转换层2均能起到凸透镜的作用，对聚焦超声焦点具有调节作用，除此之外，复合光声转换层2还具有激光超声增强的作用。在另一个示例中，声聚焦晶体结构1为透明结构。在又一个示例中，声聚焦晶体结构1由聚二甲基硅氧烷PDMS胶体固化得到。在再一个示例中，复合光声转换层2是将碳纳米管和PDMS的混合材料旋涂到声聚焦晶体结构1的一侧上，然后固化得到的。此时，复合光声转换层2和声聚焦晶体结构1紧密贴合在一起。需要说明的是，在操作过程中，为了使碳纳米管在PDMS液体中分散的效果更好，优选地，碳纳米管为改性碳纳米管，进一步优选地，碳纳米管为强氧化性酸和硅烷偶联剂改性的碳纳米管。本实施例中的装置使用过程为：将脉冲激光器对准复合光声转换层2的一侧，激光器的激光束从激光器中出来时可以经过声聚焦晶体结构调节光斑的大小从而调节激发超声的幅度和频率，使用时也可以调节激光功率的大小从而调节聚焦超声功率的大小，激光光束与激光超声光声转换装置的法线必须在一条直线上。因此激光器必须需要特定的工作台进行固定，防止激光器光源的抖动。下面举例说明该装置的应用场景：该装置其应用场景之一：为高铁车轮非接触式检测，激光作用在这种具有声聚焦结构的激光超声转换装置上后，会激发产生高频率的聚焦超声，聚焦的超声具有很高的强度，能够达到较大的检测深度。聚焦超声与车轮中的缺陷作用后会反射回来，然后被接收换能器接收到，通过对反射出来超声的信号处理来确定缺陷的类型，位置等信息，从而实现聚焦超声来对车轮的无损探伤。由上述应用场景举例可知该装置能实现对材料的无损探伤检测，相比传统的激光超声探伤检测相比，其激发超声的幅度较高，通过声聚焦晶体结构1和复合光声转换层2使得声能量更加集中。实现高强度激光超声激发的关键在于弧面型的复合光声转换层2，其有两个作用，一是激光超声增强作用，通过选用PDMS胶体和碳纳米管混合材料，使得激光能量最大可能的转化成热量，高的热膨胀系数使得受热后质点的位移振幅最大，从而最大程度的激发超声。二是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光超声光声转换装置，其特征在于，包括：用于激光超声聚焦的声聚焦晶体结构(1)；所述声聚焦晶体结构的一侧旋涂有复合光声转换层(2)，所述复合光声转换层(2)用于激光超声增强以及激光超声聚焦；所述复合光声转换层(2)吸收激光器发射的激光束，首先将其转换成声能，然后对其聚焦，并将产生的超声波信号传导进入所述声聚焦晶体结构(1)，由所述声聚焦晶体结构(1)进一步聚焦。

【技术特征摘要】
1.一种激光超声光声转换装置，其特征在于，包括：用于激光超声聚焦的声聚焦晶体结构(1)；所述声聚焦晶体结构的一侧旋涂有复合光声转换层(2)，所述复合光声转换层(2)用于激光超声增强以及激光超声聚焦；所述复合光声转换层(2)吸收激光器发射的激光束，首先将其转换成声能，然后对其聚焦，并将产生的超声波信号传导进入所述声聚焦晶体结构(1)，由所述声聚焦晶体结构(1)进一步聚焦；所述声聚焦晶体结构(1)和所述复合光声转换层(2)均为弧面型；所述声聚焦晶体结构为透明结构，由聚二甲基硅氧烷PDMS胶体固化得到；所述复合光声转换层是将碳纳米管和PDMS的混合材料旋涂到所述声聚焦晶体结构上，然后固化得到的。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述碳纳米管为强氧化性酸和硅烷偶联剂改性的碳纳米管。...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓坤伦，李红浪，孙勇，卢孜筱，赵一宇，田亚会，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11