一種激光超聲光聲轉換裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種激光超聲光聲轉換裝置，包括：用于激光超聲聚焦的聲聚焦晶體結構1；聲聚焦晶體結構1的一側旋涂有復合光聲轉換層2，復合光聲轉換層2用于激光超聲增強以及激光超聲聚焦；復合光聲轉換層2吸收激光器發射的激光束，首先將其轉換成聲能，然后對其聚焦，并將產生的超聲波信號傳導進入聲聚焦晶體結構1，由聲聚焦晶體結構1進一步聚焦。本實施例中的激光超聲光聲轉換裝置作為一種新的聲源兼具有激光超聲高頻率和聚焦超聲高指向性的優點，可以實現對器件的無損探傷檢測，并具有非接觸、探傷分辨率高等優點，提高了檢測的效率，節省檢測時間，對比傳統的激光超聲檢測探傷的深度有較大提高。
【專利說明】
一種激光超聲光聲轉換裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及光學工程和材料以及聲學的交叉技術領域，尤其涉及一種激光超聲光聲轉換裝置。
【背景技術】
[0002]激光超聲技術可以用于高精度的缺陷檢測，其中，激光超聲無損檢測是其中研究最多的一個方面。激光在試樣表面通過熱彈效應產生超聲，激發產生的聲波在試樣中傳播的時候與缺陷作用后被檢測到，通過對接收到的聲信號進行信號處理，確定缺陷的位置信息。聚焦超聲由于能量集中，實現無損探傷有更好的指向性，同時能達到更高的探測深度。
[0003]高強度聚焦超聲(HIFU)是指能夠將超聲波聚焦于靶組織，使其生熱以至消融而不影響周圍健康組織的一種治療技術，這一技術很有希望用于治療癌癥，通過超聲在聚焦的組織區域瞬間產生很高的溫度來殺死癌細胞而不損傷周圍的細胞，這種方式有非接觸，無創的特點，所以被廣泛研究，而現在所研究的高強度聚焦超聲大都是通過壓電換能器陣列實現的，壓電換能器不但結構復雜，且價格昂貴，其需要與聲聚焦鏡頭之間的耦合劑匹配層，會對待檢測物產生污染。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的在于針對現有技術的不足，進一步增強激光激發超聲的強度，提高激光超聲的檢測深度，實現高強度聚焦超聲，提供了一種激光超聲光聲轉換裝置，并同時提出了這種激光超聲光聲轉換裝置的制備方法，采用該裝置具有激光超聲非接觸、激光超聲強度高的優點。
[0005]第一方面，本實用新型提供了一種激光超聲光聲轉換裝置，包括:用于激光超聲聚焦的聲聚焦晶體結構I;聲聚焦晶體結構的一側旋涂有復合光聲轉換層2，復合光聲轉換層2用于激光超聲增強以及激光超聲聚焦;復合光聲轉換層2吸收激光器發射的激光束，首先將其轉換成聲能，然后對其聚焦，并將產生的超聲波信號傳導進入聲聚焦晶體結構I，由聲聚焦晶體結構I進一步聚焦。
[0006]優選地，聲聚焦晶體結構為透明結構。
[0007]優選地，聲聚焦晶體結構由聚二甲基硅氧烷PDMS膠體固化得到。
[0008]優選地，復合光聲轉換層是將碳納米管和PDMS的混合材料旋涂到聲聚焦晶體結構的上，然后固化得到的。
[0009]優選地，聲聚焦晶體結構和復合光聲轉換層均為弧面型。
[0010]優選地，碳納米管為強氧化性酸和硅烷偶聯劑改性的碳納米管。
[0011]優選地，聲聚焦晶體結構和復合光聲轉換層均為弧面型。
[0012]第二方面，本實用新型提供了一種激光超聲光聲轉換裝置的制備方法，包括:
[0013]SlO，制備聲聚焦晶體結構:
[0014]設計并制備所需形狀的的模具;將PDMS膠體與固化劑按一定比例混合，靜置;將靜置后的液態PDMS膠體倒入所述模具中進行固化，得到所需聲聚焦晶體結構；
[0015]S20，制備復合光聲轉換層:
[0016]將PMDS材料與碳納米管按一定比例混合，靜置后旋涂到所述步驟SlO得到的聲聚焦晶體結構上，然后進行固化，獲得復合光聲轉換層，得到所需激光超聲光聲轉換裝置。
[0017]優選地，步驟SI O中的固化溫度為80-150 °C，固化時間為I _2h。
[0018]優選地，步驟S20中的固化溫度和固化時間與所述步驟SlO中的相同。
[0019]優選地，碳納米管為改性碳納米管。
[0020]相對于現有技術，本實用新型提供的激光超聲光聲轉換裝置的優點和有益效果為:
[0021 ] 1、本實用新型提供的激光超聲光聲轉換裝置具有高強度聚焦，且不需要復雜、昂貴的高頻率壓電超聲換能器，同時也不需要壓電換能器與聲聚焦鏡頭之間的耦合劑匹配層，不會對待檢測物產生污染。另外，該裝置可以有更大的自由度，聲聚焦的焦點能更方便的調節。在聲聚焦更靈活的同時器件能微型化。
[0022]2、激發超聲的頻率較高，可以達到毫米級別的探傷精度。
[0023]3、聚焦超聲使得超聲的指向性和幅度大大增強，提高了探傷的深度。
[0024]4、復合光聲轉換層和聲聚焦晶體結構的主要成分都是PDMS膠體，故其聲阻抗很相近，避免了由于聲阻抗不匹配帶來的聲能量的損失。
[0025]5、該裝置有激光超聲非接觸的優點，可以實現對被檢測物體的非接觸在線檢測，提高了檢測的效率，節省檢測時間。
【附圖說明】
[0026]以下，結合附圖來詳細說明本實用新型的實施方案，其中:
[0027]圖1為本實用新型一實施例提供的激光超聲光聲轉換裝置示意圖；
[0028]圖2為本實用新型一實施例提供的裝置制備流程示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面通過附圖和具體的實施例，對本實用新型進行進一步的說明，但應當理解為這些實施例僅僅是用于更詳細說明之用，而不應理解為用以任何形式限制本實用新型，即并不限制本實用新型的保護范圍。
[0030]本部分對本實用新型實驗中所使用到的材料以及試驗方法進行一般性的描述。雖然為實現本實用新型目的所使用的許多材料和操作方法是本領域公知的，但是本實用新型仍然在此作盡可能詳細描述。本領域技術人員清楚，在上下文中，如果未特別說明，本實用新型所用材料和操作方法是本領域公知的。
[0031 ]圖1示出了本實用新型一實施例激光超聲光聲轉換裝置示意圖。
[0032]如圖1所示，該實施例的激光超聲光聲轉換裝置，包括用于激光超聲聚焦的聲聚焦晶體結構I;在聲聚焦晶體結構I的一側旋涂有復合光聲轉換層2，復合光聲轉換層2用于激光超聲增強以及激光超聲聚焦;復合光聲轉換層2吸收激光器發射的激光束，首先將其轉換成聲能，然后對其聚焦，并將產生的超聲波信號傳導進入所述聲聚焦晶體結構I，由所述聲聚焦晶體結構I進一步聚焦。具體地:
[0033]激光超聲光聲轉換裝置，是一種具有聲聚焦作用的激光超聲光聲轉換結構，又稱之為聚焦光聲轉換鏡頭，該結構為聲聚焦晶體結構I和復合光聲轉換層2共同組成。在使用過程中，為使得產生的聲波聚焦的效果更好，聲波匯聚處的聲強能夠達到更大，即為了達到更好的聲聚焦作用，在一個示例中，聲聚焦晶體結構I和復合光聲轉換層2選為弧面型。此時聲聚焦晶體結構I和復合光聲轉換層2均能起到凸透鏡的作用，對聚焦超聲焦點具有調節作用，除此之外，復合光聲轉換層2還具有激光超聲增強的作用。
[0034]在另一個示例中，聲聚焦晶體結構I為透明結構。
[0035]在又一個示例中，聲聚焦晶體結構I由聚二甲基硅氧烷PDMS膠體固化得到。
[0036]在再一個示例中，復合光聲轉換層2是將碳納米管和TOMS的混合材料旋涂到聲聚焦晶體結構I的一側上，然后固化得到的。此時，復合光聲轉換層2和聲聚焦晶體結構I緊密貼合在一起。
[0037]需要說明的是，在操作過程中，為了使碳納米管在PDMS液體中分散的效果更好，優選地，碳納米管為改性碳納米管，進一步優選地，碳納米管為強氧化性酸和硅烷偶聯劑改性的碳納米管。
[0038]本實施例中的裝置使用過程為:將脈沖激光器對準復合光聲轉換層2的一側，激光器的激光束從激光器中出來時可以經過聲聚焦晶體結構調節光斑的大小從而調節激發超聲的幅度和頻率，使用時也可以調節激光功率的大小從而調節聚焦超聲功率的大小，激光光束與激光超聲光聲轉換裝置的法線必須在一條直線上。因此激光器必須需要特定的工作臺進行固定，防止激光器光源的抖動。下面舉例說明該裝置的應用場景:
[0039]該裝置其應用場景之一:為高鐵車輪非接觸式檢測，激光作用在這種具有聲聚焦結構的激光超聲轉換裝置上后，會激發產生高頻率的聚焦超聲，聚焦的超聲具有很高的強度，能夠達到較大的檢測深度。聚焦超聲與車輪中的缺陷作用后會反射回來，然后被接收換能器接收到，通過對反射出來超聲的信號處理來確定缺陷的類型，位置等信息，從而實現聚焦超聲來對車輪的無損探傷。
[0040]由上述應用場景舉例可知該裝置能實現對材料的無損探傷檢測，相比傳統的激光超聲探傷檢測相比，其激發超聲的幅度較高，通過聲聚焦晶體結構I和復合光聲轉換層2使得聲能量更加集中。實現高強度激光超聲激發的關鍵在于弧面型的復合光聲轉換層2，其有兩個作用，一是激光超聲增強作用，通過選用PDMS膠體和碳納米管混合材料，使得激光能量最大可能的轉化成熱量，高的熱膨脹系數使得受熱后質點的位移振幅最大，從而最大程度的激發超聲。二是聲聚焦作用，弧面型的結構使得激發的聲波向球面中心處聚集，達到聲聚焦的效果。另外，聲聚焦晶體結構I的弧面型結構使得超聲進一步更好的聚焦，通過控制聲聚焦晶體結構I和復合光聲轉換層2的弧度可以對激發超聲的聚焦點進行調節，使得這種新型的激光超聲光聲轉換裝置能更好的適用不同的應用場景。
[0041]本實施例中的激光超聲光聲轉換裝置作為一種新的聲源兼具有激光超聲高頻率和聚焦超聲高指向性的優點，可以實現對器件的無損探傷檢測，并具有非接觸、探傷分辨率高等優點，提高了檢測的效率，節省檢測時間，對比傳統的激光超聲檢測探傷的深度有較大提尚O
[0042]圖2示出了激光超聲光聲轉換裝置的制備流程示意圖，如圖2所示，制備方法包括以下步驟:
[0043]SlO，制備聲聚焦晶體結構:
[0044]SlOl，設計并制備所需形狀的的模具。
[0045]具體地，具有聲聚焦作用的激光超聲光聲轉換裝置的聲聚焦點可以在制作的過程中通過調節聲聚焦晶體結構來調節，其聚焦的焦點位置與聚焦晶體結構的厚度可以通過仿真得到，也可以通過實驗測得，然后根據設計的形狀來制作相應固化的模具，通過制作好的磨具來制作激光超聲聚焦結構。需要說明的是，為后續能達到更好的聲聚焦作用，在一個實施例中，聲聚焦晶體結構的結構設計為弧面型，模具根據聲聚焦晶體結構的弧面型進行相應的制作。
[0046]S102，將PDMS膠體與固化劑按一定比例混合，靜置。
[0047]具體地，將PDMS膠體與固化劑按一定比例混合均勻，得到液態PDMS膠體，然后靜置除去氣泡。優選地，PDMS膠體與固化劑按10:1的質量比例進行混合。為方便更快、更好的去除氣泡，靜置過程可以選擇在真空條件下進行，也可以在負壓條件下進行。
[0048]S103，將靜置后的液態PDMS膠體倒入模具中進行固化，得到所需聲聚焦晶體結構。
[0049]具體地，將步驟S103中靜置得到的液態PDMS膠體倒入步驟SlOl中制作的模具中進行固化，得到所需聲聚焦晶體結構。在固化過中，優選地，固化溫度為80-150°C，所需固化時間為1-2小時。需要指出的是，獲得的聲聚焦晶體結構是透明的。另外，步驟SlOl中指出，為后續能達到更好的聲聚焦作用，聲聚焦晶體結構的結構可設計為弧面型，此時固化后的PDMS膠體能起到凸透鏡的作用，對聚焦超聲焦點具有調節作用。
[0050]S20，制備復合光聲轉換層:
[0051 ] S201，將PMDS材料與碳納米管按一定比例混合，靜置。
[0052]具體地，將PMDS材料與碳納米管按一定比例混合均勻，得到PMDS混合物，然后靜置除去氣泡。優選地，混有固化劑的PDMS材料與碳納米管按30:1的質量比例進行混合。為方便更快、更好的去除氣泡，靜置過程可以選擇在真空條件下進行，也可以在負壓條件下進行。
[0053]S202，將靜置得到的PDMS混合物旋涂到聲聚焦晶體結構上，然后進行固化，獲得復合光聲轉換層，得到所需激光超聲光聲轉換裝置。
[0054]具體地，將步驟S201中靜置得到的PDMS混合物旋涂到步驟SIO中制備的聲聚焦晶體結構的一側上，然后進行固化，獲得復合光聲轉換層，與步驟SlO制備的聲聚焦晶體結構緊密貼合在一起，得到所需激光超聲光聲轉換裝置。在操作過程中，為縮短固化時間，在固化過程中應保持溫度的穩定性，即該步驟中的固化溫度和固化時間按與步驟SlO中的固化條件保持一致。也就是，在固化過中，優選地，固化溫度為80-150°C，所需固化時間為1-2小時。
[0055]需要進一步說明的是，在操作過程中，為了使碳納米管在PDMS液體中分散的效果更好，優選地，碳納米管為改性碳納米管，進一步優選地，碳納米管為強氧化性酸和硅烷偶聯劑改性的碳納米管。另外，為后續能達到更好的聲聚焦作用，旋涂獲得的復合光聲轉換層與聲聚焦晶體結構的結構相同，也可旋涂為弧面型。
[0056]應用上述方法制備的激光超聲轉換裝置通過使用PDMS和碳納米管復合材料來實現對激光超聲高強度的激發以及聚焦，并通過聲聚焦晶體結構實現對激發超聲的進一步聚焦。另外，復合光聲轉換層和聲聚焦晶體結構的主要成分都是PDMS膠體，故其聲阻抗很相近，避免了由于聲阻抗不匹配帶來的聲能量的損失。
[0057]另外，相對于現有技術，應用上述方法制備的激光超聲轉換裝置作為一種新的聲源兼具有激光超聲高頻率和聚焦超聲高指向性的優點，通過該方式實現激光超聲非接觸的探傷檢測能夠達到毫米級別的探傷分辨率，同時高強度的聚焦超聲使得探傷的深度大大增加。
[0058]盡管本實用新型已進行了一定程度的描述，明顯地，在不脫離本實用新型的精神和范圍的條件下，可進行各個條件的適當變化。可以理解，本實用新型不限于所述實施方案，而歸于權利要求的范圍，其包括所述每個因素的等同替換。
[0059]以上所述的【具體實施方式】，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的【具體實施方式】而已，并不用于限定本實用新型的保護范圍，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種激光超聲光聲轉換裝置，其特征在于，包括: 用于激光超聲聚焦的聲聚焦晶體結構(I);所述聲聚焦晶體結構的一側旋涂有復合光聲轉換層(2)，所述復合光聲轉換層(2)用于激光超聲增強以及激光超聲聚焦； 所述復合光聲轉換層(2)吸收激光器發射的激光束，首先將其轉換成聲能，然后對其聚焦，并將產生的超聲波信號傳導進入所述聲聚焦晶體結構(I)，由所述聲聚焦晶體結構(I)進一步聚焦。2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述聲聚焦晶體結構為透明結構。3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述聲聚焦晶體結構由聚二甲基硅氧烷PDMS膠體固化得到。4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述復合光聲轉換層是將碳納米管和PDMS的混合材料旋涂到所述聲聚焦晶體結構的上，然后固化得到的。5.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述碳納米管為強氧化性酸和硅烷偶聯劑改性的碳納米管。6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述聲聚焦晶體結構和所述復合光聲轉換層均為弧面型。
【文檔編號】G01N21/17GK205643141SQ201620293587
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月11日
【發明人】鄧坤倫, 李紅浪, 孫勇, 盧孜筱, 趙宇, 趙一宇, 田亞會
【申請人】中國科學院聲學研究所