電気工学および電子技術ジャーナル

光吸収液体中のレーザー励起超音波は、透明球の単層による遠位端のコロイドコーティングを備えた光ファイバーを介してレーザー放射を付与する。

ウラジミール・ブレディキン

医療や技術において、光レーザー放射を高周波音響に効率的に変換することは、重要な応用問題です。 考えられる解決策は、遠位端が透明な微小球の層で覆われたファイバーを通して放射を液体に注入することです。 ここで微小球はレンズとして機能し、液体内に高度に集中した光放射領域を作り出します。 液体内で光が吸収されると、局所的に加熱された体積のシステムが発生し、熱弾性効果による光音響 (OA) 応答につながります。 この観点から、光吸収媒体内のファイバーの遠位端にある透明な微小球の層は、ファイバーレーザー音響変換器 (LAC) と見なすことができます。 このレポートでは、LAC の 2 つの反対の方式を実験的に調査します。 まず (a)、直径 1 mm の石英光ファイバーを LAC (ファイバーの遠位端に直径 0.96 μm のポリスチレン (PS) 球をコーティング) してレーザー放射で励起された超音波 [1] を調査します。レーザーは、λ = 1.064 μm の YAG:Nd レーザーで、媒体として蒸留水を使用します (光吸収係数 α ≈ 0.1 cm-1)。レーザーは、光パッシブ変調器を使用して、ゼロ横モード領域 (ビーム径 ≈ 2 mm) で、スパイク周波数 ≈ 2 × 105 Hz で合計持続時間 ≈ 300 ns のパルス列を生成しました。この実験構成により、熱による自己焦点ずれや過熱液体状態などのより複雑な効果の影響を回避し、「原始的」な形でシステムの基本パラメータを調べることができます。2 番目 (b) の反対のケースは、インパルス時間 15 ns の第 2 高調波 (λ = 0.532 μm) のレーザービーム (約 Ø 1 mm) で LAC としてガラス基板上に Ø 200 μm のガラス球をコーティングしたものです。この場合の媒体は水 - インク溶液 (α ≈ 100 cm-1) です [2]。直径 1 μm と 200 μm の球体からなるコーティング (図を参照) は、2 段階技術を使用してファイバーの先端面に適用されます。まず、球体の単層を平らなガラス板上に形成します。次に、得られた単層を、あらかじめ塗布されたシアノアクリレート光学接着剤の薄い層を使用してファイバー端に接着します。コロイド溶液から、小さなサイズの球体 (最大 10 μm) の単層をプレート上に堆積します。大きなサイズの球体は、平らなプレート上に 1 つの層で広げられます (限られた充填領域内)。接着剤上の 1 mm ファイバーの先端にある球体の顕微鏡写真です (a) λ = 1.064 μm (光吸収 ~ 0.1 cm−1) の純水中では、≈ λ の分数の特徴的なサイズを持つ熱微細構造が形成され、≈ 0.005 J の短いレーザーパルスのエネルギーで最大温度が 10−2 度に達します。開発された装置により、予想される微小加熱による超音波発生の正確な記録が可能になります。(b) 水-インク溶液の場合、照射がガラス球の層を通して行われると、圧力レベルと生成される超音波の周波数範囲の両方が大幅に向上することが示されています。生成される超音波の周波数範囲は、光が吸収される体積の寸法によって決まります。球がない場合、この寸法は液体への光の浸透深さです。球がある場合、それはホットスポットのサイズです。