一种全息声透镜超声换能器及其制备方法和声光调制方法
本发明属于声光调制，涉及一种全息声透镜超声换能器及其制备方法和声光调制方法。
背景技术：
1、声光调制技术基于声光相互作用原理，通过超声换能器产生的超声波来动态调控介质的光折射率，灵活地操纵光波的导向、滤波、调制等，具有快速响应、大调制带宽以及非接触式操作等优势。由于具有非侵入性，在医学光成像方面有良好前景。
2、然而，当前声光调制技术实现方式通常较为复杂，装置体积庞大，且难以实现光波与声波的同轴和同向传输。这一限制阻碍了其在需要深度穿透或在生物组织等复杂环境中应用的能力。因此，设计一种新型超声换能器，减少由于光束非同轴入射引起的不稳定性和损耗，提高调制的稳定性和效率，是当前亟需解决的问题。
技术实现思路
1、本发明提供一种全息声透镜超声换能器及其制备方法和声光调制方法，以解决现有技术难以实现光波与声波的同轴和同向的技术问题。
2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
3、第一方面，本发明提供一种全息声透镜超声换能器，包括相互连接的压电超声换能器和孔全息声透镜；所述压电超声换能器和孔全息声透镜的中部均开设有通孔；压电超声换能器包括依次连接的背衬层、压电阵元层和匹配层，所述匹配层与孔全息声透镜连接；所述压电阵元层两侧接入金属电极。
4、进一步地，所述孔全息声透镜表面上各像素点厚度均不同。
5、进一步地，所述压电超声换能器和孔全息声透镜中部开设的通孔均为圆孔。
6、进一步地，所述压电超声换能器的圆孔与孔全息声透镜的圆孔大小相同。
7、进一步地，所述孔全息声透镜的结构采用角谱迭代算法设计得到，以满足目标面焦点处初始声压的振幅等于孔全息声透镜中全息结构声透镜的初始振幅与空心圆孔透镜的初始振幅之和，并满足目标面焦点处初始声压的相位等于孔全息声透镜中全息结构声透镜的初始相位与空心圆孔透镜的初始相位之和。
8、进一步地，所述孔全息声透镜和压电超声换能器在与声束传播方向垂直的横截面均为圆形。
9、进一步地，还包括外壳；所述外壳沿孔全息声透镜和压电超声换能器的周向设置。
10、进一步地，所述背衬层采用环氧树脂制成。
11、第二方面，本发明提供一种上述全息声透镜超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
12、制备压电超声换能器；将压电材料采用砂纸减薄，并在压电材料两面镀电极；用陶瓷环套住压电材料并填充导电环氧；给背衬层连接导线；采用金属外壳固定换能器的压电阵元层和背衬层，并填充绝缘环氧；在金属外壳顶端镀电极并溅射薄膜，最后用导线连接sma接头，完成封装得到压电超声换能器；
13、制备孔全息声透镜；对孔全息声透镜进行设计，得到目标聚焦声场分布；根据目标聚焦声场，推导全息声透镜相位分布；采用3d打印技术打印得到孔全息声透镜；
14、器件耦合；使用耦合剂，将孔全息声透镜耦合到压电超声换能器表面，得到全息声透镜超声换能器。
15、第三方面，本发明提供一种采用上述全息声透镜超声换能器的同轴纵向声光调制方法，包括以下步骤：
16、声波由超声换能器产生，通过孔全息声透镜在介质中产生三维聚焦声场；
17、介质中形成声压分布，改变折射率的分布，形成光虚拟波导区域；
18、光波通过全息声透镜超声换能器的中央孔洞到达介质，实现声波、光波的同轴、同向传播；
19、介质中的虚拟波导区域，对光束调制，抑制光散射。
20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21、本发明公开了一种全息声透镜超声换能器及其制备方法和声光调制方法，超声换能器集成孔全息声透镜，增强了对声束的控制能力，在目标面上形成特定的声场图案，实现对静态声场的调控；孔全息声透镜设计为中央孔洞结构，增强了光协同性，使声波、光波的同轴、同向传播，实现了一种同轴纵向声光调制方法，该声光调制方法具有高稳定性，同轴同向布置可以减少由于光路偏差引起的不稳定性和损耗，提高调制的稳定性和效率；具有高效率，相比非同轴布置，同轴布置下的声光相互作用更为直接和高效，有利于实现更高的衍射效率；具有较强灵活性，中央孔径大小可根据所需入射光束直径设计。不仅如此，同轴纵向的传播路径，大大减小了声光调制装置的体积，实现了该类装置的小型化。
技术特征：
1.一种全息声透镜超声换能器，其特征在于，包括相互连接的压电超声换能器和孔全息声透镜(4)；所述压电超声换能器和孔全息声透镜(4)的中部均开设有通孔；压电超声换能器包括依次连接的背衬层(1)、压电阵元层(2)和匹配层(3)，所述匹配层(3)与孔全息声透镜(4)连接；所述压电阵元层(2)两侧接入金属电极(5)。
2.根据权利要求1所述的一种全息声透镜超声换能器，其特征在于，所述孔全息声透镜(4)表面上各像素点厚度均不同。
3.根据权利要求1所述的一种全息声透镜超声换能器，其特征在于，所述压电超声换能器和孔全息声透镜(4)中部开设的通孔均为圆孔。
4.根据权利要求3所述的一种全息声透镜超声换能器，其特征在于，所述压电超声换能器的圆孔与孔全息声透镜(4)的圆孔大小相同。
5.根据权利要求4所述的一种全息声透镜超声换能器，其特征在于，所述孔全息声透镜(4)的结构采用角谱迭代算法设计得到，以满足目标面焦点处初始声压的振幅等于孔全息声透镜(4)中全息结构声透镜的初始振幅与空心圆孔透镜的初始振幅之和，并满足目标面焦点处初始声压的相位等于孔全息声透镜(4)中全息结构声透镜的初始相位与空心圆孔透镜的初始相位之和。
6.根据权利要求1所述的一种全息声透镜超声换能器，其特征在于，所述孔全息声透镜(4)和压电超声换能器在与声束传播方向垂直的横截面均为圆形。
7.根据权利要求6述的一种全息声透镜超声换能器，其特征在于，还包括外壳(6)；所述外壳(6)沿孔全息声透镜(4)和压电超声换能器的周向设置。
8.根据权利要求1所述的一种全息声透镜超声换能器，其特征在于，所述背衬层(1)采用环氧树脂制成。
9.一种权利要求1所述的全息声透镜超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.一种采用权利要求1所述全息声透镜超声换能器的同轴纵向声光调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
技术总结
本发明公开了一种全息声透镜超声换能器及其制备方法和声光调制方法；属于声光调制技术领域。包括相互连接的压电超声换能器和孔全息声透镜；所述压电超声换能器和孔全息声透镜的中部均开设有通孔；压电超声换能器包括依次连接的背衬层、压电阵元层和匹配层，所述匹配层与孔全息声透镜连接；所述压电阵元层两侧接入金属电极。本发明将中央设计为圆形孔洞结构，保留声场聚焦作用，使光束从孔洞入射，与声束同轴、同向传播，光在介质中被调制；在同轴纵向声光调制过程中，介质中聚焦声场的声压分布改变了介质折射率分布，抑制光的散射。本发明实现了同轴纵向声光调制，减小了声光调制装置的体积，适用于医学光成像以及其他需要进行散射抑制的情形。
技术研发人员：李照希,苏震宇,林旗波,陈泽宇,费春龙
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23