引　言

主动超声检测技术是医学诊断、材料表征、无损检测和结构健康监测的有力工具^[1-12]。超声换能器是主动式超声检测的关键部件。传统的压电换能器易受电磁干扰，每个换能器需要两根电线进行供电和数据传输。这些缺点限制了可嵌入结构中换能器的可靠性和数量。此外，压电元件过大的尺寸也使其在无损医疗技术领域受到限制^[13]。而光纤超声换能器的出现为解决这些问题提供了新的思路^[14-16]。光纤超声换能器尺寸紧凑，能够永久嵌入结构部件中^[17]，且具有不受环境电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、耐高湿度、灵敏度高、频带宽等优点^[18-22]。光纤超声换能器的带宽比传统的压电超声换能器宽得多^[23-25]。光纤超声换能器可实现分布式和准分布式测量，系统复用性高且应用领域广泛。因此，光纤超声换能器作为一种很有前景的替代方案被广泛应用。为了提高光声转换效率，研究人员不断探索多种光声转换材料，包括石墨与环氧树脂混合物^[14]、金纳米颗粒与聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）混合物^[26]、碳纳米管与PDMS混合物^[27]。同时，为了拓展应用场景，研究人员也在不断设计新型结构，使光纤超声换能器能够实现多点超声生成。例如，有研究者通过在光纤侧壁的多个所需位置抛光光纤包层直至纤芯，并用光声材料覆盖，实现了分布式光纤超声激发^[15]。还有研究人员基于一系列具有不同幻影模波长的倾斜光纤布拉格光栅，实现了多点超声激发^[28]。

尽管人们对光声转换材料以及光纤结构进行了大量的研究，但人们并没有对超声波的产生进行定量分析，如何产生特定强度、频率的超声对医学及无损检测领域有着重要作用。因此，本文以金纳米颗粒与PDMS的混合物作为光声材料，分析了激光参数以及光声材料浓度、厚度对超声信号的影响。同时又做了金纳米颗粒与炭黑两种吸光材料的对照实验。结果表明：随着入射激光能量的增大，超声频谱中所有频率对应的幅值增加，并且入射激光能量与超声的幅值成正比，每增加50 mJ的激光能量，超声强度增加15%。入射激光频率的改变对超声信号没有影响；金纳米颗粒浓度的增加不仅可以增大超声的幅值，还可以提高超声的频率；金纳米颗粒与聚二甲基硅氧烷混合物的厚度太薄会导致光能吸收不足，太厚则会导致超声高频成分的衰减；在相同条件下，炭黑与聚二甲基硅氧烷的混合物比金纳米颗粒与聚二甲基硅氧烷的混合物产生的超声强度更高，但频率分布集中在低频部分。

实验所涉及的两种光声材料的一些实际应用简单介绍如下。金纳米颗粒与PDMS作为光声材料的一些具体应用包括：由于金纳米颗粒具有良好的生物相容性以及较高的光热转换效率，金纳米颗粒结合PDMS作为光声材料可以实现高分辨率的生物医学成像，被广泛用于细胞成像、血管成像、肿瘤治疗监控等领域；金纳米颗粒与PDMS的生物传感技术可以实现对某些疾病的早期诊断和监测；金纳米颗粒与PDMS结合可以作为药物传递系统，在光致超声触发下释放药物，实现精确的药物输送和治疗；金纳米颗粒结合PDMS作为光声成像探头，可以获得组织工程的结构信息，从而为质量监测和评估提供技术支持。碳纳米颗粒与PDMS作为光声材料在光致超声领域也具有多种应用：碳纳米颗粒可以作为光声造影剂，能够提高成像的分辨率和对比度，这种技术可以用于显微血管成像、肿瘤成像、脑部成像等领域；碳纳米颗粒和PDMS可以实现对肿瘤等疾病的光声治疗，且具有非侵入性、定位精度高等优点；在神经科学研究中，碳纳米颗粒与PDMS光声材料可以用于神经元活动的成像和监测，为研究大脑功能和神经网络提供重要信息；碳纳米颗粒与PDMS也可以用于材料缺陷检测、材料表面形貌分析等领域，通过光声成像技术实现对材料的高分辨率检测。可见这两种光声材料有着很大的应用价值，正因如此，实验中才选择了这两种光声材料。

1 原理分析 1.1 激光参数对超声的影响

一束脉冲激光束垂直入射到光声材料表面。脉冲激光器工作时，光声材料中的吸光材料吸收光能，使得局部温度升高，通过热传递，引起周围热膨胀材料的膨胀。当脉冲激光器不工作时，热膨胀材料由于缺乏维持膨胀的能量而收缩。由于脉冲激光器的脉冲宽度在纳秒量级甚至更短，热膨胀材料的超高频膨胀和收缩便激发出了超声波，以上就是光声原理。在分析光声原理的基础上，脉冲激光器的参数和光声材料的物理性质都会影响最终激发的超声。远场情况下超声场的径向位移分量$ U_{\mathrm{R}}\left(R,\theta,t\right) $为^[29]

$ {U}_{{\mathrm{R}}}(R,\theta ,t)～\frac{\beta {I}_{0}{a}^{2}}{d{C}_{\upsilon}\left(1-\frac{\kappa }{{\mathrm{i}}k}{b}^{2}\right)b{c}_{{\mathrm{l}}}}\frac{{\mathrm{e}}^{{\mathrm{i}}kt-{\mathrm{i}}{k}_{{\mathrm{l}}}R}}{R}{\varTheta}_{{\mathrm{R}}}\left(\theta \right) $

(1)

式中：$\beta = \alpha \left( {3\lambda + 2\mu } \right)/\left( {\lambda + 2\mu } \right)$，$\alpha $为线性热膨胀系数，$ \mathit{\lambda} $，$\mu $为拉梅常数；${I_0}$为样品表面激光入射中心的强度；${{a}}$为入射激光的光束截面半径；$b$为光吸收系数；$\kappa = K/d{C_\upsilon }$为热扩散系数，K为光声材料的热传导系数；$d$为密度；${C_\upsilon }$为等容比热；k为光强做简谐变化的激光角频率；k_l为纵波数；${c_{\mathrm{l}}}$为纵波波速；$ \mathit{\Theta}_{\mathrm{R}}\left(\theta\right) $为方向因子。

本文选择金纳米颗粒与PDMS的混合物作为光声材料，来研究脉冲激光参数对激发超声的影响。因此，变量$\beta $、$d$、${C_\upsilon}$、$b$、$\kappa $为常数；由于实验中超声的激发和探测都是在水中进行的，而且超声波的传播路径相同，所以变量$ c_{\mathrm{l}} $$ \mathit{\Theta}_{\mathrm{R}}\left(\theta\right) $是相同的。由于实验中使用的激光器的激光强度在时间上作简谐变化，并且假设其空间分布是均匀的，只改变激光入射中心的光强${I_0}$，并且探测超声波的水听器的位置是固定的，这导致变量$k$，${k_{\mathrm{l}}}$、$R$、$\theta $、$t$也是相同的。综上所述，在热弹性机制下，本实验中超声场的径向位移分量$ U_{\mathrm{R}}\left(R，\theta，t\right) $与激光入射中心的光强${I_0}$成正比。由于超声的振幅与超声场的径向位移分量$ U_{\mathrm{\mathit{\mathrm{R}}}}\left(R，\theta，t\right) $成正比，最终的结果就是，超声信号的振幅正比于入射激光能量。因此，增加入射激光能量可以增强超声信号的强度。

1.2 吸光材料对光致超声的影响

光致超声换能器使用脉冲激光或调制激光，通过光声效应将激光能量转化为超声波（机械波），得到的超声振幅可表示为^[30]

$ {P_0} = \varGamma {\eta _{{\mathrm{th}}}}{\mu _{\mathrm{a}}}F $

(2)

式中：$\varGamma = \beta {v^2}/{C_{{\rm{P}}}}$为无量纲格留乃森系数，$\beta $为体积热膨胀系数，$v$为声速，$ C\mathit{_{\mathrm{{P}}}} $为定压比热容；${\eta _{{\mathrm{th}}}}$为热转换系数；${\mu _{\mathrm{a}}}$为光学吸收系数；$F$为光通量。由式（2）可知，脉冲激光激发的超声振幅${P_0}$与光学吸收系数${\mu _{\mathrm{a}}}$、热转换系数${\eta _{{\mathrm{th}}}}$和光通量$F$成正比，与吸光材料的定压比热容${C_{\mathrm{P}}}$成反比。由于实验中两种光声材料的热膨胀材料均为PDMS，且超声是在水中激发的，所以变量$\beta $$v$、$F$为常数。综上所述，超声波的振幅与材料的特性有关。

在不同的文献中，超声激发系统的参数（比如激光的脉冲宽度、光声材料、材料厚度、激光参数）和超声探测系统的参数（比如探测方式、探测角度）都是不同的，这使得不同文献中的数据难以比较。因此，选择在相同的实验条件下进行对照实验，以证明各个变量对超声频域的影响。

2 实验方案

由于PDMS具有高热膨胀系数和混合的灵活性，由贵金属制成的纳米粒子在等离子共振频率下具有较高的光吸收能力^[31-32]，且研究表明，当金纳米粒子的直径为20 nm时，其最大吸收波长在520 nm附近^[33]。因此，实验中选择金纳米颗粒与PDMS的混合物作为光声材料。制备4种质量分数分别为0.47%、0.86%、1.79%和3.75%的金纳米颗粒，研究不同质量分数的金纳米颗粒对超声的影响；选取50 mJ、200 mJ、350 mJ和500 mJ 4个激光能量，研究激光能量对超声的影响；选取1 Hz、3 Hz、6 Hz和9 Hz 4个激光频率，研究激光频率对超声的影响；作为补充，又做了金纳米颗粒与炭黑两种吸光材料的对照实验来研究两种不同体系的吸光材料所产生超声的特征。

2.1 金纳米颗粒与聚二甲基硅氧烷混合物的制备

使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）有机硅弹性体试剂盒（Sylgard 184，Dow Corning），将基料和固化剂以10∶1的质量比混合制备PDMS基质。直接将四氯金酸（$ \mathrm{HAuC}\mathrm{l}_4\cdot3\mathrm{H}_2\mathrm{O} $，99.9%, Sigma-Aldrich）掺入PDMS进行混合。金纳米粒子（Au NPs）将被PDMS分子还原。搅拌直至混合物的颜色变成红宝石色。然后将混合物在冰水中进行超声波浴30 min。最后，将混合物涂在载玻片上，放进60 ℃的干燥箱中过夜以固化。在本次实验中，分别制备了0.47%、0.86%、1.79%和3.75% 4种不同质量分数的金纳米颗粒。配制表如表1所示，成品如图1所示。使用同样的方法将金纳米颗粒替换为炭黑，制备了4种同样浓度的炭黑与PDMS的混合物。

2.2 实验装置

实验装置如图2所示，实验中使用的激光器为532 nm Nd:YAG纳秒激光器（上海激光医学设备工程技术研究中心，ST−Q−0701），在激光器的输出端口放置一个焦距为5 cm的平凸透镜（LBTEK, MCX10510−A, f = 50 mm），可以更多地将激光的能量耦合进400 μm多模光纤（Daheng, DH−FMM400−FC−1C）中，如图3所示。平凸透镜将激光耦合进光纤中。固定透镜，不断地调整光纤的位置，使耦合进光纤中的能量最高，找到耦合效率最高的位置并固定光纤。使用光纤夹持器将光纤的另一端浸入水中并使用支架固定，使光纤正对金纳米颗粒混合物，当脉冲激光发生后使用水听器（Olympus XMS−310−B，10 MHz）采集数据，经前置超声放大器（汕头CTS−8682C）放大后，传输至示波器（RIGOL DS4054），如图4所示。

3 实验结果分析

根据实验装置图搭建实验平台，分析入射激光参数及光声材料的浓度和厚度对激发超声信号的影响。首先，通过调节入射激光能量，研究入射激光能量对激发超声信号的影响。然后，调整入射激光频率，分析入射激光频率对激发超声信号的影响。接着，通过更换不同浓度的样本，研究金纳米颗粒浓度对激发超声信号的影响。最后，通过更换不同厚度的样本，定性分析金纳米颗粒混合物的厚度对激发超声信号的影响。同时还做了金纳米颗粒与炭黑两种吸光材料的对照实验来研究两种不同体系的吸光材料所产生超声的特征。

3.1 可行性分析

由于金纳米复合材料是涂敷在载玻片上固化的，为了证明载玻片对超声没有影响，在相同实验条件下，分别使用激光对载玻片和涂有金纳米复合材料的载玻片进行激发并分析探测信号。实验中测得的时域信号如图5所示。图5中红色曲线为涂敷有金纳米复合材料的载玻片的时域信号，黑色曲线为没有任何涂层载玻片的时域信号。从图5可以看到，两个样本在激光脉冲发生后，都会有一个触发信号。不同之处在于，涂敷有金纳米颗粒混合物的载玻片在触发信号的触发下产生了超声波信号，而没有任何涂层的载玻片却没有，从而证明载玻片不会对超声信号产生影响。

3.2 激光能量对超声信号的影响

调整激光器的能量，选取了50 mJ、200 mJ、350 mJ和500 mJ 4个激光能量，激光器的频率为1 Hz，分别激发质量分数为0.47%、0.86%、1.79%和3.75%的4个样本，并对探测的超声信号进行频谱分析 (图6～9)。示波器的采样率为200 MSa/s。图6插图为方框部分放大之后的图片。

只改变激光的能量，通过采集的实验数据绘制了4张不同金纳米颗粒浓度的超声频谱图。分别对图6～9进行分析，可以发现，无论是哪一种金纳米颗粒浓度，激光功率的改变对超声频谱的频率分布并没有影响，只是改变了各个频率分量的幅值占比。从图片可以直观地看出，500 mJ 激光能量对应的绿色曲线构成了频谱图的外部轮廓，50 mJ 激光能量对应的黑色曲线构成了频谱图的底部轮廓。分别对4张局部放大图中幅值占比最大的频率分量进行定量计算，得出以下结论：200 mJ 的激光能量相比 50 mJ 的激光能量而言幅值提高了约15%，350 mJ 的激光能量相比 50 mJ 的激光能量而言幅值提高了约30%，500 mJ 的激光能量相比50 mJ 的激光能量而言幅值提高了约40%（这可能是激光能量吸收不充分所导致的）。激光能量与超声频率的幅值成正比，这与之前的理论分析一致。

3.3 激光频率对超声信号的影响

调整激光器的频率，选取1 Hz、3 Hz、6 Hz、9 Hz 4个激光频率。激光器的功率均为50 mJ，示波器的采样率为200 MSa/s。

对只改变激光频率的频谱 (图10) 进行分析，可以发现，激光的频率对任何超声频率的幅值都没有影响。无论是哪一个浓度的金纳米颗粒，4条不同激光频率所激发的超声的频谱曲线基本是重合的，这也与之前的分析吻合。

3.4 金纳米颗粒浓度对超声信号的影响

更换不同质量分数的样本，4个样本的金纳米颗粒质量分数分别为0.47%、0.86%、1.79%和3.75%。将激光的能量设置为50 mJ，频率设置为1 Hz，示波器的采样率为200 MSa/s，研究金纳米颗粒浓度对超声信号的影响。

对示波器采集到的时域信号 (图11) 进行分析，可以发现，当 Au NPs 的质量分数为 3.75% 时，对应的绿色曲线正负电压差的幅值最大，而当 Au NPs 的质量分数为 0.47% 时，对应的黑色曲线正负电压差的幅值最小。这充分说明了金纳米颗粒质量分数增加也会增大超声的强度，因为随着质量分数的增加，会有更多的金纳米颗粒参与到光的吸收当中。对示波器采集的时域信号进行傅里叶变换，得到的频谱如图12所示。从图12的局部放大图可以发现，Au NPs质量分数为0.86%的频谱与质量分数为0.47%的频谱相比，仅仅增加了各个频率分量对应的幅值。进一步增加 Au NPs 的质量分数，会使原来幅值最高的频率分量从 1.37 MHz 提高至 3.1 MHz。因此，金纳米颗粒质量分数的增加不仅可以增大相应频率的幅值，还可以提高超声波的频率。

3.5 金纳米颗粒混合物的厚度对超声信号的影响

为了研究金纳米颗粒混合物的厚度对超声信号的影响，在金纳米颗粒与 PDMS 的混合物尚未固化前吸入移液管中，采用滴取的方法制备了5种不同厚度的混合物并对其进行定性分析。图13图例中“厚度”后面的数字越大表示厚度越大。

由图13（a）可以看出，随着厚度的增加，超声频率各个分量的幅值均有所减小，其中在 8.3 MHz 处的衰减尤为明显；由图13（b）可以看出，随着厚度的进一步增加，超声频率各个分量的幅值进一步衰减，其中在 2.6 MHz 处的衰减尤为明显，于是幅值占比最大的频率分量由 2.6 MHz 变为 0.7 MHz；从图13（c）可以看出，随着厚度的进一步增加，超声频率分量的幅值反而增加，幅度占比最大的频率分量由 0.7 MHz 又恢复到 2.6 MHz；由图13（d）可以看出，随着厚度的进一步增加，超声频率分量的幅值再次降低。

在一定厚度范围内，超声频率分量的幅值会随着金纳米颗粒混合物厚度的增加而增加。这是因为随着厚度的增加，更多的金纳米颗粒参与到光的吸收中。在达到一定厚度后，超声频率分量的幅值开始衰减，这是因为随着厚度的增加，超声中的高频分量在光声材料中发生衰减。高频分量的衰减最终会导致频率幅值占比最大的频率发生大幅度降低。随着厚度进一步增加，超声频率分量的幅值又开始增加，在厚度达到一定阈值后，频率分量的幅值就会降低。因此，为了达到最佳的超声产生效率，需要平衡超声高频成分的衰减与光吸收效率，选择合适的光声材料厚度。

3.6 金纳米颗粒/PDMS混合物与炭黑/PDMS混合物超声信号的对比

光声材料由吸光材料和热膨胀材料构成。不同的吸光材料具有不同的光学性质，吸收且利用的光能也不尽相同。由于吸光材料对激光的吸收率不同，因此不同的光声材料会产生不同强度的超声。本文进行金纳米颗粒/PDMS 混合物与炭黑/PDMS 混合物两种光声材料的对照实验。实验中除吸光材料材质不同外，激光的参数以及光声材料的浓度和厚度都是相同的。实验结果如图14所示。

从图14 （a）时域对比图可以明显地观察到，炭黑/PDMS 混合物可以产生更高强度的超声波。分析原因如下：首先，炭黑相对于金纳米颗粒而言对激光具有更低的反射率，可以更加充分地吸收激光的能量；其次，研究结果已经表明碳基光致超声换能器相比于金属基换能器具有更高的能量转换效率^[34]；最后，炭黑具有更细微的微观结构，这意味着更高的光吸收效率以及更高效的能量转化。北卡罗莱纳州立大学的Jinwook Kim团队用发射扫描电子显微镜观察到蜡烛烟灰颗粒直径均匀，约为40 nm^[35]。尽管炭黑/PDMS 光声材料产生的超声强度比较高，但是它的中心频率却集中在低频部分。因此，碳黑/PDMS 光声材料适用于超声的低频应用。

4 结　论

本文分析了光致超声的原理并进行了相关实验。结果表明，光声材料的特性和激光参数对超声强度以及它的中心频率有影响。通过相关实验得出以下结论：（1）入射激光的能量与超声的幅值成正比，在 50 mJ 后，每增加 50 mJ 的激光能量，超声振幅提高约 15%；（2）入射激光的频率对超声信号没有影响；（3）金纳米颗粒质量分数的增加不仅可以增大超声的幅值，还可以提高超声的频率；（4）金纳米颗粒/ PDMS 混合物的厚度太薄会导致激光能量吸收不充分，太厚会导致超声高频成分的衰减；（5）碳黑/PDMS混合物可以产生更高强度的超声，但是频率分布却集中在低频领域。因此，可以通过调整激光的能量、光吸收材料的质量分数以及光声材料的厚度，获得理想的超声信号，这对超声医学成像、主动超声无损检测、结构健康监测等超声应用具有指导性的意义。