1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 86, № 7, 2022

Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 7, стр. 1001-1006

Потенциал применения органических и металлополимерных материалов в оптоакустических генераторах ультразвука

Е. И. Гиршова 1, 2, *, Е. П. Микитчук 3, А. В. Белоновский 1, 2, К. М. Морозов 1, 2, М. А. Калитеевский 1, 2

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки “Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алфёрова Российской академии наук”
Санкт-Петербург, Россия

2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Национальный исследовательский университет ИТМО”
Санкт-Петербург, Россия

3 Белорусский государственный университет
Минск, Беларусь

* E-mail: ilinishna@gmail.com

Поступила в редакцию 14.02.2022
После доработки 28.02.2022
Принята к публикации 23.03.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Теоретически показано, что внедрение в конструкцию оптоакустического генератора на основе структур с таммовским плазмоном дополнительного органического слоя с интегрированными в него металлическими наночастицами позволяет увеличить его эффективность энергопреобразования на частотах до 100 МГц. Подобраны оптимальные материалы для прибора предложенной конструкции.

ВВЕДЕНИЕ

Оптоакустическая генерация ультразвука может стать достойной альтернативой использованию пьезоэлектрических приборов в ситуациях, когда основные минусы господствующего на данный момент подхода (нетерпимость к вибрациям, перепадам температур, высокое запрашиваемое напряжение, узкая полоса рабочих частот) становятся критичными. Фазированная решетка из оптоакустических преобразователей может найти применение в медицине и позволить проводить неинвазивные безопасные диагностические исследования внутренних органов и тканей с высоким разрешением получаемого изображения. Ультразвуковые волны широко используются для неразрушающего контроля конструкций, мониторинга состояния паяных узлов, определения характеристик материалов [1], акустической микроскопии [2–4] и оптоакустической томографии [5]. Сложившийся традиционный подход к генерации ультразвуковых волн использует пьезоэлектрические преобразователи, которые имеют некоторые недостатки, уже перечисленные выше [1, 6]. Оптоакустические преобразователи являются очень привлекательной альтернативой для генерации ультразвука, принцип их работы основан на эффекте расширения оптического поглощающего слоя, нагреваемого лазерными импульсами [7, 8]. В оптоакустических преобразователях поглощающий слой нагревается и охлаждается, что приводит к механическим деформациям, которые вызывают циклы расширения-сжатия, или, другими словами, акустические (ультразвуковые) волны в окружающей среде [9]. Подобный принцип работы обеспечивает ряд преимуществ: надежность, компактность, полную гальваническую развязку и возможность реализации преобразователя на краю оптического волокна [10], а также широкую полосу рабочих частот [11]. Этим обусловлен интерес к разработкам оптоакустических преобразователей и постоянный поиск новых вариантов активной поглощающей среды, которая позволит получить конкурентоспособный эргономичный энергоэффективный прибор. Такие цели могут быть достигнуты за счет применения плазмонных структур, особенно структур с таммовским плазмоном.

Таммовский плазмон – это состояние электромагнитного поля, локализованного на границе раздела металла и диэлектрического брэгговского отражателя. Структуры с таммовским плазмоном предоставляют широкий спектр возможностей для разработки различных фотонных устройств и, в частности, для управления поглощением света [12, 13]. В оптоэлектронных устройствах поглощение света металлами, как правило, стараются минимизировать, потому что оно ведет к нагреву структуры и связанным с этим проблемам, но для оптоакустических генераторов высокая производительность устройства основана на контролируемом поглощении света.

В существующих оптоакустических системах длина волны лазера обычно соответствует зелено-синей части видимого спектра, что ограничивает диапазон возможных лазерных систем. Использование структур с таммовским плазмоном дает возможность обеспечить полное поглощение в инфракрасном диапазоне [14]. В этом случае могут быть использованы полупроводниковые лазеры на основе GaAs, излучающие на длине волны 980 нм. Такие лазеры сочетают в себе доступность, высокую мощность, масштабируемость и возможность прямой временной модуляции интенсивности для частот до нескольких ГГц. Полупроводниковые лазеры, работающие на длине волны 980 нм, могут генерировать среднюю мощность 1 Вт, сфокусированную на пятне размером 10 × 10 мкм, обеспечивая плотность потока до 106 Вт · см–2, что делает возможность их использования отличной перспективой для развития оптоакустических устройств.

КОНСТРУКЦИЯ ОПТОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Базовая конструкция оптоакустического генератора на базе структуры с таммовским плазмоном состоит из брэгговского отражателя, покрытого слоем металла, и освещается со стороны диэлектрического отражателя лазерным лучом, периодически модулируемым во времени. Конструкция такой структуры обеспечивает близкое к полному поглощение лазерного излучения на желаемой длине волны, что приводит к периодическому по времени нагреву и охлаждению металлического слоя, что становится причиной испускания ультразвука в окружающую среду.

Структура активной среды генератора и подбор входящих в нее материалов должны одновременно обеспечивать поглощение лазерного излучения на желаемой длине волны; эффективный нагрев активного слоя лазерными импульсами; эффективный отвод тепла активного слоя во избежание перегрева; максимальную амплитуду колебаний поверхности структуры.

Было показано [14], что такого типа структура может обеспечивать эффективность оптоакустического преобразования порядка 10–8, и эту эффективность можно вычислить по формуле:

(1)
${{\eta }} = 2{{{{\pi }}}^{2}}{{{{\rho }}}_{m}}\upsilon {{\left( {\frac{\epsilon }{{c{{\rho }}}}} \right)}^{2}}Gf,$
где η – эффективность преобразования оптической энергии в механическую, ρm – плотность среды, в которой распространяется ультразвук, υ – скорость звука в этой среде, ϵ, c и ρ – коэффициент температурного расширения, удельная теплоемкость и плотность материала активной среды оптоакустического генератора, которая порождает колебания.

Интенсивность полученного ультразвука J может быть выражена через амплитуду механических колебаний поверхности B:

(2)
$J = \frac{{{{{{\rho }}}_{m}}\upsilon }}{2}~{{\left( {2{{\pi }}fB} \right)}^{2}}.$

С целью повышения эффективности энергопреобразования в конструкцию могут быть интегрированы слои материалов с высоким коэффициентом температурного расширения, например, полимерных и металлополимерных материалов.

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ РАСПРЕДЕЛЕННОГО БРЭГГОВСКОГО ОТРАЖАТЕЛЯ

Для адекватной работы прибора необходимо обеспечить не только нагрев активного слоя, но и его своевременную температурную релаксацию перед поглощением следующего лазерного импульса. Способность структуры отводить тепло от активного слоя определяет максимальную частоту модуляции. Особенно это актуально для структур с интегрированными органическими материалами, поскольку они, как правило, являются теплоизоляторами. Так как, с одной стороны, тепло из активного слоя уходит в распределенный брэгговский отражатель, необходимо подобрать отражатель с максимальной эффективной температуропроводностью.

В брэгговском отражателе толщины слоев образующих его материалов зависят от длины волны, на которую настроен отражатель и их показателей преломления на этой длине волны. Таким образом, зная показатели преломления, мы можем найти объемные доли обоих компонентов отражателя.

При прохождении потока тепла перпендикулярно плоскости слоев двухкомпонентой слоистой структуры, ее эффективную теплопроводность k можно выразить через теплопроводности материалов слоев (k1 и k2) и их объемные доли (ν1 и ν2):

(3)
$k = ~\frac{{{{k}_{1}}{{k}_{2}}}}{{{{k}_{1}}{{{{\nu }}}_{1}} + {{k}_{2}}{{{{\nu }}}_{2}}}}.$

Для брэгговского отражателя объемные доли обратно пропорциональны показателям преломления на заданной длине волны (n1 и n2). Для комбинации двух материалов можно найти эффективные плотность и теплоемкость, если известны объемные доли, плотности (ρ1 и ρ2) и теплоемкости (c1 и c2).

Зная плотность, теплоемкость и теплопроводность, можно получить конечное выражение для температуропроводности распределенного брэгговского отражателя Db:

(4)
${{D}_{b}} = \frac{{{{k}_{1}}{{k}_{2}}{{{\left( {{{n}_{1}} + {{n}_{2}}} \right)}}^{2}}}}{{\left( {{{k}_{1}}{{n}_{2}} + {{k}_{2}}{{n}_{1}}} \right)\left( {{{{{\rho }}}_{1}}{{c}_{1}}{{n}_{2}} + {{{{\rho }}}_{2}}{{c}_{2}}{{n}_{1}}} \right)}}.$

В табл. 1 приведены оптические и термодинамические характеристики соединений, которые используются в распределенных брэгговских отражателях. Видно, что наиболее высокой температуропроводностью обладает нитрид кремния, что позволяет отметить его как наиболее перспективный материал. Были отобраны пары материалов, которые могут составить брэгговский отражатель, а для них были рассчитаны эффективные термодинамические характеристики. Результаты расчетов приведены в табл. 2. Видно, что оптимальными характеристиками обладает пара материалов нитрид кремния/кремний. Стоит отметить, что эта пара материалов обладает на длине волны инфракрасного полупроводникового лазера (980 нм) достаточно высоким оптическим контрастом (табл. 1). Чем выше оптический контраст, тем меньше пар слоев необходимо для достижения нужного коэффициента отражения, то есть из этой пары материалов можно сделать относительно тонкий отражатель. Чем меньше толщина отражателя, тем проще отводится тепло от активного слоя, тем быстрее и дешевле можно создать такой отражатель.

Таблица 1.

Оптические и термодинамические характеристики материалов, которые могут использоваться в распределенном брэгговском отражателе: показатель преломления на длине волны 980 нм (n), теплопроводность (k), плотность (ρ) и удельная теплоемкость (c)

Материал n (980 нм) k, Вт · (м · К)–1 ρ, кг · м–3 c, Дж · (кг · м3)–1
SiO2 1.45 1.38 2200 772
TiO2 2.49 12.6 4260 850
Al2O3 1.76 30 3990 850
Si3N4 2.0 26.5 2810 886
InP 3.46 68 4810 310
GaAs 3.67 55 5320 826
Si 3.59 149 2330 800
Таблица 2.

Эффективные теплопроводность (k), плотность (ρ), удельная теплоемкость (c) и температуропроводность (D) для разных распределенных брэгговских отражателей, которые могут быть использованы в конструкции оптоакустического генератора

РБО k, Вт · (м · К)–1 ρ, кг · м–3 c, Дж · (кг · м3)–1 D, 10-6 · м2 · с–1
Si3N4/SiO2 3.06 2460 826.8 1.5
SiO2/TiO2 3.15 2306 803 1.7
Al2O3/TiO2 16.58 4102 850 4.8
Si3N4/Si 56.14 2638 859 24.8
GaAs/Al2O3 43.3 4421 830 4.8

По указанным выше причинам в этой статье в качестве брэгговской части структуры с таммовским плазмоном будет рассматриваться отражатель из пар слоев Si3N4/Si, настроенный на длину волны 980 нм.

ПОЛИМЕРНЫЕ И ГИБРИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В КОНСТРУКЦИИ ОПТОАКУСТИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

Из формулы (1) видно, что эффективность преобразования оптической энергии в механическую зависит от коэффициента температурного расширения материала. В свете этого логично попытаться интегрировать в структуру прибора дополнительные слои органических соединений, у которых этот показатель достигает высоких значений. На примере полидиметилсилоксана было теоретически показано [15], что подобное усовершенствование конструкции может увеличить эффективность энергопреобразования на 4 порядка на частотах порядка 1 МГц, но с ростом частоты эффект увеличения КПД уменьшается, на 20 МГц никакого преимущества уже нет, а после 50 Мгц структура теряет способность релаксировать между импульсами.

Для решения проблемы с охлаждением полидиметилсилоксана на высоких частотах, можно применить в качестве активной среды полимерный материал, состоящий из органического слоя с интегрированными наночастицами металла. Поглощение излучения и нагрев частиц позволят прогревать полидиметилсилоксан не с одной стороны слоя, а по всему его объему, в результате чего ускорится распределение температуры, а внедрение металлических частиц увеличит эффективную температуропроводность.

Для материала, представляющего из себя полидиметилсилоксановую матрицу с интегрированными наночастицами золота, путем моделирования в среде Comsol Multiphysics были получены значения эффективной теплопроводности и температуропроводности. Радиус наночастиц был принят за 50 нм, их объемная плотность за 30%. По формуле Максвелла–Гарнетта были рассчитаны эффективные оптические характеристики материала (вещественная и мнимая части показателя преломления). Далее был создан дизайн многослойной структуры с таммовским плазмоном: распределенный брэгговский отражатель Si3N4/Si, настроенный на длину волны 980 нм, слой золота толщиной 100 нм, далее слой полидиметилсилоксана с золотыми наночастицами (300 нм), и снова слой золота для отвода тепла от активной среды (500 нм). Данная структура и распределение поля при облучении со стороны отражателя изображены на рис. 1.

Рис. 1.

Дизайн многослойной структуры с таммовским плазмоном: распределенный брэгговский отражатель, настроенный на длину волны 980 нм, слой золота толщиной 100 нм, далее слой полидиметилсилоксана с золотыми наночастицами (300 нм), и снова слой золота для отвода тепла от активной среды (500 нм).

Зная распределение поля, можно определить распределение плотности тепловыделения в структуре и, решив неоднородное уравнение теплопроводности, найти временное и пространственное распределение температуры в структуре. По этому распределению можно оценить смещение поверхности структуры и интенсивность полученного ультразвука по формуле (2). На рис. 2 изображены колебания поверхности структуры при облучении синусоидальными импульсами продолжительностью 5 нc с энергией 0.1 МДж · см–2 с частотой 50 МГц. Видно, что со временем устанавливается стационарный режим колебаний, по которым можно рассчитывать параметры генерируемой акустической волны. Зная мощность лазерного излучения и интенсивность ультразвука можно определить эффективность преобразования из оптической энергии в механическую. График зависимости эффективности энергопреобразования в полученной структуре при облучении синусоидальными импульсами продолжительностью 5 нc с энергией 0.1 МДж · см–2. Видно, что эффект снижения эффективности за счет недостаточной релаксации между импульсами не успевает проявиться до частоты 100 МГц, следовательно, предложенная конструкция генератора энергоэффективна на всем спектре частот, который используется в дефектоскопии и медицине (0.5–30 МГц).

Рис. 2.

Колебания поверхности структуры при облучении синусоидальными импульсами продолжительностью 5 нc с энергией 0.1 МДж · см–2 с частотой 50 МГц.

Рис. 3.

График зависимости эффективности энергопреобразования от частоты в структуре оптоакустического генератора со слоем металлополимера при облучении синусоидальными импульсами продолжительностью 5 нc с энергией 0.1 МДж · см–2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Были выбраны оптимальные материалы для оптоакустического преобразователя на основе структур с таммовским плазмоном и дополнительным слоем металлополимера, теоретически показано, что добавочный слой полидиметилсилоксана может позволить добиться эффективности энергопреобразования порядка 10–4 на всем диапазоне частот, применимом на практике.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-32-90188).

Список литературы

  1. Hu C., Yu Z., Wang A. // Opt. Express. 2016. V. 24. No. 18. Art. No. 20287.

  2. Sharples S.D., Clark M., Somekh M.G. // Opt. Express. 2006. V. 14. No. 22. Art. No. 10435.

  3. Buma T., Spisar M., O’Donnell M. // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2003. V. 50. No. 9. P. 1161.

  4. Baerwald A., Dauk S., Kanthan R., Singh J. // Ultrasound Obstet. Gynecol. 2009. V. 34. No. 2. P. 201.

  5. Kozhushko V.V., Hess P. // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. No. 2. Art. No. 224107.

  6. Hou Y., Kim J.-S., Ashkenazi S. et al. // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. No. 9. Art. No. 093901.

  7. Wu N., Tian Y., Zou X. et al. // J. Opt. Soc. Amer. B. 2012. V. 29. No. 8. P. 2016.

  8. Zou X., Wu N., Tian Y., Wang X. // Opt. Express. 2014. V. 22. No. 15. Art. No. 18119.

  9. Hou Y., Kim J.S., Huang S.W. et al. // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2008. V. 55. No. 8. P. 1867.

  10. Микитчук Е.П., Козадаев К.В. // Квант. электрон. 2018. Т. 48. № 7. С. 630; Mikitchuk A.P., Kozadaev K.V. // Quantum Electron. 2018. V. 48. No. 7. P. 630.

  11. Ma X., Liu B., Cai Y. et al. // Opt. Lett. 2020. V. 45. No. 9. P. 2526.

  12. Symonds C., Lheureux G., Hugonin J.P. et al. // Nano Lett. 2013. V. 13. No. 7. P. 3179.

  13. Kaliteevski M.A., Lazarenko A.A., Il’inskaya N.D. et al. // Plasmonics. 2015. V. 10. No. 2. P. 281.

  14. Girshova E.I., Mikitchuk A.P., Belonovski A.V. et al. // Opt. Express. 2020. V. 28. No. 18. Art. No. 26161.

  15. Гиршова Е.И., Микитчук Е.П., Белоновский А.В. и др. // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47. № 7. С. 17.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал