聚焦聲音
理論上產(chǎn)生任意形狀的聲場(chǎng)是非常容易的一件事,例如在不同位置有多個(gè)焦點(diǎn)的聲學(xué)設(shè)備或者特定的連續(xù)結(jié)構(gòu)聲場(chǎng)等,這在許多領(lǐng)域都會(huì)得到應(yīng)用,小到實(shí)驗(yàn)室中的微粒和生物細(xì)胞碎片的操控,大到診室中的超聲治療和神經(jīng)刺激。但是從理論模型到實(shí)際操作卻是很艱難的。
傳統(tǒng)的超聲波是由壓電材料制成的壓電轉(zhuǎn)化器將電能轉(zhuǎn)換成高頻振動(dòng),從而產(chǎn)生聲場(chǎng)。利用這種技術(shù)產(chǎn)生多焦點(diǎn)或有結(jié)構(gòu)的聲場(chǎng)需要復(fù)雜的壓電轉(zhuǎn)換器陣列以及復(fù)雜的電路,成本高昂。
光聲透鏡
該研究小組利用光脈沖解決了這個(gè)問(wèn)題。更具體地說(shuō),他(她)們利用光聲效應(yīng),將調(diào)制光或者激光脈沖的部分能量轉(zhuǎn)化成聲能。研究人員解釋到,如果激光脈沖照射到合適形狀的物體上,得到的聲場(chǎng)將會(huì)是多焦點(diǎn)的,具有緊密的特定結(jié)構(gòu)超聲波。
首先研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)盤(pán)狀的靶材料,盤(pán)上不同位置的垂直深度不同,利用激光脈沖產(chǎn)生特殊的聲場(chǎng)需要周期性地調(diào)制這個(gè)深度。這就成了一種光聲透鏡——一個(gè)塊狀的不規(guī)則表面,光作為輸入信號(hào),從而產(chǎn)生特定結(jié)構(gòu)的聲場(chǎng)。接著他(她)們開(kāi)發(fā)出一套數(shù)值算法,將用戶(hù)設(shè)想的3D聲場(chǎng)作為輸入信息,計(jì)算得到產(chǎn)生這種聲場(chǎng)所需的光聲透鏡的表面物理結(jié)構(gòu)。
“7”字形聲場(chǎng)
該小組用這個(gè)算法得到了產(chǎn)生“7”字形聲場(chǎng)的樣品表面輪廓。然后利用高分辨率聚合物噴射3D打印機(jī)制作出剛性的近乎透明的光聲透鏡,接著在其表面噴涂上吸光聚合物材料。
接下來(lái)他們把透鏡放置在水面上,用1064nm的YAG調(diào)Q激光器發(fā)出的6nm寬激光脈沖照射在透鏡表面。脈沖通過(guò)樣品產(chǎn)生一定形狀的聲場(chǎng),并通過(guò)水傳播到位于水底的傳感器。結(jié)果表明激發(fā)產(chǎn)生的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)和模型預(yù)設(shè)的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)極為相似——用聲音寫(xiě)出“7”的形狀。
文章第一作者UCL的博士生Michael Brown表示該技術(shù)還需要進(jìn)一步精確,特別是針對(duì)不同的光源。例如調(diào)制光源比脈沖激光要更有利于產(chǎn)生精細(xì)的聲場(chǎng)。不過(guò)他預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將有廣闊的應(yīng)用前景,特別是在操控生物細(xì)胞和其它微粒方面。他說(shuō),“類(lèi)似的單焦點(diǎn)器件已經(jīng)被用于劈裂細(xì)胞團(tuán)和藥物輸送,我們的工作將會(huì)在這方面得到應(yīng)用。”
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