Экспериментальные исследования и моделирование процесса генерации оптоакустических волн

Постановка задачи

Возможны несколько механизмов генерации оптоакустического сигнала [1, 3, 8, 10] с различной эффективностью, которые включают процессы поглощения, такие как тепловое расширение, кавитация или неабсорбционные процессы, такие как радиационное давление и рассеяние Бриллюэна.

В большинстве теоретических рассмотрений генерации оптоакустического сигнала рассматривается одно из двух условий: длительность лазерного импульса мала по сравнению с временем прохождения звука по характеристической длине l источника с продольной акустической фазовой скоростью v или наоборот.

Известные теории не учитывают длительность лазерного импульса. [1,10].

Для гауссовского временного и пространственного распределений важным параметром для временного профиля оптоакустического сигнала является эффективное время, связанное с и в соответствии с соотношением.

где — половина длительности импульса между — точками временного распределения амплитуды, — половина времени прохождения звука между — точками распределения радиальной амплитуды.

Для сферических отражателей в жидкости это соотношение еще не получено аналитически.

Помимо размеров источника и длительности лазерного импульса необходимо учитывать время релаксации поглощенной энергии при расчете формы фотоакустического сигнала.

Функция нагрева должна быть описана как комбинированная функция ширины лазерного импульса и релаксации (в частности, как свертка временного профиля лазерных импульсов и экспоненциально затухающего тепловыделения, описывающего процесс релаксации).

Таким образом, оптакустический сигнал в жидкости, генерируемый небольшими сферическими объемными телами в жидкости, имеет большее значение для приложений визуализации оптоакустики.

Для сферического гауссовского источника начальное давление определяется выражением.

где общая поглощенная энергия.

В дальнем поле, акустическое давление генерируемое мгновенным нагревом этого пространственного распределения поглощения, определяется формулой.

с .

Тогда гауссова функция нагрева описывается.

Для r ?? Rs можно пренебречь вкладом в оптоакустический сигнал, исходящий из объема источника вне сферы с радиусом r, и свертку Pd (r, t) с T (t).

Таким образом можно получить выражение для дальнего поля.

(29).

Обсуждение результатов эксперимента.

Результаты экспериментальных исследований оптоакустического эффекта, полученные авторами на модельных суспензиях нанотрубок и нановолокон были представлены в [2, 11, 12]. Разработанная экспериментальная установка по исследованию оптоакустического эффекта в жидких средах в присутствии нанотрубок и нановолокон также подробно описана в [2−4,8, 11]. Установка включает две части: источник лазерного излучения и широкополосный приемный акустический тракт.

Измерительная установка была построена, как описано ранее [2−4, 7−9], с использованием лазера, модель LIMO 100−532/1064-U на основе Nd: YAG лазера с фиксированной длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 84 нс, и энергией в импульсе, которая могла задаваться программно в диапазоне 0,1 до 100 Вт. Значение частоты следования импульсов лазера, составляла 10 кГц.

На рисунке 1 приведена кювета, наполненная жидкостью, которая расположена в универсальном лазерном комплексе «LIMO» состоящем из двух твердотельных Nd: YAG лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне с длиной волны 1062 нм.

На поверхность биожидкости падает лазерный луч (рис. 1). Жидкость приводится в движение с помощью насоса, через трубки поступает в кювету, где на движущийся поток воздействует лазер. Действие света на вещество вызывает возмущения среды, сопровождающиеся излучением звука.

Рисунок 1. Основные узлы системы. Лазер; система регистрации и записи сигнала Labview; PZT — пьезокерамический преобразователь.

Расстояние от лазерного пятна до ультразвукового преобразователя составляло 1 см. Сигнал, принятый ультразвуковым преобразователем, усиливался и записывался с помощью системы LabWiev. Энергия светового импульса не превышала 0,5 мДж.

Большие энергии могут приводить, к нагреву образцов жидкостей, что может негативно сказываться на биожидкостях и привести повреждению ткани. Результат формирования оптико-акустического сигнала в однородной среде показан на рис. 2.

Сигнал обрабатывался и записывался с помощью модульного измерительного комплекса NI PXI 1042Q, предназначенного для проведения широкого спектра испытаний.

Рисунок 2. Оптоакустический сигнал. Сплошная линия — эксперимент. Пунктирная линия — результат моделирования сигнала.

В результате воздействия лазера на жидкость наблюдается термооптическое возбуждение звука, которое мы регистрируем широкополосным ультразвуковым преобразователем, помещенным в кювету с исследуемой модельной жидкостью.

Выводы по итогам эксперимента и моделирования

Полученные результаты экспериментальных исследований дополняют результаты [2, 7−9, 13, 14] и позволяют сделать вывод о формировании высокочастотных гармоник оптико-акустического сигнала в однородной среде. По результатам экспериментов после обработки был построен спектр оптико-акустического сигнала в неподвижной жидкости и в движущейся жидкости. оптоакустический лазерный нановолокно Жидкость приводилась в движение с помощью насоса. В результате нами было замечено, что при скорости жидкости свыше 100 мл/мин наблюдалось снижение амплитуды оптоакустического сигнала, вследствие воздействия потока на область теплового расширения среды при поглощении светового импульса лазера в месте образования оптико-акустического сигнала. Насос, с помощью которого жидкость приводилась в движение, позволял менять скорость прокачки от 10−500 мл/мин.

Также мы наблюдали спад амплитуды регистрируемого сигнала в движущейся жидкости, за счет движения частиц жидкости, интерференции и охлаждения участков жидкости на которую действует лазер. Полученные результаты экспериментальных исследований приведенные дополняют результаты, полученные ранее [1, 2- 5, 7−9].

Для сферического источника интервал времени между пиками определяется длительностью лазерного импульса и временем прохождения звука через источник в направлении наблюдения. Получены выражения для сферических гауссовских пространственно-временных источников, для которых, можно выразить оптоакустический сигнал как простую аналитическую функцию, учитывая акустических потери, обусловленные теплопроводностью и вязкостью среды.

• 1. Beard P. Biomedical photoacoustic imaging // Interface Focus 1. — 2011. — pp. 602−631.
• 2. Старченко И. Б., Малюков С. П., Орда-Жигулина Д.В., Саенко А. В. Измерительный комплекс для лазерной диагностики биообъектов с использованием наночастиц на базе LIMO100 // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. — № 2(22). — 2013. — С.166−172.
• 3. Джуплина Г. Ю., Старченко И. Б. Теоретическая модель оптикоакустического эффекта в среде с наноразмерными рассеивателями // Известия ЮФУ. Технические науки. — Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. _2009. — № 10. — С.189₁₉₂.
• 4. Джуплина Г. Ю., Старченко И. Б. Система и методика исследования наноразмерных артефактов в кровотоке // Известия ЮФУ. Технические науки. — Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. _ 2010. _ № 8. _С.61₆₄.
• 5. Кравчук Д. А., Кириченко И. А., Орда-Жигулина Д. В. Обзор методов использования наноразмерных объектов в биомедицинских исследованиях Научные труды SWorld. 2015. Т. 5. № 4 (41). С. 24−27.
• 6. Грашин, П. С. Измерение оптических характеристик рассеивающих сред по временному профилю оптико-акустического сигнала / П. С. Грашин, А. А. Карабутов, И. М. Пеливанов, Н. Б. Подымова // Вестник Московского университета. С. 3. Физика. Астрономия. _ 2001. -№ 2. -С.39₄₂.
• 7. Кравчук Д. А. Система регистрации акустического сигнала в результате возбуждения оптико-акустического эффекта в жидкости. // В сборнике: Проблемы автоматизации. Региональное управление. Связь и автоматика (Паруса — 2016). Сборник трудов V Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. 2016. С. 116−119.
• 8. Кравчук Д. А. Система регистрации оптоакустического эффекта в жидкости. Результаты эксперимента. // Успехи современной науки и образования. 2016. Т. 5. № 12. С. 131−133.
• 9. Кравчук Д. А. Моделирование системы регистрации акустического сигнала в результате возбуждения оптико-акустического эффекта в жидкости. // Успехи современной науки. 2016. Т. 4. № 11. С. 121−123.
• 10. C. G. A. Hoelen, R. Pongers, G. Hamhuis, F. F. M. de Mul, and J. Greve, `Photoacoustic blood cell detection and imaging of blood vessels in phantom tissue,'' Proc. Optical and Imaging Techniques for Biomonitoring, edited by H. J. Foth and R. Marchesini, SPIE 3196, pp.142−153 (1997).
• 11. Kravchuk D.A., Kirichenko I.A., Orda-Ghigulina D.V. The review of methods of use of nanodimensional objects in biomedical researches SWorldJournal. 2016. Т. 10. № j116 (10). pp. 45−48.
• 12. Кравчук Д. А., Кириченко И. А., Орда-Жигулина Д. В. Обзор методов использования наноразмерных объектов в биомедицинских исследованиях Научные труды SWorld. 2015. Т. 5. № 4 (41). С. 24−27.
• 13. Вишневецкий В. Ю., Джуплина Г. Ю., Старченко И. Б., Шашкин М. С. Теоретическая модель оптоакустического рассеяния на наноразмерных объектах для учета распределения загрязняющих веществ в водной среде // Инженерный вестник Дона, 2011, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/531.
• 14. Орда-Жигулина Д.В., Старченко И. Б. Теоретическая модель процесса лазерного возбуждения акустических сигналов в жидкой среде с присутствием наноразмерных объектов // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4−1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1224.

References

• 1. Beard P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus 1. 2011. pp. 602−631.
• 2. Starchenko I.B., Maljukov S.P., Orda-Zhigulina D.V., Saenko A.V. Prikaspijskij zhurnal: upravlenie i vysokie tehnologii. № 2(22). 2013. pp.166−172.
• 3. Dzhuplina G.Ju., Starchenko I.B. Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. Taganrog: Izd-vo TTI JuFU. 2009. № 10. pp.189−192.
• 4. Dzhuplina G.Ju., Starchenko I.B. Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. Taganrog: Izd-vo TTI JuFU. 2010. № 8. pp.61−64.
• 5. Kravchuk D.A., Kirichenko I.A., Orda-Zhigulina D.V. Nauchnye trudy SWorld. 2015. T. 5. № 4 (41). pp. 24−27.
• 6. P. S. Grashin, A.A. Karabutov, I.M. Pelivanov, N.B. Podymova. Vestnik Moskovskogo universiteta. S. 3. Fizika. Astronomija. 2001. № 2. pp.39 42.
• 7. Kravchuk D.A. V sbornike: Problemy avtomatizacii. Regional’noe upravlenie. Svjaz' i avtomatika (Parusa — 2016). Sbornik trudov V Vserossijskoj nauchnoj konferencii molodyh uchenyh, aspirantov i studentov. 2016. pp. 116−119.
• 8. Kravchuk D.A. Uspehi sovremennoj nauki i obrazovanija. 2016. T. 5. № 12. pp. 131−133.
• 9. Kravchuk D.A. Uspehi sovremennoj nauki. 2016. T. 4. № 11. pp. 121−123.
• 10. C. G. A. Hoelen, R. Pongers, G. Hamhuis, F. F. M. de Mul, and J. Greve, `Photoacoustic blood cell detection and imaging of blood vessels in phantom tissue,'' Proc. Optical and Imaging Techniques for Biomonitoring, edited by H. J. Foth and R. Marchesini, SPIE 3196, pp.142−153 (1997).
• 11. Kravchuk D.A., Kirichenko I.A., Orda-Ghigulina D.V. SWorldJournal. 2016. Т. 10. № j116 (10). pp. 45−48.
• 12. Kravchuk D.A., Kirichenko I.A., Orda-Zhigulina D.V. Nauchnye trudy SWorld. 2015. T. 5. № 4 (41). pp. 24−27.
• 13. Vishneveckij V. Ju, Dzhuplina G. Ju, Starchenko I.B., Shashkin M.S. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2011, № 4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/531.
• 14. Orda-Zhigulina D.V., Starchenko I.B. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 4−1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1224.

Аннотация

Экспериментальные исследования и моделирование процесса генерации оптоакустических волн. Д. А. Кравчук. Южный федеральный университет, Таганрог В работе рассмотрен оптико-акустический эффект, который приводит к возбуждению акустических волн при поглощении переменного светового потока. Предложена модель расчета акустического поля генерируемого лазерным изучением в жидкости при попадании на сферические объекты в жидкости.

Сферическими объектами могут служить специальные наноматериалы добавленные в жидкость. Приведены результаты эксперимента по возбуждению оптоакустического сигнала в жидкости с помощью лазера, для лазерной диагностики потока.

Так как лазерный пучок характеризуется совокупностью параметров: мощностью, поляризацией, длиной волны, частотой, фазой и направлением распространения, то по изменению этих параметров можно судить о процессах, происходящих в исследуемом потоке.

Ключевые слова: оптоакустика, нановолокна, оптоакустические волны, биожидкость, виртуальный прибор, спектр сигнала, сферические отражатели.