基于表面波传感的高灵敏光声检测技术研究

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光学方法探测光声信号实现光声显微成像如今已成为光声显微成像的重要手段之一,以往传统基于超声换能器探测光声信号是利用压电陶瓷转换成电信号,由于压电陶瓷本身的特性,使得收集超声信号的带宽有限,灵敏度较低。从而破坏了光声成像的纵向分辨率,破坏了图像质量。而与传统的光声信号探测手段不同之处在于,通过表面波传感探测到的光声信号可以提供较大的探测带宽和较高的灵敏度,可以较大程度上提升光声成像的图像质量,检测到平时难以分辨的毛细血管或者其他微小结构。光声信号主要取决于光声效应,但是光声效应所产生的超声信号声压较低,而且脉冲较短,难以直接测量,因此利用表面波传感高灵敏度以及超快时间相应的特点检测声压引起的周围折射率变化来重建光声信号。为此本论文从理论上比较了三种不同机制的表面波的传感特性,并且利用实验对这三种表面波各自对光声信号的检测能力进行对比,选取出最适合应用在光声信号检测的表面波机制。在第一章中,本文主要从光声效应出发来简单介绍光声成像的基本原理,并且分析由于超声换能器器件的饱和吸收效应以及带宽限制而使得传统的光声信号检测所具有的劣势,最后,介绍了目前新型的光学方法的光声信号检测方式,从而提出本文所研究的新型表面波探测的新机制。在第二章第一部分中,主要集中于讨论表面等离激元(SPR)表面波、全内反射(TIR)倏逝场表面波和腔型波导局域(WLR)表面波三种不同的表面波机制以及激发方式。本文构建三种表面波模型并优化其物理参数,通过有限时域差分法(FDTD)来分析三种表面波的场分布以及反射率曲线特征,从而对比三者的差异与相同之处。在第二章第二部分中,通过TE波与TM波差分的方式来进行信号检测,为了获得最小分辨极限,我们分析探测器噪声,以散射噪声为主要噪声源计算探测器最小光强分辨极限,从而通过不同表面波机制的传感特性来计算各自的传感极限。在实验中我们选取150MHz的探测器获取信号,为了吻合实验,在理论计算中仍采用一致的探测器,因而计算出探测器最小分辨极限为9.7x10-6(归一化单位)的强度变化,从而计算出三种表面波的折射率分辨极限分别为6.8x10-8/RIU、2.1x10-8/RIU、1.2x10-8/RIU,可以得知三种传感极限分辨率依次递增,不过所要求的入射角度也更为严格。在第三章中,针对不同的表面波传感机制搭建不同的实验系统,对于SPR表面波,我们搭建了紧聚焦型激发和棱镜型激发不同的系统,对比不同激发形式对于信号检测的能力,而针对全内反射倏逝场表面波和腔型波导局域表面波,主要是合适的玻璃基底上实验,通过实验对比重建的声波,得知三种传感获得的声压分辨率依次递增,基本与理论模拟相一致。最后一章总结了本文的主要工作,通过对比来选择最有优势的一种传感方式,为进一步实现光声成像,或者机械波微扰弱测量提供理论指导和基础。
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