论文总字数：22143字

摘 要

金属材料与聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成的复合光声转换材料可以有效地增强超声波信号。针对复合光声转换材料几何尺寸优化的研究，对深入挖掘复合光声转换材料的光声转换效率具有重要的指导意义。本文利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对复合光声转换材料的皮秒激光超声模型进行了数值模拟，研究了复合光声转换材料的几何尺寸（包括Au层和PDMS层的厚度）对皮秒激光超声的光声转换效率的影响。

研究结果表明：在Au-PDMS复合光声转换材料模型中，Au层厚度和PDMS层厚度的变化将影响其光吸收和热扩散的效果，从而影响超声波信号的产生。从理论上得到在Au层厚度为110 nm，上层PDMS层厚度为100 nm，下层PDMS层厚度为200 nm时，光声转换效率能达到最大值，得到声压幅值为55 MPa，中心频率为7 GHz的高强度高频率超声波信号。

本文的特色：本文针对典型复合光声转换材料Au-PDMS的几何尺寸优化，为进一步提高复合光声转换材料皮秒激光超声的光声转换效率提供了新的思路。

关键词：皮秒激光超声；Au-PDMS复合光声转换材料；双温模型；有限元模型

Abstract

The composite photoacoustic transmitter is composed of metal material and polydimethylsiloxane (PDMS) material, which can effectively enhance the ultrasonic signal. The research focuses on the geometric dimensions of the composite photoacoustic transmitter, which has important guiding significance for the further exploration of the photoacoustic conversion efficiency and potential of the composite material. This paper carries out a two-dimensional picosecond laser ultrasonic model of the composite photoacoustic transmitter by using COMSOL Multiphysics software, and studies the influence of the geometric dimensions of the composite photoacoustic transmitter (including the thickness of Au and PDMS layers) on the photoacoustic conversion efficiency.

The research results show that in the Au-PDMS composite photoacoustic transmitter, the light absorption and thermal diffusion effects will be influenced by adjusting the thickness of the Au and PDMS layers, thus the generation of ultrasonic signals will be affected. Theoretically, when the thickness of the Au layer is 110 nm, the thickness of the top PDMS layer is 100 nm, and the thickness of the bottom PDMS layer is 200 nm, high-frequency and high-intensity ultrasonic with the sound pressure of 55 MPa and the center frequency of 7 GHz is obtained.

Features of this paper: This paper explores the geometric dimensions of Au-PDMS composite photoacoustic transmitter, which provides new ideas for further improvement of the photoacoustic conversion efficiency in picosecond laser ultrasound.

Key Words：Picosecond laser ultrasound；Au-PDMS Composite photoacoustic material；Two-temperature model；Finite element model

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 复合光声转换材料的研究进展 2

1.3 研究内容及来源 2

第2章 皮秒激光超声的理论基础与建模设计 4

2.1 引言 4

2.2 双温模型 4

2.3 超声波激发机制 5

2.3.1热弹性激发 5

2.3.2 烧蚀激发 6

2.4 复合光声转换材料的有限元模拟仿真 7

2.4.1 物理场方程 7

2.4.2模型设计 8

2.5 本章小结 9

第3章 复合光声转换材料的皮秒激光超声有限元模拟 10

3.1引言 10

3.2 多层复合光声转换材料的有限元模拟仿真 10

3.2.1几何模型 10

3.2.2 材料参数 11

3.2.3 边界条件 13

3.3 Au-PDMS复合光声转换材料皮秒超声温度场模拟 13

3.4 Au-PDMS复合光声转换材料皮秒光声性能仿真分析 14

3.4.1 Au层厚度对皮秒光声性能影响 14

3.4.2 PDMS层厚度对皮秒光声性能影响 18

3.5 本章小结 20

第4章 总结与展望 21

4.1全文总结 21

4.2工作展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

早在1880年，美国的科学家兼发明家Bell就发现了光声效应，他通过调制太阳光强的变化产生了声音信号，虽然他证明了光声效应能提供在除光学方法获取以外新的有价值信息，但限于当时条件，在之后的几十年里学者们对光声效应的研究都毫无进展^[1]。直到1960年，美国科学家梅曼发明了世界上第一台激光器；1963年，White在实验中发现了固体吸收激光而激发超声波信号的现象，并提出了表面瞬态热作用产生超声波信号的理论^[2]。之后，激光超声的研究突飞猛进，对激光超声产生原理、理论模型以及应用领域的分析也日益完善。

传统的超声检测需要用到耦合剂，有直接接触和液体浸泡两种方式。而激光超声则是一种非接触式的新型超声检测技术^[3-5]，不仅不需要使用耦合剂，还能适应更多的检测环境，有着更高的精度，而且激光超声能够同时激发多种模式的超声波信号，包括横波、纵波、声表面波等，极大的丰富了检测的手段。

由于激光超声技术在无损检测中发挥出极大的优越性，吸引着无数的研究人员投入到激光超声技术的研究中。更进一步的，对激光的选择也从普通的纳秒激光到了短脉冲激光。在1982年，美国罗切斯特大学激光能量实验室的Mourou等人利用同步泵浦技术，在燃料激光器中获得70 fs的激光脉冲^[6]。此研究为超短脉冲激光超声奠定了基础，从此涌现出了诸多对超短脉冲激光超声的深入研究。但对于超短脉冲激光而言，激光与固体材料相互作用的温度变化将不再遵循传统的傅里叶传热模型，无论是颗粒状金属^[7-8]，还是在薄膜状金属^[9]，其电子-晶格温度应满足的是双温模型。因此皮秒脉冲激光在材料中激发的超声波具有高峰值功率和低平均功率的特点，与纳秒激光超声相比，其高频率超声波能做到更高的检测精度。基于皮秒激光超声技术的优越特性，其在生物医学传感、成像^[10]和治疗应用^[11]方面也做出了巨大贡献。

McDonald研究了热扩散在热弹性波的产生中起到的重要性^[12]。Xinwei Wang和 Xianfan Xu通过将激光脉冲能量表示为傅立叶级数，研究了半无限金属中皮秒和飞秒激光脉冲产生的应力波^[13]。在他们的研究中，考虑了两步传热和晶格温度与应变速率之间的耦合效应。J.K. Chen等人研究了金属薄膜在超短激光加热下的变形，考虑了双曲双温模型和热电子爆炸模型，发现非热损伤可能是超短激光材料烧蚀的主要机理 ^[14]。Yunpeng Ren等人提出了一个包含三种洛伦兹项的带间跃迁临界点模型，用以描述超短脉冲激光辐照铜时随温度变化的反射率(R)和吸收系数(A)，实验数据表明,该两个温度模型连同临界点模型可以模拟出令人满意的反射率和吸收系数的结果^[15]。许伯强等人对比研究了传统的傅里叶传热模型理论和双温模型理论的温度场变化，模拟的结果表明，皮秒激光超声采用双温模型求解温度场更为合适^[7]。Frances Camille P. Masim研究了金纳米球和纳米棒在飞秒脉冲激光辐照下的光声效应，实验结果表明，飞秒激光与金纳米粒子相互作用的机理是表面等离子体振荡的非辐射弛豫动力学^[16]。加拿大Ali Hatef仿真分析了金纳米结构在非共振波长下的皮秒光声响应，发现高强度激光能在粒子附近产生高度局域化的自由电子（等离子体）沉积可将声压幅值较传统方法提高1000倍 ^[17]。

对于皮秒激光超声而言，其较高的频率能有更强的方向性，但频率越高，也会造成超声波信号的衰减越大，这对皮秒激光超声的应用产生了极大的限制。为了增强成像深度和检测精度，就需要有高强度的超声输入信号，于是具有高光声转换率的复合光声转换材料便产生了。该材料由具有高光吸收系数的金属或碳基材料与具有高热膨胀系数的PDMS材料组成。采用这样的复合光声转换材料，可以更高效地吸收激光能量，并产生更强的热膨胀效果，从而产生高强度的超声波，以达到更好的检测效果。

1.2 复合光声转换材料的研究进展

利用复合光声转换材料，可以有效的提高光声转换效率。因为PDMS具有高热膨胀系数同时又是透明材料，可以极好的与金属或碳基材料构成的光吸收层形成互补。目前，对复合光声转换材料的研究与应用日益广泛，大部分研究都是考虑改变复合光声转换材料的组合成分，通过测试不同的光吸收层与热膨胀层的组合类型，以获得具有高光声转换率的复合光声转换材料。

在2001年，T.Buma最早将PDMS（聚二甲基硅氧烷）材料应用到复合光声转换材料中的，他首次将PDMS与炭黑混合，以炭黑的高光吸收效果和PDMS的高膨胀系数，使这种复合光声转换材料的声压振幅比纯金属薄膜高一个数量级^[18]。随后，研究员们除了大量使用的碳材料与PDMS形成的复合光声转换材料，如碳纳米颗粒^[19]、碳纳米管^[20]等与PDMS的混合，也开始使用金属材料与之搭配。在2012年，Wu Nan等人利用一锅法合成的聚二甲基硅氧烷-金纳米颗粒（PDMS / Au NP）混合型材料，研究了改变纳米复合膜的浓度和厚度对光声转换效率的影响，使激光超声转导效率比铝薄膜提高了3个数量级^[21]。在2016年，Guo L.Jay设计了一种将金属薄膜吸收层放在PDMS夹层之间的层状结构，选择中间的金属为Cr和Ti，依靠超薄金属薄膜(10 nm)能够促进向高热膨胀系数的相邻材料传热的特性，实现的超声波信号的增强^[22]。

综合上述文献调研，目前学者们对高光声转换效率的复合光声转换材料的研究主要集中在设计不同的材料组合，以达到更高的光声转换效率，而少有对复合光声转换材料的几何参数（各层的厚度）产生影响的研究，以皮秒激光作为光源的研究则更甚。

1.3 研究内容及来源

由于皮秒激光自身的高频率，产生超声波信号的衰减极大，导致其探测灵敏度较差，利用高光声转换率的复合材料来提高超声波信号，便在激光检测技术中展现出巨大的应用前景。但是，目前学者大多考虑改变复合光声转换材料的组合类型来提高光声转换效率，而少有对复合光声转换材料几何尺寸的研究。因此，本文将围绕复合光声转换材料的厚度优化，从理论上设计具有高光声转换效率的皮秒激光超声模型，具体内容如下：

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