RU2618600C1

RU2618600C1 - Acoustical lens

Info

Publication number: RU2618600C1
Application number: RU2016104141A
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2016-02-09
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2017-05-04

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: acoustic lens is made in the form of a cuboid with a radial gradient of the acoustic refractive index with the cuboid edge value equal to (0.9-1.2)λN, where N=1,2, …, λ - the length of the elastic wave. The acoustic lens has a relative acoustic refractive index value of 1.1 n_env to 1.6n_env, where n_env - the acoustic refractive index of the lens environment, and a sound-permeable channel of constant cross-section is made along the optical lens axis with a characteristic transverse dimension of not more than 0.25λ, filled with a material with an acoustic refractive index, equal to n_cp.

EFFECT: providing an elastic wave focus to the area of a width less than the diffraction limit.

2 dwg

Description

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а точнее к устройствам, предназначенным для фокусировки упругих волн в область с поперечными размерами менее дифракционного предела, и может быть использовано для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ, при осуществлении технологических процессов и исследования биообъектов.The invention relates to ultrasound equipment, and more specifically to devices designed for focusing elastic waves in the region with transverse dimensions less than the diffraction limit, and can be used for research, control and diagnostic work, in the implementation of technological processes and the study of biological objects.

Известны различные акустические линзы с различной формой поверхности: двояковыпуклые, двояковогнутые, плоско-выпуклые для фокусировки упругих волн путем изменения акустического пути и преломления волн на границе раздела окружающей среды и линзы, материалом которых могут быть жидкие, твердые и газообразные вещества [Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977, с. 3-36].There are various acoustic lenses with different surface shapes: biconvex, biconcave, plane-convex for focusing elastic waves by changing the acoustic path and refraction of waves at the interface between the environment and the lens, the material of which can be liquid, solid and gaseous substances [Kanevsky I.N. . Focusing sound and ultrasound waves. M .: Nauka, 1977, p. 3-36].

Недостатком таких акустических линз являются большие поперечные размеры, значительно превышающие используемую длину волны, низкое пространственное разрешение, сложность изготовления прецизионных поверхностей и отсутствие в них плоских рабочих поверхностей, что не дает возможности применения их для фокусировки упругих волн в твердых телах без промежуточного иммерсионного слоя.The disadvantage of such acoustic lenses is the large transverse dimensions, significantly exceeding the wavelength used, low spatial resolution, the complexity of manufacturing precision surfaces and the absence of flat working surfaces in them, which makes it impossible to use them for focusing elastic waves in solids without an intermediate immersion layer.

Известна акустическая линза [а.с. СССР №1063480, МПК В06В 3/04] с аксиально симметричным градиентом акустического показателя преломления и плоскопараллельными торцами, при этом градиент акустического показателя преломления в стеклянном стержне создается с помощью ионообменной диффузии.Known acoustic lens [and.with. USSR No. 1063480, IPC V06B 3/04] with an axially symmetric gradient of the acoustic refractive index and plane-parallel ends, while the gradient of the acoustic refractive index in the glass rod is created using ion-exchange diffusion.

Недостатком акустической линзы является низкое пространственное разрешение, не превышающее величины дифракционного предела. С помощью такой акустической линзы невозможно получить фокусное пятно с шириной намного меньшего дифракционного предела.The disadvantage of an acoustic lens is its low spatial resolution, not exceeding the diffraction limit. Using such an acoustic lens, it is impossible to obtain a focal spot with a width much smaller than the diffraction limit.

Считается, что при фокусировке волн любой природы волновая энергия концентрируется в области с поперечным размером, не меньшим половины длины волны [Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Гос.изд. Физ.-мат.лит., 1959, с. 377]. Величина поперечного разрешения линзы определяется критерием Рэлея (дифракционный предел) [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973, 720 с.]:It is believed that when focusing waves of any nature, wave energy is concentrated in a region with a transverse size of at least half the wavelength [G. Gorelik Oscillations and waves. M .: State publ. Fiz.-mat. Lit., 1959, p. 377]. The magnitude of the transverse resolution of the lens is determined by the Rayleigh criterion (diffraction limit) [Born M., Wolf E. Fundamentals of optics. M .: Nauka, 1973, 720 p.]:

δ≈1.22λ/D,δ≈1.22λ / D,

где λ - длина акустической волны, D - диаметр линзы. Для достижения высокого пространственного разрешения необходимо использовать акустические линзы с высокой числовой апертурой.where λ is the acoustic wavelength, D is the diameter of the lens. To achieve high spatial resolution, it is necessary to use acoustic lenses with a high numerical aperture.

Для фокусировки упругих волн с поперечным разрешением превышающий критерий Рэлея необходимо фокусировать упругие волны вблизи раздела двух сред с различными величинами акустического показателя преломления. Отношение скоростей звука называют акустическим показателем преломления первой среды по отношению ко второй. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные упругие волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению поперечного размера области фокусировки ниже дифракционного предела. Так как акустические поверхностные волны имеют проекцию волнового вектора k_х на поперечную координату х большую, чем волновое число в среде: k_х>k₀n, где k₀=2π/λ - волновое число в среде, n - акустический показатель преломления среды.To focus elastic waves with a transverse resolution exceeding the Rayleigh criterion, it is necessary to focus elastic waves near the interface between two media with different values of the acoustic refractive index. The ratio of sound velocities is called the acoustic refractive index of the first medium with respect to the second. Near the interface, surface elastic waves are excited, the constructive interference of which can lead to a decrease in the transverse size of the focusing region below the diffraction limit. Since acoustic surface waves have a projection of the wave vector k _x onto the transverse coordinate x greater than the wave number in the medium: k _x > k ₀ n, where k ₀ = 2π / λ is the wave number in the medium, n is the acoustic refractive index of the medium.

Наилучшими фокусирующими свойствами (поперечным разрешением) обладают акустические градиентные линзы. Такие линзы могут быть созданы с помощью аппроксимации градиентного акустического показателя преломления дифракционной субволновой микроструктурой, например, с помощью градиентных звуковых (фотонных) кристаллов [Qingyi Zhu, Lei Jin, Yongqi Fu. Graded index photonic crystals: A review // Ann. Phys. (Berlin), 527, # 3-4, 205-218, (2015)] или, например, шаровыми включениями в жидкости и твердых средах, соответствующих размеров, плотности, скорости звука, модуля объемной упругости [Виноградов Е.А., Суязов Н.В., Шипилов К.Ф. Дисперсия и отрицательное преломление акустических волн в гетерогенных средах // Труды института общей физики им. А.П. Прохорова, т. 69, 2013, с. 126-147].The best focusing properties (transverse resolution) have acoustic gradient lenses. Such lenses can be created by approximating the gradient acoustic refractive index by a diffraction subwavelength microstructure, for example, using gradient sound (photonic) crystals [Qingyi Zhu, Lei Jin, Yongqi Fu. Graded index photonic crystals: A review // Ann. Phys. (Berlin), 527, # 3-4, 205-218, (2015)] or, for example, by spherical inclusions in liquids and solid media of appropriate sizes, density, speed of sound, bulk modulus [Vinogradov EA, Suyazov N.V., Shipilov K.F. Dispersion and negative refraction of acoustic waves in heterogeneous media // Proceedings of the Institute of General Physics. A.P. Prokhorova, vol. 69, 2013, p. 126-147].

Наиболее близка к данному изобретению акустическая линза, описанная в Alfonco Climente, Daniel Torrent, Jose Sanchez-Dehesa. Sound focusing by gradient index sonic lenses // Applied physics letters, 97, 104103, 2010 и взятая за прототип. Акустический показатель преломления градиентной акустической линзы с плоскопараллельными гранями, перпендикулярными ее оптической оси, описывается гиперболическим секансом n(y)=n₀sech(αy), где α - постоянная, равная h^-1cosh^-1(n₀/n_h). Здесь h - полувысота акустической линзы, n₀ - акустический показатель преломления на оптической оси линзы (у=0) и n_h - акустический показатель преломления на краях линзы (у=±h). Фокальное пятно находится на расстоянии

от внешней стороны акустической линзы, где d - толщина линзы. В данной линзе n₀=1.339 и n_h=1. Градиент акустического показателя преломления создавался периодической системой металлических цилиндров в воздухе различного диаметра. Однако ширина фокусного пятна в данной акустической линзе близка к λ/2.Closest to this invention is an acoustic lens described in Alfonco Climente, Daniel Torrent, Jose Sanchez-Dehesa. Sound focusing by gradient index sonic lenses // Applied physics letters, 97, 104103, 2010 and taken as a prototype. The acoustic refractive index of a gradient acoustic lens with plane-parallel faces perpendicular to its optical axis is described by a hyperbolic secant n (y) = n ₀ sech (αy), where α is a constant equal to h ^-1 cosh ^-1 (n ₀ / n _h ). Here h is the half-height of the acoustic lens, n ₀ is the acoustic refractive index on the optical axis of the lens (y = 0) and n _h is the acoustic refractive index at the edges of the lens (y = ± h). Focal spot is at a distance

from the outside of the acoustic lens, where d is the thickness of the lens. In this lens, n ₀ = 1.339 and n _h = 1. The gradient of the acoustic refractive index was created by a periodic system of metal cylinders in air of various diameters. However, the width of the focal spot in this acoustic lens is close to λ / 2.

В данном изобретении была поставлена задача создать акустическую линзу, формирующую узкое фокальное пятно с заданной шириной.In this invention, the task was to create an acoustic lens that forms a narrow focal spot with a given width.

Технический результат - обеспечение фокусировки упругой волны в область шириной менее дифракционного предела, 0,02λ.EFFECT: provision of focusing of an elastic wave into a region with a width less than the diffraction limit, 0.02λ.

Задача достигается за счет того, что в акустической линзе с плоскопараллельными гранями, перпендикулярными ее оптической оси, и с радиальным градиентом акустического коэффициента преломления, согласно изобретению линза выполнена в виде кубоида с величиной ребра, равного (0.9-1.2)λΝ, где N=1,2,…, λ - длина упругой волны, величиной относительного акустического коэффициента преломления, изменяющегося от 1.1 n_ср до 1.6n_ср, где n_ср - акустический коэффициент преломления окружающей среды линзы, а по оптической оси линзы выполнен звукопроницаемый канал постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0.25λ, заполненный материалом с акустическим коэффициентом преломления, равным n_ср.The task is achieved due to the fact that in an acoustic lens with plane-parallel faces perpendicular to its optical axis and with a radial gradient of the acoustic refractive index, according to the invention, the lens is made in the form of a cuboid with an edge value equal to (0.9-1.2) λΝ, where N = 1 , 2, ..., λ - wavelength of the elastic wave, the magnitude of relative acoustic refractive index varying from 1.1 n to 1.6n _cf. _cp where _cp n - acoustic refractive index of medium surrounding the lens and on the optical axis of the lens is made zvukopronitsaemy kana constant cross-section with a characteristic transverse dimension of not more than 0.25λ, material filled with an acoustic refractive index equal to n _Wed.

На Фиг. 1 приведены схема акустической линзы в виде кубоида с радиально симметричным градиентом акустического показателя преломления и звукопроницаемым каналом, расположенным вдоль оптической оси линзы.In FIG. Figure 1 shows a diagram of an acoustic lens in the form of a cuboid with a radially symmetric gradient of the acoustic refractive index and a sound-permeable channel located along the optical axis of the lens.

На Фиг. 2 приведено сечение акустической линзы с звукопроницаемым каналом и распределение акустической энергии фокусируемой линзой.In FIG. Figure 2 shows a cross section of an acoustic lens with a sound-permeable channel and the distribution of acoustic energy by a focused lens.

На Фиг. 1 введены обозначения: 1 - кубоидная градиентная акустическая линза, 2 - звукопроницаемый канал, L - величина ребра кубоида, d - характерный поперечный размер канала. Величина ребра кубоида L=(0.9-1.2)λΝ, где N=1,2,…, λ - длина волны акустического излучения, величина относительного акустического коэффициента преломления изменяется от 1.1 n_ср до 1.6n_ср, где n_ср - акустический коэффициент преломления окружающей среды линзы. Характерный поперечный размер канала составляет величину не более 0.25λ.In FIG. 1 designations are introduced: 1 - cuboid gradient acoustic lens, 2 - sound-permeable channel, L - cuboid edge value, d - characteristic transverse channel size. The magnitude of the cuboid edge L = (0.9-1.2) λΝ, where N = 1,2, ..., λ is the wavelength of acoustic radiation, the value of the relative acoustic refractive index varies from 1.1 n _cf to 1.6n _cf , where n _cf is the acoustic refractive index environmental lenses. The characteristic transverse channel size is not more than 0.25λ.

На Фиг. 2 величина поперечного размера звукопроводящего канала d круглого сечения равно 0.02 λ. Формируемое фокальное пятно на выходе акустической линзы имеет симметричный вид в поперечной плоскости, и его ширина по полуспаду интенсивности равна 0.022 λ.In FIG. 2, the transverse dimension of the sound-conducting channel d of circular cross section is 0.02 λ. The formed focal spot at the exit of the acoustic lens has a symmetrical shape in the transverse plane, and its width in half-intensity is 0.022 λ.

Из приведенного примера видно, что акустическая линза в виде кубоида с радиальным градиентом акустического коэффициента преломления и звукопроницаемым каналом на ее оптической оси формирует узкое фокальное пятно с заданной шириной (при прочих равных условиях) в отличие от простых градиентных и аналогичных им акустическим линз (прототип), имеет малые поперечные размеры.It can be seen from the above example that an acoustic lens in the form of a cuboid with a radial gradient of the acoustic refractive index and a sound-permeable channel on its optical axis forms a narrow focal spot with a given width (all other things being equal) in contrast to simple gradient and similar acoustic lenses (prototype) has small transverse dimensions.

В результате экспериментальных исследований и результатов математического моделирования было установлено, что в случае выполнения акустической градиентной линзы в виде кубоида с величиной ребра, равного (0.9-1.2)λΝ, где N=1,2,…, λ - длина упругой волны, величиной относительного акустического коэффициента преломления изменяющегося от 1.1 n_ср до 1.6n_ср, где n_ср - акустический коэффициент преломления окружающей среды линзы, происходит наиболее эффективная фокусировка упругих волн. При увеличении или уменьшении указанного диапазона возможного изменения величины ребра кубоида-линзы происходит уменьшение передачи акустической энергии в звукопроводящий канал. Установлено, что акустическая градиентная линза сохраняет свою работоспособность и на гармониках излучения, где N - номер гармоники. Наиболее оптимальный относительный градиент акустического показателя преломления лежит в диапазоне от 1.1 n_ср до 1.6n_ср. При уменьшении его максимальной величины уменьшается передача акустической энергии в звукопроницаемый канал, а при увеличении возрастают потери на отражение упругих волн от материала среды, пропорциональные величине импенданса материала линзы, и уменьшается передача акустической энергии в звукопроницаемый канал.As a result of experimental studies and the results of mathematical modeling, it was found that in the case of performing an acoustic gradient lens in the form of a cuboid with an edge value equal to (0.9-1.2) λΝ, where N = 1,2, ..., λ is the elastic wavelength, relative acoustic refractive index, varying from 1.1 n _cf to 1.6 n _cf , where n _cf is the acoustic refractive index of the lens environment, the most effective focusing of elastic waves occurs. When increasing or decreasing the specified range of possible changes in the magnitude of the edges of the cuboid lens, there is a decrease in the transmission of acoustic energy into the sound-conducting channel. It has been established that an acoustic gradient lens maintains its operability even at radiation harmonics, where N is the harmonic number. The most optimal relative gradient of the acoustic refractive index lies in the range from 1.1 n _sr to 1.6n _sr . With a decrease in its maximum value, the transmission of acoustic energy into the soundproof channel decreases, and with an increase in the loss of reflection of elastic waves from the material of the medium, proportional to the magnitude of the impedance of the lens material, the transmission of acoustic energy into the soundproof channel decreases.

При выполнении звукопроницаемого канала постоянного, например, круглого сечения с характерным поперечным размером не более 0.25λ, заполненного материалом с акустическим коэффициентом преломления, равным n_ср, и расположенного по оптической оси акустической линзы, упругая волна может распространяться в нем как в волноводе. Фокусировка акустической энергии градиентной линзой сосредоточит ее внутри волновода. При этом на выходе из линзы формируется симметричная в поперечном направлении область фокусировки. Ширина фокусного пятна, сформированного на границе акустической линзы, будет близка к характерному поперечному размеру звукопроводящего канала, который не превышает величины 0.25λ. Чем меньше характерный поперечный размер звукопроницаемого канала, тем меньше ширина фокальной области и меньше доля акустической энергии в фокусе.When a sound-permeable channel of constant, for example, circular cross section with a characteristic transverse dimension of not more than 0.25λ, filled with a material with an acoustic refractive index equal to n _sr , and located along the optical axis of the acoustic lens, an elastic wave can propagate in it like in a waveguide. Focusing the acoustic energy with a gradient lens will concentrate it inside the waveguide. In this case, a focusing region symmetrical in the transverse direction is formed at the exit from the lens. The width of the focal spot formed at the boundary of the acoustic lens will be close to the characteristic transverse size of the sound-conducting channel, which does not exceed 0.25λ. The smaller the characteristic transverse dimension of the sound-permeable channel, the smaller the width of the focal region and the smaller the fraction of acoustic energy in the focus.

Акустическая линза с градиентным акустическим показателем преломления и звукопроницаемым каналом на ее оптической оси может быть создана различными способами. Это может быть акустическая линза с градиентным акустическим показателем преломления (например, созданная комбинацией электроосаждения различных материалов или создания градиента акустического показателя преломления в стеклянном стержне с помощью ионообменной диффузии), так и с кусочно-постоянным распределением акустического показателя преломления, например, имеющая вид звукового кристалла или радиально градиентной среды, образованной шаровыми включениями с необходимыми характеристиками, средний акустический показатель преломления которого повторяет градиентный аналог.An acoustic lens with a gradient acoustic refractive index and a sound-permeable channel on its optical axis can be created in various ways. This can be an acoustic lens with a gradient acoustic refractive index (for example, created by a combination of electrodeposition of various materials or creating a gradient of the acoustic refractive index in a glass rod using ion exchange diffusion), or with a piecewise-constant distribution of the acoustic refractive index, for example, having the form of a sound crystal or radially gradient medium formed by spherical inclusions with the necessary characteristics, the average acoustic refractive index which repeats the gradient analog.

Claims

Акустическая линза с плоскопараллельными гранями, перпендикулярными ее оптической оси, и с радиальным градиентом акустического коэффициента преломления, отличающаяся тем что линза выполнена в виде кубоида с величиной ребра, равного (0.9-1.2)λN, где N=1, 2, …, λ - длина упругой волны, величина относительного акустического коэффициента преломления изменяется от 1.1 n_ср до 1.6n_ср, где n_ср - акустический коэффициент преломления окружающей среды линзы, а по оптической оси линзы выполнен звукопроницаемый канал постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0.25λ, заполненный материалом с акустическим коэффициентом преломления, равным n_ср.An acoustic lens with plane-parallel faces perpendicular to its optical axis and with a radial gradient of the acoustic refractive index, characterized in that the lens is made in the form of a cuboid with an edge value equal to (0.9-1.2) λN, where N = 1, 2, ..., λ - the length of the elastic wave, the magnitude of relative acoustic refractive index n varies from 1.1 _cp to 1.6n _cp where _cp n - coefficient of acoustic lenses surrounding medium, and on the optical axis of the lens is made zvukopronitsaemy channel of constant cross section with a characteristic Poper nym not larger than 0.25λ, material filled with an acoustic refractive index equal to n _Wed.