[論文レビュー] Proposal for photoacoustic ultrasonic generator based on Tamm plasmon structures

Elizaveta I. Girshova, A. P. Mikitchuk+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2020

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 30被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、赤外レーザー光（980 nm）を金属層で完全吸収可能にするTammプラズモン（TP）構造を用いた新規な光音響超音波発生器を提案する。これにより、広帯域で効率的な超音波発生が可能となる。マグネシウムを活性金属層として用いることで、レーザー変調周波数および出力の増加に伴い、線形に増加する光-音波変換効率を実現し、最適な冷却条件下では100 MHzまでの超音波放射が可能であり、表面振動は0.9 nmに達する。

ABSTRACT

The scheme of generation of ultrasound waves based on optically excited Tamm plasmon structures is proposed. It is shown that Tamm plasmon structures can provide total absorption of a laser pulse with arbitrary wavelength in a metallic layer providing the possibility of the use of an infrared semiconductor laser for the excitation of ultrasound waves. Laser pulse absorption, heat transfer and dynamical properties of the structure are modeled, and the optimal design of the structure is found. It is demonstrated that the Tamm plasmon-based photoacoustic generator can emit ultrasound waves in the frequency band up to 100 MHz with pre-defined frequency spectrum. Optical power to sound power conversion efficiency grows linearly with frequency of the laser modulation and excitation power.

研究の動機と目的

• 従来の圧電トランスデューサーのサイズ・重量・狭帯域共振の制限を克服する、コンactで広帯域な光音響超音波発生器の開発。
• Tammプラズモン構造を用いて任意の波長で完全吸収を実現することで、低コストで高出力な赤外半導体レーザー（例：980 nm GaAsレーザー）を用いた超音波発生の実現。
• 材料選定および熱管理を重点に、熱エネルギーから音響エネルギーへの変換効率を最大化する構造的最適化。
• 理論モデルが予測するように、100 MHzまでに所定の周波数スペクトルを持つ超音波を発生させ、高い効率を達成できるかの実証。

提案手法

• 提案システムは、SiO₂/TiO₂マルチレイヤーからなるブレグ反射板と、その上に配置された金属層（例：マグネシウム）からなるTammプラズモン（TP）構造を採用し、金属-ブレグ界面で980 nmレーザー光を完全吸収する。
• 熱拡散方程式および熱伝導率方程式を用いて、レーザーパルス吸収、熱伝導、熱膨張の理論的モデリングを実施。境界条件として構造両端で一定温度を仮定。
• 熱膨張による表面変位は、Δx = ∫εΔT(x)dx で計算され、ここでεは熱膨張係数、ΔT(x)は温度分布を表す。
• 光-音波変換効率ηは、音響強度式 J = ρₘv(2πfB)² から導出され、B = εG/(cρ) であるため、η ∝ f·G·(ε/(cρ))² となる。
• 有限差分時間領域（FDTD）法を用いた数値シミュレーションにより、電磁界分布 |E(x)|² およびそれに伴う発熱プロファイル F(x,t) = A(λ)I(t)α(x,λ)|E(x)|² / ∫α(x)|E(x)|²dx のモデル化を実施。
• 連続的正弦波変調（100 MHz）およびパルス励起（10 nsパルス、50 MHz繰り返しレート）の2通りの励起モードを想定し、熱緩和および振動振幅の評価を目的として冷却ダイナミクスをモニタリング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Tammプラズモン構造は、赤外レーザー放射（980 nm）を金属層で完全吸収可能であり、これにより効率的な光音響超音波発生が可能になるか？
• RQ2 Tammプラズモン構造に基づく光音響発生器において、光-音波変換効率を最大化する最適な材料組合せは何か？
• RQ3 周期的レーザー励起下での構造の熱緩和ダイナミクスは、表面振動の振幅および波形にどのように影響するか？
• RQ4 超音波帯域幅はどの程度まで拡張可能であり、所定の周波数スペクトルを実現できるか？
• RQ5 理論モデルが予測するように、変換効率はレーザー変調周波数および入射レーザー出力に比例して線形に増加するか？

主な発見

• Tammプラズモン構造は980 nmでほぼユニティに近い吸収（A ≈ 1）を実現し、小型で高出力かつ変調可能な赤外半導体レーザーを用いた効率的励起を可能にする。
• マグネシウムは、比熱比（ε/(cρ)）が0.92 × 10⁻⁶ K⁻¹·m²/s と、金、銀、鉛を上回り、高い熱拡散率を示すため、最適な金属層材料であると特定された。
• 100 MHz正弦波変調（平均出力10⁶ W/cm²）条件下では、表面の最大振動振幅は約0.5 nmであり、体積加熱による0.8 nmの定常的基準シフトが観察された。
• 50 MHz繰り返しレート、10 nsパルス（平均出力5×10⁵ W/cm²）条件下では、パルス間の冷却が完全に実現され、振動振幅が0.9 nmにまで上昇した。これはパルス励起下での効率の向上を示している。
• 理論モデルが予測したように、光-音波変換効率は、レーザー変調周波数および入射レーザー出力の両方と線形に増加した。
• 中心周波数が100 MHzまで達する超音波を発生可能であり、高分解能イメージングおよび非破壊評価に適した広帯域動作を実証した。