[论文解读] 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 12

一句话总结

本文提出了一种基于塔姆等离子体（Tamm plasmon, TP）结构的新型光电超声发生器，可在金属层中实现对红外激光光（980 nm）的全吸收，从而实现高效、超宽带的超声波生成。通过使用镁作为活性金属层，该设计实现了光学到声学能量转换效率随激光调制频率和功率线性增加，支持高达100 MHz的超声波发射，在最佳冷却条件下表面振幅可达0.9 nm。

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.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、超宽带的光电超声发生器，以克服传统压电换能器在尺寸、重量和窄带共振方面的局限性。
• 通过塔姆等离子体结构在任意波长下实现全吸收，使低功耗、高功率的红外半导体激光器（如980 nm GaAs激光器）可用于超声波生成。
• 优化结构设计以实现最大热能到声能的转换效率，重点关注材料选择与热管理。
• 证明系统能够生成预设频谱的超声波，最高达100 MHz，并通过周期性激光调制实现高效率。

提出的方法

• 所提出的系统采用塔姆等离子体（TP）结构，由SiO2/TiO2多层布拉格反射镜与顶部金属层（如镁）组成，实现在金属-布拉格界面处对980 nm激光光的全吸收。
• 通过热扩散方程和热导率方程对激光脉冲吸收、热传导及热膨胀进行理论建模，边界条件设定为结构两端保持恒温。
• 通过Δx = ∫εΔT(x)dx计算热膨胀引起的表面位移，其中ε为热膨胀系数，ΔT(x)为温度分布。
• 光学到声学的功率转换效率η由声强公式J = ρₘv(2πfB)²推导得出，其中B = εG/(cρ)，进而得到η ∝ f·G·(ε/(cρ))²。
• 采用有限差分时域（FDTD）方法进行数值模拟，以建模电磁场分布|E(x)|²及相应的热生成分布F(x,t) = A(λ)I(t)α(x,λ)|E(x)|² / ∫α(x)|E(x)|²dx。
• 系统在两种激励模式下进行分析：100 MHz连续正弦调制和50 MHz重复率、10 ns脉冲激励，同时监测冷却动力学以评估热弛豫过程及振幅特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 塔姆等离子体结构能否在金属层中实现对红外激光辐射（980 nm）的全吸收，从而实现高效的光电超声波生成？
• RQ2 在基于塔姆等离子体结构的光电超声发生器中，何种材料组合可实现最大的光学到声学功率转换效率？
• RQ3 该结构的热弛豫动力学如何影响周期性激光激励下表面振荡的振幅与波形？
• RQ4 超声波带宽可扩展至何种程度？能否实现预设的频率谱？
• RQ5 如理论模型所预测，转换效率是否与激光调制频率和入射功率呈线性关系？

主要发现

• 塔姆等离子体结构在980 nm波长下实现了接近单位吸收（A ≈ 1），使紧凑、高功率且可调制的红外半导体激光器得以高效激发。
• 镁被确定为最优金属层材料，因其具有高达0.92 × 10⁻⁶ K⁻¹·m²/s的ε/(cρ)比值，优于金、银和铅，且具有高热扩散率。
• 在100 MHz正弦调制、平均功率10⁶ W/cm²条件下，表面最大振幅约为0.5 nm，同时因整体加热产生0.8 nm的恒定基线偏移。
• 在50 MHz重复率、10 ns脉冲（平均功率5×10⁵ W/cm²）激励下，结构在脉冲间完全冷却，振幅提高至0.9 nm，表明脉冲工作模式下效率更优。
• 光学到声学的功率转换效率随激光调制频率和入射激光功率线性增加，与理论模型预测一致。
• 系统可生成中心频率高达100 MHz的超声波，证明其具备超宽带工作能力，适用于高分辨率成像与无损检测。