Journal de génie électrique et de technologie électronique

Ultrasons d'excitation laser dans des liquides absorbant la lumière émettant un rayonnement laser à travers une fibre optique avec revêtement colloïdal de la pointe distale par une seule couche de sphères transparentes

Vladimir Bredikhine

Les convertisseurs efficaces de rayonnement laser optique en acoustique haute fréquence pour la médecine et les technologies constituent un problème d'application important. Une solution possible consiste à injecter le rayonnement dans un liquide à travers la fibre, dont l'extrémité distale est recouverte d'une couche de microsphères transparentes. Les microsphères agissent ici comme une lentille créant des zones hautement concentrées de rayonnement lumineux dans le liquide. En présence d'absorption de lumière dans le liquide, il apparaît un système de volumes chauffés locaux qui conduit à une réponse optoacoustique (OA) due à l'effet thermoélastique. De ce point de vue, la couche de microsphères transparentes à l'extrémité distale de la fibre dans un milieu absorbant la lumière peut être considérée comme un convertisseur laser-acoustique à fibre (LAC). Deux schémas opposés de LAC sont étudiés expérimentalement dans ce rapport. Dans un premier temps (a) nous étudions les ultrasons [1] excités par le rayonnement laser à travers une fibre optique en quartz Ø 1 mm avec LAC — un revêtement à l'extrémité distale de la fibre avec des sphères de polystyrène (PS) Ø 0,96 μm. Français Le laser est un laser YAG:Nd avec λ = 1,064 μm, et l'eau distillée est utilisée comme milieu (coefficient d'absorption lumineuse α ≈ 0,1 cm-1). Le laser génère dans le régime de mode transversal nul (diamètre du faisceau ≈2 mm) un train d'impulsions d'une durée totale d'environ 300 ns avec une fréquence de pointe d'environ 2 × 105 Hz en utilisant un modulateur optique passif. Cette configuration de l'expérience permet d'étudier les paramètres de base du système sous forme « primitive », en évitant l'influence d'effets plus complexes, tels que l'auto-défocalisation thermique et les états liquides surchauffés. Le deuxième cas (b), opposé, est une utilisation du revêtement de sphères de verre Ø 200 μm sur un substrat en verre comme LAC dans le faisceau laser (environ Ø 1 mm) de deuxième harmonique (λ = 0,532 μm) avec un temps d'impulsion de 15 ns. Français Le milieu est dans ce cas une solution eau-encre (α ≈ 100 cm-1) [2]. Les revêtements constitués de sphères de 1 et 200 μm de diamètre (voir Fig.) sont appliqués sur la face de la pointe de la fibre à l'aide d'une technologie en 2 étapes. Tout d'abord, une seule couche de sphères est formée sur une plaque de verre plate. Ensuite, la seule couche obtenue est collée sur l'extrémité de la fibre avec une fine couche pré-appliquée d'adhésif optique cyanoacrylate. Une seule couche de sphères de petite taille (jusqu'à 10 μm) est déposée sur la plaque à partir d'une solution colloïdale. Les sphères de grande taille sont étalées en une seule couche sur une plaque plate (dans une zone de remplissage limitée). Les microphotographies des sphères à la pointe d'une fibre de 1 mm sur l'adhésif sont (a) Dans l'eau pure à λ = 1,064 μm (absorption lumineuse ~ 0,1 cm−1), une microstructure thermique se forme avec une taille caractéristique de fractions de ≈ λ, une température maximale jusqu'à 10−2 degré à une énergie d'une courte impulsion laser d'≈0,005 J. L'équipement développé permet un enregistrement précis de la génération d'ultrasons avec le microchauffage attendu.(b) Dans le cas d'une solution eau-encre, il est démontré que le niveau de pression et la gamme de fréquences des ultrasons générés peuvent être sensiblement améliorés si l'irradiation est effectuée à travers la couche de sphères de verre. La gamme de fréquences des ultrasons générés est déterminée par les dimensions du volume où la lumière est absorbée. En l'absence de sphères, cette dimension correspond à la profondeur de pénétration de la lumière dans le liquide. Avec les sphères, il s'agit de la taille de ces points chauds.