فهرست مطالب
مقدمه
ترانسدیوسر اپتوآکوستیک نوعی حسگر هستند که از نور لیزر برای تولید امواج صوتی در یک ماده استفاده می‌کنند. سپس می‌توان این امواج را شناسایی و تجزیه و تحلیل کرد تا اطلاعاتی در مورد خواص ماده به دست آید. ترانسدیوسر اپتوآکوستیک طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله تصویربرداری پزشکی، تجزیه و تحلیل مواد و نظارت بر محیط زیست را دارند. در این مقاله، نحوه کار ترانسدیوسرهای نوری-صوتی و برخی از کاربردهای کلیدی آنها را بررسی خواهیم کرد.
ترانسدیوسر اپتوآکوستیک (Optoacoustic Transducer)
اصل اساسی ترانسدیوسر اپتوآکوستیک تبدیل انرژی نور به انرژی صدا است. این فرآیند از طریق پدیده‌ای به نام اثر فوتوآکوستیک رخ می‌دهد. هنگامی که یک نمونه تحت تابش نور لیزر پالسی قرار می‌گیرد، نور توسط نمونه جذب می‌شود و باعث افزایش موضعی دما می‌شود. این افزایش دما باعث انبساط حرارتی می‌شود که موج فشاری ایجاد می‌کند که در نمونه منتشر می‌شود. این موج فشار، یک موج صوتی است که می‌توان آن را با استفاده از یک ترانسدیوسر مناسب تشخیص داد.
ترانسدیوسر اپتوآکوستیک معمولاً از دو جزء اصلی تشکیل شده‌اند: یک منبع لیزر و یک آشکارساز صوتی. منبع لیزر، نور پالسی را که برای تولید امواج صوتی استفاده می‌شود، فراهم می‌کند، در حالی که آشکارساز صوتی، امواج فشار حاصل را اندازه‌گیری می‌کند. نور لیزر معمولاً در محدوده نزدیک به مادون قرمز است، زیرا این محدوده طول موج برای تولید امواج صوتی در مواد مختلف مناسب است.
آشکارساز صوتی می‌تواند دستگاه‌های متنوعی از جمله حسگرهای پیزوالکتریک، میکروفون‌ها یا حسگرهای فیبر نوری باشد. این دستگاه‌ها برای تشخیص امواج فشاری تولید شده توسط اثر اپتوآکوستیک و تبدیل آنها به سیگنال الکتریکی قابل پردازش و تجزیه و تحلیل طراحی شده‌اند.
توضیح کامل تر از اصول کاری ترانسدیوسر نوری-صوتی
بخش اصلی یک ترانسدیوسر اپتوآکوستیک، ماده اپتوآکوستیک است که معمولاً شامل ماده جاذب نور و ماده انبساط حرارتی است.
ماده جاذب نور از طریق یک مکانیسم انتقال غیرتابشی، تبدیل فوتوترمال (T△) را انجام می‌دهد. در همین حال، ماده انبساط حرارتی، امواج التراسونیک (P△) را از طریق انبساط حرارتی دوره‌ای بر اساس اصل ترموالاستیک منتشر می‌کند. رسانایی حرارتی بر انتقال حرارت بین مواد جاذب نور و انبساط حرارتی تأثیر می‌گذارد و همچنین بر راندمان و فرکانس تبدیل انرژی اپتوآکوستیک تأثیر می‌گذارد. قبل از اشباع، فشار صدای خروجی با چگالی انرژی لیزر همبستگی مثبت دارد. علاوه بر این، پهنای پالس لیزر، حد بالایی پهنای باند سیگنال اپتوآکوستیک را تعیین می‌کند.
تغییر دما (T△) یک ترانسدیوسر اپتوآکوستیک ناشی از لیزر پالسی را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:
که در آن ρ، α و C به ترتیب ضریب جذب، چگالی و ظرفیت گرمایی ویژه ماده هستند. E چگالی انرژی لیزر و η احتمال گذار غیرتابشی فوتون است. طبق فرض مرجع [a]، برای یک ترانسدیوسر اپتوآکوستیک با ساختار لایه‌ای، هنگامی که شرایط محصورسازی حرارتی و تنشی ترانسدیوسر اپتوآکوستیک برآورده شود (یعنی عرض لیزر پالسی باید کمتر از زمان عبور پالس حرارتی و پالس تنشی از ناحیه جذب نور (La = 1/α) در لایه کامپوزیت اپتوآکوستیک باشد)، فشار صوت (P) یک ترانسدیوسر اپتوآکوستیک را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:
که در آن ß و K به ترتیب ضریب انبساط و مدول حجمی محیط هستند.
مواد ترانسدیوسر نوری-صوتی
مواد جاذب نور
مواد انبساط حرارتی و جذب نور، اجزای اصلی ترانسدیوسر اپتوآکوستیک هستند. به طور کلی، یک ماده انبساط حرارتی ایده‌آل برای ترانسدیوسر اپتوآکوستیک، پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) است، زیرا ضریب انبساط حرارتی بالا، ظرفیت گرمایی ویژه پایین و شفافیت بالایی دارد. مواد جذب نور شامل فیلم‌های فلزی، نانومواد کربنی و پروسکایت(perovskite) هستند. این بخش به معرفی تحقیقات در مورد ترانسدیوسرهای اپتوآکوستیک کامپوزیت فلز-PDMS، کامپوزیت کربن-PDMS و کامپوزیت پروسکایت(perovskite)-PDMS می‌پردازد.
کامپوزیت فلز-PDMS
ترانسدیوسر اپتوآکوستیک مبتنی بر فلز-PDMS، با استفاده از طلا (Au)، کروم (Cr) یا ژرمانیوم (Ge)، پیش از این به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. این ترانسدیوسر می‌تواند التراسونیک با فرکانس بالا (~80 مگاهرتز) با پهنای باند وسیع (پهنای باند -6 دسی‌بل: ~180%) تولید کند. به دلیل جذب کم نور و بازتاب بالای نور توسط فیلم فلزی، ترانسدیوسر اپتوآکوستیک فشار صدای کمی دارد. علاوه بر این، ترانسدیوسر اپتوآکوستیک فلز-PDMS آستانه آسیب لیزری پایینی دارد. این دلایل کاربردهای زیست‌پزشکی آن را محدود می‌کند.
نانومواد کربنی-کامپوزیت PDMS
با تحقیقات عمیق، نانومواد کربنی به تدریج به دلیل خواص نوری عالی (جذب نور پهن باند) و حرارتی (راندمان تبدیل فوتوترمال بالا، رسانایی حرارتی عالی، ظرفیت گرمایی ویژه پایین و ضریب نفوذ حرارتی خوب) مورد توجه محققان قرار گرفته‌اند، مانند نانولوله‌های کربنی (CNTs)، کربن سیاه (CB)، گرافن، نانوفیبرهای کربنی (CNFs)، گرافیت و نانوذرات کربنی دوده شمع (CSNPs). با استفاده از کامپوزیت‌های نانومواد کربنی-PDMS، ترانسدیوسر اپتوآکوستیک دارای راندمان تبدیل اپتوآکوستیک و آستانه آسیب لیزری بالاتری نسبت به ترانسدیوسر اپتوآکوستیک فلزی-PDMS است.
پروسکایت هالید سرب-کامپوزیت PDMS
استفاده از متیل آمونیوم یدید سرب (MAPbI₃) در طراحی یک ترانسدیوسر اپتوآکوستیک بر اساس چندین ویژگی مفید است که عملکرد آن را افزایش می‌دهد.
متیل آمونیوم یدید سرب (MAPbI₃) به دلیل ساختار و ترکیب کریستالی خاص خود که شامل یون‌های هالید است، به عنوان یک پروسکایت هالید سرب طبقه‌بندی می‌شود. خواص اپتوالکترونیکی قابل توجه آن، همراه با انعطاف‌پذیری و دوام PDMS، آن را به کاندیدای بسیار خوبی برای کاربردهای پیشرفته در ترانسدیوسرهای اپتوآکوستیک و سایر فناوری‌ها تبدیل می‌کند.
ظرفیت گرمایی ویژه پایین: این بدان معناست که MAPbI₃ می‌تواند هنگام قرار گرفتن در معرض نور لیزر به سرعت دما را تغییر دهد. این پاسخ سریع برای تولید کارآمد امواج صوتی مفید است.
رسانایی حرارتی پایین: این ماده به راحتی گرما را منتقل نمی‌کند، که به متمرکز نگه داشتن گرما در یک ناحیه کمک می‌کند. این تمرکز گرما برای ایجاد امواج صوتی قوی مهم است.
ضریب انتشار حرارتی کوچک: این ویژگی نشان می‌دهد که گرما به سرعت در سراسر ماده پخش نمی‌شود. در نتیجه، گرمای تولید شده موضعی می‌ماند و راندمان تبدیل انرژی لیزر به صدا را افزایش می‌دهد.
ضریب جذب بالا: MAPbI₃ می‌تواند به طور موثر نور لیزر را جذب کرده و آن را به گرما تبدیل کند. این برای تولید امواج صوتی مورد نیاز برای کار ترانسدیوسر بسیار مهم است.
همانطور که در تصویر نشان داده شده است، تبدیل اپتوآکوستیکی عموماً شامل سه مرحله است: (1) جذب نور توسط لایه پروسکایت، (2) افزایش دما در سطح مشترک بین MAPbI3 و PDMS، و (3) انبساط حرارتی PDMS و تولید موج التراسونیک.
کاربردها
ترانسدیوسرهای نوری-صوتی طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله تصویربرداری پزشکی، تجزیه و تحلیل مواد و نظارت بر محیط زیست را دارند.
نتیجه‌گیری
در نتیجه، ترانسدیوسرهای التراسونیک را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد: ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک و ترانسدیوسرهای اپتوآکوستیک.
ترانسدیوسرهای اپتوآکوستیک ابزاری قدرتمند برای تولید و تشخیص امواج صوتی در مواد مختلف هستند. توانایی منحصر به فرد آنها در تبدیل انرژی نور به انرژی صوتی منجر به طیف گسترده‌ای از کاربردها در زمینه‌هایی مانند تصویربرداری پزشکی، تجزیه و تحلیل مواد و نظارت بر محیط زیست شده است. ترانسدیوسر اپتوآکوستیک به دلیل فرآیندهای آماده‌سازی ساده، تداخل ضد الکترومغناطیسی و پهنای باند وسیع، به عنوان یک کاندیدای امیدوارکننده برای کاربردهای مهندسی زیست پزشکی ظاهر می‌شود.
واژه‌نامه
آستانه آسیب لیزری پایین:
حساسیت مواد: موادی که آستانه آسیب پایینی دارند، بیشتر در معرض آسیب ناشی از قرار گرفتن در معرض لیزر قرار دارند. این می‌تواند شامل تغییرات فیزیکی مانند ذوب شدن، ترک خوردن یا تخریب ساختاری باشد.
کاربردها: در اپتیک، اجزایی مانند لنزها، آینه‌ها و پوشش‌ها باید آستانه آسیب بالایی داشته باشند تا در برابر کاربردهای لیزر با شدت بالا بدون تخریب مقاومت کنند.
اندازه‌گیری: آستانه آسیب معمولاً بر اساس چگالی انرژی (ژول بر سانتی‌متر مربع) یا چگالی توان (وات بر سانتی‌متر مربع) اندازه‌گیری می‌شود. آستانه پایین به این معنی است که حتی لیزرهای با شدت نسبتاً کم نیز می‌توانند باعث آسیب شوند.
پیامدها: استفاده از موادی با آستانه آسیب لیزری پایین در کاربردهای لیزر با توان بالا می‌تواند منجر به خرابی، کاهش عملکرد و افزایش هزینه‌ها به دلیل نیاز به تعویض یا تعمیر شود.
یون‌های هالید:
هالیدهای یونی زمانی ایجاد می‌شوند که یک اتم فلز یک یا چند الکترون به اتم هالوژن بدهد. این انتقال الکترون‌ها منجر به تشکیل یون‌های باردار می‌شود: فلز به یونی با بار مثبت (کاتیون) تبدیل می‌شود، در حالی که هالوژن به یونی با بار منفی (آنیون) تبدیل می‌شود.
