Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2020 - zeszyt 3

Comprehensive theoretical study of optical, thermophysical and acoustic properties of surface nanostructures with metallic nanoparticles for fiber-optic photoacoustic ultrasound transducers

Analiza właściwościi optycznych, termicznych i akustycznych nanostruktury przeznaczonej do konstrukcji czujnika światłowodowego

10.15199/48.2020.03.29

nr katalogowy: 125247
10.15199/48.2020.03.29

Streszczenie

The relationship between microscopic parameters of surface nanostructure and output characteristics of the photoacoustic transducer is established in this paper. In this paper, novel results in the area of complex simulation of thermal, acoustic and mechanical characteristics of surface nanostructures are demonstrated. The design of fiber-optic photoacoustic ultrasound transducer providing the most effective optical-to-acoustic conversion (intensity modulated optical signal is converted into pressure waves) is proposed as a result comprehensive theoretical study of absorbed optical power, stationary and non-stationary temperature and pressure distribution in various surroundings for different sets of microscopic parameters of surface nanostructures on the optical fiber edge. Additionally, the photoacoustic response is measured in order to provide the experimental proof of main results. Obtained dependencies can be used in the design of modern and perspective systems of ultrasound technical diagnostics, high-resolution ultrasound imaging of industrial densely-packed objects.

Abstract

W pracy przedstawiono zależność między parametrami mikroskopowymi nanostruktury powierzchniowej a wyjściowymi właściwościami akustycznymi przetwornika fotoakustycznego. W tym artykule przedstawiono nowatorskie wyniki w dziedzinie złożonej symulacji termicznych, akustycznych i mechanicznych właściwości nanostruktur powierzchniowych. Proponuje się zaprojektowanie światłowodowego fotoakustycznego przetwornika ultradźwiękowego zapewniającego najskuteczniejszą konwersję optyczno-akustyczną (sygnał optyczny o modulowanym natężeniu zamienia się w fale ciśnieniowe) w wyniku kompleksowych badań teoretycznych pochłoniętej mocy optycznej, stacjonarnej i niestacjonarnej temperatury oraz rozkład ciśnienia w różnych środowiskach dla różnych zestawów parametrów mikroskopowych powierzchniowych nanostruktur na krawędzi światłowodu. Dodatkowo mierzona jest odpowiedź fotoakustyczna w celu dostarczenia eksperymentalnego dowodu głównych wyników. Uzyskane zależności można wykorzystać przy projektowaniu nowoczesnych i perspektywicznych systemów ultradźwiękowej diagnostyki technicznej, obrazowania ultradźwiękowego wysokiej rozdzielczości gęsto upakowanych obiektów przemysłowych.

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] Hanselka H., Nuffer J. Characterization of reliability. Springer handbook of metrology and testing, Springer (2011), 16.7.
[2] Czichos H. Metrology and testing in materials science and technology, Meas. Sci., 4 (2009), No.4, 48 -77.
[3] Vesely W.
[et al.] Fault tree handbook with aerospace applications, NASA (2002), 218.
[4] Mufti A. Guidelines for structural health monitoring, Canada Res. Netw. Man., No.1 (2001).
[5] Worden K.
[et al.] The fundamental axioms of structural health monitoring, Philos. T. R. Soc. A., 463 (2007),No.2082, 1639 - 1664.
[6] Czichos H. Handbook of technical diagnostics, Springer (2013), 566
[7] Sposito G.
[et. al] A review of non-destructive techniques for the detection of creep damage in power plant steels, NDT Int., 43 (2010), No.7, 555-567.
[8] Snook K.A.
[et. al] High-frequency ultrasound annular-array imaging. Part I: array design and fabrication, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 53 (2006), No.2, 300-308.
[9] Sharples S.D., Clark M., Somekh M.G. Spatially resolved acoustic spectroscopy for fast noncontact imaging of material microstructure, Opt. Expr., 14 (2006), No. 22, 10435-10440.
[10] Baerwald A.
[et. al] Use of ultrasound biomicroscopy to image human ovaries in vitro, Ultras. Obstet. Gynecol., 34 (2009), No. 2, 201-207.
[11] Foster F.S.
[et. al] A new 15-50 MHz arraybased microultrasound scanner for preclinical imaging Ultras. Med. Biol., 35 (2009), No.10, 1700-1708.
[12] Jadidian B.
[et. al] 25 MHz ultrasound transducers with leadfree piezoceramic, 1-3 PZT fiber-epoxy composite, and PVDF polymer active elements, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, V.56 (2012), No.2, 368-378.
[13] Gottlieb E.J.
[et. al] Development of a high-frequency (> 50 MHz) copolymer annular-array, ultrasound transducer, IEEE 137 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 96 NR 3/2020 Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 53 (2006), No.5, 1037-1045.
[14] Biagi E., Margheri F., Menichelli D. Efficient laser-ultrasound generation by using heavily absorbing films as targets, IEEE Trans. on ultrason., ferroel. and freq. control, 48 (2001), No. 6, 1669 - 1679.
[15] Buma T., Spisar M., O’Donnell M. A high-frequency, 2-D array element using thermoelastic expansion in PDMS Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 50 (2003), No.9, 1161- 1176.
[16] Hou Y.
[et. al.] Characterization of a broadband all-optical ultrasound transducer—from optical and acoustical properties to imaging, Appl. Phys. Lett., 91 (2007), Art. No.073507.
[17] Wu Nan.
[et al.] Fiber optic ultrasound transmitters and their applications, Measurement, 79 (2016), 164 - 171.
[18] Won Baac, H. Carbon nanotube composite optoacoustic transmitters for strong and high frequency ultrasound generation, Appl. Phys. Lett., 97 (2010), No.23, Art. No. 234104.
[19] Hu Chennan, Yu, Zhihao, Wang, Anbo An all fiber-optic multiparameter structure health monitoring system, Opt. Express, 24 (2016), No.18, 20287 - 20296.
[20] Tian Y. Fiber-optic ultrasound generator using periodic gold nanopores fabricated by a focused ion beam, Opt. Eng., 52 (2013), No. 6, Art. No. 065005.
[21] Zou X.
[et. al] Broadband miniature fiber optic ultrasound generator, Opt. express, 22 (2014), No. 15, 18119 - 18127.
[22] Hou Y.
[et. al] Characterization of a broadband all-optical ultrasound transducer-from optical and acoustical properties to imaging, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, (2008) 55, No. 8, 1867-1877.
[23] Smith R.
[et al.] Design and fabrication of nanoscale ultrasound transducers, J. Phys. Conf. Ser., 278 (2011), Art. No. 012035.
[24] Zou X.
[et. al] Polydimethylsiloxane thin film characterization using all-optical photoacoustic mech., Appl. Opt., 52 (2013), No.25, 6239-6244.
[25] Hou Y.
[et. al] Broadband all-optical ultrasound transducers, Appl. Phys. Lett., 91 (2007), No.7, Art. No. 073507.
[26] Zhou Jingcheng High temperature monitoring using a novel fiber optic ul-trasonic sensing system, Proc. of Micro- and Nanotechnol. Sens., Syst., and App.,10639 (2018), Art. No. 1063910.
[27] Wu N.
[et. al] High-efficiency optical ultrasound generation using one-pot synthesized polydimethylsiloxane-gold nanoparticle nanocomposite, J. Opt. Soc. Am. B, 29 (2012), No.8, 2016-2020.
[28] Ortega-Mendoza J.G.
[et al.] Selective photodeposition of zinc nanoparticles on the core of a single-mode optical fiber, Opt. Express, 21 (2013), No.5, Art. No. 6509.
[29] Hunter A.J., Drinkwater B.W., Wilcox P.D. Autofocusing ultrasound imagery for non-destructive testing and evaluation of specimens with complicated geometries, NDT Int., 43 (2010), No.2, 78-85.
[30] Rivero P.J.
[et al.] Localized surface plasmon resonance for optical fiber-sensing applications, Nanoplasmonics - Fundamentals and applications, Intech (2017), 399 - 429.
[31] Mikitchuk A.P., Kozadaev K.V. Simulation of the optical properties of surface nanostructures for photoacoustic transducers, Quant. El., 48 (2018), No. 7, 630 - 638.
[32] Mikitchuk A.P., Kozadaev K.V. Photoacoustic generation with surface noble metal nanostructures, Proc. of Int. Symp. “Nanostruct.: Phys. and Technol.", Minsk (2018), 97 - 98.
[33] Kozadaev K.V. Diagnostics of aqueous colloids of noble metals by extinction modeling based on Mie theory, J. of Appl. Spectroscop., 78 (2011), No. 5, 692-697.
[34] Goncharov V.K., Kozadaev K.V., Shchegrikovich D.V. Investigation of noble metals colloidal systems formed by laser synthesis at air, Adv. in Opt. Tech., 1 (2012), Art. No. 907292.
[35] Mikitchuk A.P. Kozadaev K.V., Photoacoustic generation with surface noble metal nanostructures, Semiconductors., 52 (2018), No. 14. 1839 - 1842.
[36] Mikitchuk A.P., Kozadaev K.V. Convergence for simulation of surface nanostructure optical properties using finite integral technique, Phys. and chem. asp. of the study of clust., nanostruct. and nanomater., 10 (2018), 460 - 467.
[37] Mikitchuk A.P., Kozadaev K.V., Simulation of the electromagnetic properties of silver nanostructures on the solid substrate in the air atmosphere, J. of the Bel. St. Univ.. Phys., 1 (2017), No. 1, 100 - 107.
[38] Nishijima Y., Rosa L., Juodkazis S. Surface plasmon resonances in periodic and random patterns of gold nano-disks for broadband light harvesting, Opt. Express, 20 (2012), No. 10, 11466 - 11477.
[39] Pozar D.M. Microwave Engineering, John Wiley & Sons (2012), 228.
[40] Fritzen F., Bohlke T. Influence of the type of boundary conditions on the numerical properties of unit cell problems, Tech. Mech., 30 (2010), No. 4, 354-363.
[41] Goncharov V.K., Kozadaev K.V., Mikitchuk A.P., Diagnostics of the monolayer silver nanostructures on a solid substrate using the bifactorial analysis of the SPR band, High temp. mat. process., 18 (2014), No. 3, 201-213.
[42] Kreibig U., Vollmer, M. Optical properties of metal clusters, Springer-Verlag (1995), 436.
[43] Hutter T., Elliott S.R., Mahajan S., Interaction of metallic nanoparticles with dielectric substrates: effect of optical constants, Nanotechnol., 24 (2013), 035201 - 035209.
[44] Matasane C.M., Kahn M.T.E. Measurement of thermal and transient responses in optical fiber, EngineerIT (2008), 31 - 32.
[45] Horikoshi S., Kato T., Theoretical study of the interparticle interaction of nanoparticles randomly dispersed on a substrate, J. of Appl. Phys., 117 (2015), Art. No. 023117.
[46] Mikitchuk A.P., Kozadaev K.V., Modelling the interaction between silver nanoparticles in a monolayer on a glass substrate, J. of Appl. Spectroscop., 83 (2017), No.6, 947-952.

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


e-Publikacja (format pdf) - nr 125247 "Comprehensive theoretical..." licencja: Osobista Produkt cyfrowy	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - e-zeszyt (pdf) 2020-3 licencja: Osobista Produkt cyfrowy	55.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2020-3

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma