Характеристики волоконно-оптических фотоакустических преобразователей с монослоем металлических наночастиц для систем технической диагностики

  • Елена Петровна Микитчук Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0001-6986-880X
  • Константин Владимирович Козадаев Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0001-6263-8024
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-1-4-15

Аннотация

Проведены экспериментальные исследования микроструктурных и морфологических свойств наноструктур в виде монослоя наночастиц серебра в составе макета волоконно-оптического фотоакустического преобразователя. Указанные наночастицы имеют гамма-распределение по размерам, средний диаметр 35 нм и среднеквадратичный разброс 12 нм, что позволяет использовать их в качестве сверхтонких поглотителей на торце оптического волокна. Впервые предложен метод одновременного определения эффективности фотоакустического преобразования и измерения частотной характеристики энергетического отклика фотоакустического преобразователя в зависимости от параметров модуляции оптического сигнала в оптоволокне, базирующийся на использовании основного измерительного канала для облучения фотоакустического преобразователя модулированным по интенсивности лазерным сигналом и опорного канала на основе волоконно-оптического разветвителя и фотодиода в составе установки для измерения характеристик фотоакустических преобразователей. Показана генерация ультразвука на частотах 10 –18 МГц в макете волоконно-оптического фотоакустического преобразователя. Установлено, что часовое воздействие модулированного лазерного излучения на созданный макет не вызывает деградации двумерных поверхностных наноструктур, поэтому последние можно использовать неоднократно в составе систем технической диагностики нового поколения.

Биографии авторов

Елена Петровна Микитчук, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

старший преподаватель кафедры интеллектуальных систем факультета радиофизики и компьютерных технологий

Константин Владимирович Козадаев, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, доцент; проректор по учебной работе и интернационализации образования

Литература

  1. Hanselka H, Nuffer J. Characterization of reliability. In: Czichos H, Saito T, Smith LE, editors. Springer handbook of metrology and testing. Chapter 16.7. New York: Springer; 2011. p. 949–975.
  2. Czichos H. Metrology and testing in materials science and technology. Measurement Science and Technology. 2009;4(4):46 –77. DOI: 10.1080/19315775.2009.11721494.
  3. Vesely W. Fault tree handbook with aerospace applications. Washington DC: NASA; 2002. 232 p.
  4. Worden K, Farrar CR, Manson G, Park G. The fundamental axioms of structural health monitoring. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2007;463(2082):1639 –1664. DOI: 10.1098/rspa.2007.1834.
  5. Czichos H, editor. Handbook of technical diagnostics. Heidelberg: Springer; 2013. 566 p. DOI: 10.1007/978-3-642-25850-3.
  6. Sposito G, Warda C, Cawleya P, Nagyac PB, Scruby C. A review of non-destructive techniques for the detection of creep damage in power plant steels. NDT International. 2010;43(7):555–567. DOI: 10.1016/j.ndteint.2010.05.012.
  7. Snook KA, Hu C-H, Shrout TR, Shung KK. High-frequency ultrasound annular-array imaging. Part I: Array design and fabrication. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2006;53(2):300 –308. DOI: 10.1109/TUFFC.2006.1593368.
  8. Sharples SD, Clark M, Somekh MG. Spatially resolved acoustic spectroscopy for fast noncontact imaging of material microstructure. Optics Express. 2006;14(22):10435–10440. DOI: 10.1364/OE.14.010435.
  9. Baerwald A, Dauk S, Kanthan R, Singh J. Use of ultrasound biomicroscopy to image human ovaries in vitro. Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. 2009;34(2):201–207. DOI: 10.1002/uog.6438.
  10. Foster FS, Mehi J, Lukacs M, Hirson D, White C, Chaggares C, et al. A new 15–50 MHz arraybased micro-ultrasound scanner for preclinical imaging. Ultrasound in Medicine and Biology. 2009;35(10):1700 –1708. DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.2009.04.012.
  11. Jadidian B, Hagh NM, Winder AA, Safari A. 25 MHz ultrasonic transducers with lead-free piezoceramic, 1–3 PZT fiber-epoxy composite, and PVDF polymer active elements. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2009;56(2):368–378. DOI: 10.1109/TUFFC.2009.1046.
  12. Gottlieb EJ, Cannata JM, Hu C-H, Shung KK. Development of a high-frequency (>50 MHz) copolymer annular-array, ultrasound transducer. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2006;53(5):1037–1045. DOI: 10.1109/TUFFC.2006.1632693.
  13. Biagi E, Margheri F, Menichelli D. Efficient laser-ultrasound generation by using heavily absorbing films as targets. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2001;48(6):1669 –1680. DOI: 10.1109/58.971720.
  14. Buma T, Spisar M, O’Donnell M. A high-frequency, 2-D array element using thermoelastic expansion in PDMS. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2003;50(9):1161–1176. DOI: 10.1109/TUFFC.2003.1235327.
  15. Hou Y, Kim JS, Huang SW, Ashkenazi S, Guo LJ, O’Donnell M. Characterization of a broadband all-optical ultrasound transducer-from optical and acoustical properties to imaging. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2008;55(8):1867–1877. DOI: 10.1109/TUFFC.2008.870.
  16. Wu N, Zou X, Zhou J, Wang X. Fiber optic ultrasound transmitters and their applications. Measurement. 2016;79:164 –171. DOI: 10.1016/j.measurement.2015.10.002.
  17. Won Baac H, Ok JG, Park HJ, Ling T, Chen S-L, Hart AJ, et al. Carbon nanotube composite optoacoustic transmitters for strong and high frequency ultrasound generation. Applied Physics Letters. 2010;97(23):234104. DOI: 10.1063/1.3522833.
  18. Hu C, Yu Z, Wang A. An all fiber-optic multi-parameter structure health monitoring system. Optics Express. 2016;24(18):20287–20296. DOI: 10.1364/OE.24.020287.
  19. Tian Y, Wu N, Zou X, Felemban H, Cao C, Wang X. Fiber-optic ultrasound generator using periodic gold nanopores fabricated by a focused ion beam. Optical Engineering. 2013;52(6):065005. DOI: 10.1117/1.OE.52.6.065005.
  20. Zou X, Wu N, Tian Y, Wang X. Broadband miniature fiber optic ultrasound generator. Optics Express. 2014;22(15):18119 –18127. DOI: 10.1364/OE.22.018119.
  21. Mikitchuk AP, Kozadaev KV. [Simulation of the optical properties of surface nanostructures for photoacoustic converters]. Quantum Electronics. 2018;48(7):630 – 636. Russian.
  22. Mikitchuk AP, Kozadaev KV. Photoacoustic generation with surface noble metal nanostructures. Semiconductors. 2018;52(14):1839 –1842. DOI: 10.1134/S106378261814018X.
  23. Mikitchuk AP, Kozadaev KV, Gavrik LA, Girshova EI, Goncharov VK, Zhigulin DV, et al. [Surface nanoparticles with metal nanoparticles for fiber-optic photoacoustic transducers]. In: Kvantovaya elektronika. Materialy XII Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii; 18–22 noyabrya 2019 g.; Minsk, Belarus [Quantum Electronics. Materials of the XII International Scientific and Technical Conference; 2019 November 18–22; Minsk, Belarus]. Minsk: National Institute for Higher Education; 2019. p. 161–163. Russian.
  24. Goncharov VK, Kozadaev KV, Mikitchuk AP, Puzyreva MV. Synthesis, structural and spectral properties of surface noble metal nanostructures for fiber-optic photoacoustic generation. Semiconductors. 2019;53(14):1950 –1953. DOI: 10.1134/S1063782619140070.
  25. Kozadaev KV. Physics of laser-induced plasma streams under irradiation of metals with nanosecond laser pulses at atmospheric pressure. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2014;87(3):704 –714. DOI: 10.1007/s10891-014-1063-8.
  26. Koroljuk VS. Spravochnik po teorii veroyatnostei i matematicheskoi statistike [Handbook on the probability theory and mathematical statistics]. Moscow: Nauka; 1985. 640 p. Russian.
  27. Ahmanov SA, D’jakov YuE, Chirkin AS. Vvedenie v statisticheskuyu radiofiziku i optiku [Introduction to statistical radiophysics and optics]. Moscow: Nauka; 1981. 640 p. Russian.
  28. Krivosheev VI. Sovremennye metody tsifrovoi obrabotki signalov (tsifrovoi spektral’nyi analiz) [Modern methods of digital signal processing]. Nizhny Novgorod: Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod; 2006. 117 p. Russian.
  29. Rauscher C, Janssen V, Minihold R. Fundamentals of spectrum analysis. München: Rohde & Schwarz; 2008. 208 p.
Опубликован
2020-01-27
Ключевые слова: фотоакустическая генерация, монослой наночастиц, металлические наночастицы, оптическое волокно, техническая диагностика
Поддерживающие организации Работа поддержана грантом совместных научных проектов Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований и Российского фонда фундаментальных исследований для молодых ученых (БРФФИ-РФФИ М-2019) № Ф19РМ-006 «Исследование двумерных плазмонных наноструктур для фотоакустических преобразователей».
Как цитировать
Микитчук, Е. П., & Козадаев, К. В. (2020). Характеристики волоконно-оптических фотоакустических преобразователей с монослоем металлических наночастиц для систем технической диагностики. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 4-15. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-1-4-15
Выпуск
№ 1 (2020): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Лазерные технологии

Copyright (c) 2020 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).