Revista de Ingeniería Eléctrica y Tecnología Electrónica

Ultrasonidos de excitación láser en líquidos absorbentes de luz que emiten radiación láser a través de fibra óptica con recubrimiento coloidal de la punta distal por una sola capa de esferas transparentes

Vladimir Bredikhin

Los convertidores eficientes de radiación láser óptica en acústica de alta frecuencia para la medicina y las tecnologías son un problema aplicado importante. Una posible solución es inyectar radiación en un líquido a través de la fibra, cuyo extremo distal está cubierto por una capa de microesferas transparentes. Las microesferas actúan aquí como lentes creando áreas altamente concentradas de radiación de luz en el líquido. En presencia de absorción de luz en el líquido, surge un sistema de volúmenes calentados locales que conduce a una respuesta optoacústica (OA) debido al efecto termoelástico. Desde este punto de vista, la capa de microesferas transparentes en la punta distal de la fibra en un medio absorbente de luz puede considerarse un convertidor láser-acústico de fibra (LAC). En este informe se investigan experimentalmente dos esquemas opuestos de LAC. En primer lugar (a) investigamos el ultrasonido [1] excitado por radiación láser a través de una fibra óptica de cuarzo de Ø 1 mm con LAC: un recubrimiento en la punta distal de la fibra con esferas de poliestireno (PS) de Ø 0,96 μm. El láser es un láser YAG: Nd con λ = 1,064 μm y se utiliza agua destilada como medio (coeficiente de absorción de luz α ≈ 0,1 cm-1). El láser generó en el régimen de modo transversal cero (diámetro del haz ≈2 mm) un tren de pulsos con una duración total de ≈300 ns con una frecuencia de pico de ≈ 2 × 105 Hz utilizando un modulador pasivo óptico. Esta configuración del experimento permite estudiar los parámetros básicos del sistema en forma "primigenia", evitando la influencia de efectos más complejos, como el autodesenfoque térmico y los estados líquidos sobrecalentados. El segundo caso opuesto (b) es el uso del recubrimiento de esferas de vidrio de Ø 200 μm sobre un sustrato de vidrio como LAC en el haz láser (aprox. Ø 1 mm) de segundo armónico (λ = 0,532 μm) con tiempo de impulso de 15 ns. El medio es en este caso una solución de agua y tinta (α ≈ 100 cm-1) [2]. Los recubrimientos que consisten en esferas de 1 y 200 μm de diámetro (ver Fig.) se aplican sobre la cara de la punta de la fibra utilizando una tecnología de 2 etapas. Primero, se forma una sola capa de esferas sobre una placa de vidrio plana. Luego, la capa única obtenida se pega sobre el extremo de la fibra con una capa delgada preaplicada de adhesivo óptico de cianoacrilato. Se deposita una sola capa de esferas de tamaño pequeño (hasta 10 μm) sobre la placa a partir de una solución coloidal. Las esferas de tamaño grande se extienden en una capa sobre una placa plana (dentro de un área de llenado limitada). Las microfotografías de las esferas en la punta de una fibra de 1 mm sobre el adhesivo son (a) En agua pura a λ = 1,064 μm (absorción de luz ~ 0,1 cm−1), se forma una microestructura térmica con un tamaño característico de fracciones de ≈ λ, una temperatura máxima de hasta 10−2 grados a una energía de un pulso láser corto de ≈0,005 J. El equipo desarrollado permite un registro preciso de la generación de ultrasonidos con el microcalentamiento esperado.(b) En el caso de la solución de agua y tinta, se demuestra que tanto el nivel de presión como el rango de frecuencia del ultrasonido generado se pueden mejorar sustancialmente si la irradiación se realiza a través de la capa de esferas de vidrio. El rango de frecuencia del ultrasonido generado está determinado por las dimensiones del volumen donde se absorbe la luz. En ausencia de esferas, esta dimensión es la profundidad de penetración de la luz en el líquido. Con las esferas, es el tamaño de esos puntos calientes.