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近日，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）的科學(xué)家們研究出了一種制造特定超聲場(chǎng)的方法，不需要用到聲換能器就能實(shí)現(xiàn)多重、最大限度地聚焦。該方法用6納米寬的激光脈沖照射到一個(gè)3D打印的物體上，物體表面已經(jīng)被噴涂了光吸收材料，從而產(chǎn)生特定結(jié)構(gòu)的聲場(chǎng)。研究人員相信這個(gè)技術(shù)將會(huì)比常用的聲能轉(zhuǎn)換器陣列便宜得多，并將在物理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)上得到大量應(yīng)用。

聚焦聲音

理論上產(chǎn)生任意形狀的聲場(chǎng)是非常容易的一件事，例如在不同位置有多個(gè)焦點(diǎn)的聲學(xué)設(shè)備或者特定的連續(xù)結(jié)構(gòu)聲場(chǎng)等，這在許多領(lǐng)域都會(huì)得到應(yīng)用，小到實(shí)驗(yàn)室中的微粒和生物細(xì)胞碎片的操控，大到診室中的超聲治療和神經(jīng)刺激。但是從理論模型到實(shí)際操作卻是很艱難的。

傳統(tǒng)的超聲波是由壓電材料制成的壓電轉(zhuǎn)化器將電能轉(zhuǎn)換成高頻振動(dòng)，從而產(chǎn)生聲場(chǎng)。利用這種技術(shù)產(chǎn)生多焦點(diǎn)或有結(jié)構(gòu)的聲場(chǎng)需要復(fù)雜的壓電轉(zhuǎn)換器陣列以及復(fù)雜的電路，成本高昂。

光聲透鏡

該研究小組利用光脈沖解決了這個(gè)問題。更具體地說(shuō)，他（她）們利用光聲效應(yīng)，將調(diào)制光或者激光脈沖的部分能量轉(zhuǎn)化成聲能。研究人員解釋到，如果激光脈沖照射到合適形狀的物體上，得到的聲場(chǎng)將會(huì)是多焦點(diǎn)的，具有緊密的特定結(jié)構(gòu)超聲波。

首先研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)盤狀的靶材料，盤上不同位置的垂直深度不同，利用激光脈沖產(chǎn)生特殊的聲場(chǎng)需要周期性地調(diào)制這個(gè)深度。這就成了一種光聲透鏡——一個(gè)塊狀的不規(guī)則表面，光作為輸入信號(hào)，從而產(chǎn)生特定結(jié)構(gòu)的聲場(chǎng)。接著他（她）們開發(fā)出一套數(shù)值算法，將用戶設(shè)想的3D聲場(chǎng)作為輸入信息，計(jì)算得到產(chǎn)生這種聲場(chǎng)所需的光聲透鏡的表面物理結(jié)構(gòu)。

“7”字形聲場(chǎng)

該小組用這個(gè)算法得到了產(chǎn)生“7”字形聲場(chǎng)的樣品表面輪廓。然后利用高分辨率聚合物噴射3D打印機(jī)制作出剛性的近乎透明的光聲透鏡，接著在其表面噴涂上吸光聚合物材料。

接下來(lái)他們把透鏡放置在水面上，用1064nm的YAG調(diào)Q激光器發(fā)出的6nm寬激光脈沖照射在透鏡表面。脈沖通過(guò)樣品產(chǎn)生一定形狀的聲場(chǎng)，并通過(guò)水傳播到位于水底的傳感器。結(jié)果表明激發(fā)產(chǎn)生的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)和模型預(yù)設(shè)的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)極為相似——用聲音寫出“7”的形狀。

文章第一作者UCL的博士生Michael Brown表示該技術(shù)還需要進(jìn)一步精確，特別是針對(duì)不同的光源。例如調(diào)制光源比脈沖激光要更有利于產(chǎn)生精細(xì)的聲場(chǎng)。不過(guò)他預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在操控生物細(xì)胞和其它微粒方面。他說(shuō)，“類似的單焦點(diǎn)器件已經(jīng)被用于劈裂細(xì)胞團(tuán)和藥物輸送，我們的工作將會(huì)在這方面得到應(yīng)用。”