透明弹性光栅中超声波光学检测的嵌入式光学干涉分析

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:18
文章英文标题
Analysis of Embedded Optical Interferometry in Transparent Elastic Grating for Optical Detection of Ultrasonic Waves
正文
本文提出了一个理论框架来解释如何利用透明弹性光栅结构来提高超声检测的力学和光学性能。入射超声波可以压缩柔性材料,其中弹性膜厚度的变化可以通过光学干涉仪测量。本文将聚二甲基硅氧烷( PDMS )应用于薄膜光栅图案的设计。光栅周期小于超声波长的PDMS光栅允许超声耦合到声表面波( SAW )模式。光栅间隙为PDMS光栅在超声照射时被压缩提供了空间。这种光栅模式可以通过法布里-珀罗谐振模式提供一种基于嵌入式薄膜的光学干涉仪。比较了几种基于光学薄膜的超声检测技术。与表面等离子体共振传感器、均匀PDMS薄膜、剪切干涉PDMS传感器和传统法布里-珀罗传感器相比,该弹性光栅对超声检测具有更高的灵敏度。PDMS光栅的灵敏度提高了1.3 × 10-5 Pa-1,品质因数提高了1.4 × 10-5 Pa-1,分别比传统法布里-珀罗结构提高了7倍和4倍。
文章内容(英文)
In this paper, we propose a theoretical framework to explain how the transparent elastic grating structure can be employed to enhance the mechanical and optical properties for ultrasonic detection. Incident ultrasonic waves can compress the flexible material, where the change in thickness of the elastic film can be measured through an optical interferometer. Herein, the polydimethylsiloxane (PDMS) was employed in the design of a thin film grating pattern. The PDMS grating with the grating period shorter than the ultrasound wavelength allowed the ultrasound to be coupled into surface acoustic wave (SAW) mode. The grating gaps provided spaces for the PDMS grating to be compressed when the ultrasound illuminated on it. This grating pattern can provide an embedded thin film based optical interferometer through Fabry–Perot resonant modes. Several optical thin film-based technologies for ultrasonic detection were compared. The proposed elastic grating gave rise to higher sensitivity to ultrasonic detection than a surface plasmon resonance-based sensor, a uniform PDMS thin film, a PDMS sensor with shearing interference, and a conventional Fabry–Perot-based sensor. The PDMS grating achieved the enhancement of sensitivity up to 1.3 × 10−5 Pa−1 and figure of merit of 1.4 × 10−5 Pa−1 which were higher than those of conventional Fabry–Perot structure by 7 times and 4 times, respectively.
来源出处
Journal|[J]SensorsVolume 21, Issue 8. 2021. PP 2787-2787
DOI
https://doi.org/10.3390/S21082787

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