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的作用机理及其振动检测系统 LASERJ0URNAL(V01．33．No．4．2012) 35 激光超声与皮肤的作用机理及其振动检测系统 李洪宇 ，王 驰 ，1．山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 、2．上海大学精密机械工程系，上海，200072 提要：为了探索激光超声在生物组织无损探测方面的应用，用有限元方法研究脉冲激光激发皮肤产生超声波的机理，并构建一个具有较高 检测灵敏度的光学干涉系统。首先，在建立由表皮、真皮和皮下脂肪构成的皮肤模型的基础上，研究脉冲激光激发皮肤产生超声波机理的数值 分析技术；其次，用解析的方法论述光学外差干涉法检测微弱超声振动的基本原理；最后，构建一种线偏振光外差干涉实验系统。结果显示，用 主频为62．42KHz、幅值为74V的方波信号激励超声探头作为振动信号源，测得振动信号频率和幅值分别为62．38KHz和76．4mV。表明有限元 方法是研究激光超声机理的一个有效手段，所构建的干涉系统可用于微弱超声振动检测的实验研究。 关键词：激光超声；有限元方法；线偏振光I夕差干涉 中图分类号：TB57。TH741 文献标识码 ：A 文章编号：0253—27432【ol2)04—0035—03 Interactionmechanism betweenlaserultrasonicand skin andallexperimental 收稿 日期：2012—07—06 36 的作用机理及其振动检测系统 LASERJOURNAL(Vo1．33．No．4．2012) 2 a v P _2_ = (^+2)V(V ·U)-~／v×v·一口(3+2) r(r，：，I) (6) U(￡)：Acos(2~rfst+ “(I)+ o (7) a c 其中，U(r，=，t)为瞬态位移，A和 为兰姆常数，a为样品的热 式中， 是外差干涉频率，“()表示超声的法向位移，A表示信号 膨胀系数。上下表面是自由边界条件，交界面上的应力和位移连续。 幅值，p。表示初始相位。 根据文献 】9】的数值分析方法，通过设定相关参数 (表 1)，并设初 利用布拉格器件可以输出dOMI-Iz的标准参考信号，数学表达式 始的脉冲激光光斑半径 lmm、上升时间 10m，在商用有限元仿真软件 可写为： Ansys中可求得图2和图3所示与表面光斑中心相距的纵向深度和表 W(t)=Alcos(2 ￡+ ) (8) 面横向位置不同时的温度变化曲线。根据图2，表面处温度快速上升 式中， = =40MHz。在实验过程中，可利用放大器、相敏检波 至302K后，再缓慢的下降至300．2K，离表面深达0．15rran处的温度变 器(乘法器)和低通滤波器等组成信号处理电路进行超声振动位移解 化已非常小，这是由于皮肤的热传导率比较小所造成的。另外，根据 调(图6)。 图3可判断，距离光斑中心位置越远的地方升温的幅度越小，当远至 ． 根据图6，U()经放大后与 W(t)在相敏检波器处相乘并整理可 1．5mm处时温升己非常小，这与高斯光束中心功率密度最大、与其位 得如下表达式： 置越远功率越小的性质相吻合。 袅 1 计篁 中用到的皮肤参数 6【—10,23—24] (t)=U(t)W(t)=寺AA1COS(u(f)+≠0一 ) 1