哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
凭借着无损、安全的特点，基于热膨胀效应的光声换能器广泛应用于无损检
测和生物医学成像等领域，主要是通过脉冲激光辐照产生超声脉冲，具有频率高、
带宽宽的特点。近年来光声转换材料被广泛研究，纯金属薄膜光吸收系数较高但
热膨胀系数很低致使光声转换效率很低，为了提高光声转换效率研究人员提出通
过物理混合形成复合材料分别满足高光吸收率和高热膨胀系数的要求。本论文主
要研究内容如下：
首先，研究单个金纳米颗粒的光学特性。通过仿真讨论了环境介质、尺寸和
形状对金纳米颗粒光学特性的影响。结果表明，金纳米球在PDMS中的吸收系数
高于在水中的吸收系数，且直径在60nm时的吸收度最大，随着金纳米球直径增
大共振波长会发生轻微红移。不同形状的金纳米颗粒都会产生近场增强的现象，
金纳米棒和金纳米壳产生的近场场强更大，金纳米棒和金纳米壳的吸收光谱分别
随着纵横比的增大和金纳米壳厚度的增加发生明显的增强和红移。
在微纳尺度上，基于有限元方法研究环境介质和金纳米颗粒形状对金纳米颗
粒光声响应的影响。结果表明，由于介质折射率对金纳米球吸收截面的影响，金
纳米球在PDMS中产生的温升比在水中高175K，金纳米球在PDMS中由于较高
的热声转换能力（格律乃森值）使得其产生的声压信号强度为水中的18倍，并且
在PDMS中金纳米球的光声转换效率比在水中高2个数量级。相等体积的金纳米
壳和金纳米棒的最高温升分别比金纳米球高320K和200K，金纳米壳和金纳米棒
在PDMS中所产生声压信号的振幅比金纳米球高2倍。
最后，研究以掺杂金纳米颗粒的PDMS复合材料为光声转换材料的聚焦型光
声换能器的响应特性，通过改变光声材料和换能器结构有效提高了光声转换效率。
在理论上，针对聚焦型光声换能器轴线上焦点及非焦点处的光声压力建立解析表
达式。在实验方面，搭建了光声实验系统，使用一步合成法合成金纳米复合材料
并涂覆于光学透镜表面制备聚焦型光声换能器，测量其光声响应。结果表明：复
合材料的光吸收未达到饱和时，光声换能器的光声信号随浓度增大而增大。光声
复合薄膜存在最佳厚度，在最佳厚度处的光声转换效率最高。聚焦型光声换能器
的f数（曲率半径与直径的比值）越小的换能器因其较高的聚焦增益可以产生更
高的声压信号。
关键词：局部表面等离激元共振；金纳米复合物；热弹性膨胀；光声转换效率；
聚焦型光声换能器
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Withthecharacteristicsofnondestructiveandsafe,photoacoustictransducersbased
onthermalexpansioneffectarewidelyusedinnondestructivetestingandbiomedical
imagingfields,mainlythroughpulsedlaserirradiationtogenerateultrasonicpulses,with
thecharacteristicsofhighfrequencyandwideband.Inrecentyears,photoacoustic
conversionmaterialshavebeenwidelystudied.Puremetalfilmshavehighoptical
absorptioncoefficientbutlowthermalexpansioncoefficient,resultinginlowphoto-
acousticconversionefficiency.Inordertoimprovethephotoacousticconversioneffi-
ciency