在高能物理、量子材料、核能发电、生物医学诊断和航空等领域，以高分辨率评估更深层次的材料至关重要。射线照相（X 射线）检测等传统方法可提供高分辨率，但在固体中的穿透力有限，并且涉及电离辐射，因此成本高昂且不太适合广泛使用。
相比之下，超声波可以穿透更厚的样本，成本低廉，且不会产生电离，是快速、大规模诊断的理想选择。然而，由于波长较长，传统的体超声波难以对微观缺陷进行成像。
扫描声学显微镜 (SAM) 等技术可提供更高的分辨率，但仅限于表面成像。因此，使用低频体超声波实现高分辨率成像可以显著改善固体内部更深层的材料诊断。
开发用于超声波成像的微超透镜
作者想要克服衍射极限，该极限将成像分辨率限制为工作波长的一半。他们开发了硅基微加工超材料透镜，该透镜具有 10 微米方孔阵列。
为了增强波检测能力，研究人员开发了一种定制的微焦激光器，其光斑尺寸为亚微米，可以进行精确测量。该装置将激光技术与先进的信号处理相结合，实现了缺陷的微米级分辨率，重点是识别硅样品中的合成狭缝型缺陷。
实验装置包括一个超声波发射器，它连接到一个计算机控制的扫描台，扫描台上有一个装有样品和超透镜的容器。发射器由脉冲发生器供电，而激光接收器则检测样品的位移，并将其转换成超声波信号，用于亚波长成像。
使用深反应离子蚀刻 (DRIE) 在硅片上制作微米级方孔，并添加一层薄金层以增强反射率，实现非接触式激光检测。超透镜通道也经过氧化，使其具有亲水性，确保通道内的水位保持一致。
主要发现
该研究使用微加工超透镜实现了 50 微米的分辨率。对带有和不带有微超透镜的合成狭缝缺陷的硅样品进行了线扫描。结果证实，超透镜的亲水特性使超声波能够传播并与缺陷相互作用，这些缺陷由微焦激光多普勒测振仪 (LDV) 检测到。
实验数据的后处理验证了微米级亚波长分辨率。间隔 50 微米的狭缝的超声波检测 A 扫描数据显示，在体超声波范围内，缺陷分离可达到此分辨率。
此外，使用峰旁瓣比 (PSLR)、信噪比 (SNR) 和对比度 (CR) 等指标对 B 扫描轮廓进行定量评估，显示出中等对比度和清晰的缺陷可见性，这表明虽然主峰更强，但旁瓣的存在仍然明显。进行了有限元 (FE) 模拟以估计微超材料的分辨率极限，并确认低于超透镜周期的分辨率是无法实现的。
实际意义
低频超声技术的进步与微加工多孔超材料相结合，展现出精细成像的潜力。这种方法有利于对电子材料和设备（如集成电路 (IC) 和微机电系统 (MEMS)）进行详细的原位分析。
这项研究还应用于无损评估 (NDE) 和生物医学成像，在这些领域，复杂结构的高分辨率成像至关重要。实现更深层次的高分辨率成像可以改善各个领域的诊断，包括量子材料、高能物理、核能发电、航空和生物医学诊断。
此外，超声波技术的非电离和经济高效的特性使其成为大规模检查的理想选择，有可能取代更昂贵和更危险的电磁方法。
结论
微加工超透镜被证明能够有效地利用 2.25 MHz 商用体超声换能器实现分辨率。它们的开发为传统成像技术提供了一种有前景的替代方案，能够实现更大深度的高分辨率检查。
未来的工作应优化微超透镜参数和实验设置，特别是在保持通道内的水位和提高扫描速度方面。这项研究为跨多个科学和工业领域的先进材料诊断和成像铺平了道路。
更多信息：Chandran, L., et al. (2024). Micron-scale imaging using bulk ultrasonics. Sci Rep. DOI: 10.1038/s41598-024-72634-2, https://www.nature.com/articles/s41598-024-72634-2
信息源于：azooptics
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