微纳米颗粒的光声多普勒效应的理论与实验研究

微纳米颗粒的光声多普勒效应是最近被发现的一种新的多普勒现象，是光声效应和多普勒效应这两个本无关联的物理过程联合作用后的结果。其发现是源自于光声成像技术的发展,特别是最新的生物医学光声成像技术的发展。其最可预见的应用是测量液体的流速。光声多普勒测流方法有可能会为测量管壁附近的低流速这一难题提供一种新的解决方案，而更引人之处是可能会为微小血管中的血流测量也即血液微循环的测量打开一个新的途径。这是因为这种方法是基于颗粒的光吸收特性，而不是如其它多普勒测流方法中所用的颗粒散射特性，因此可以有效地避免管壁反射信号往往远强过从而淹盖来自颗粒的信号这一问题。本项目拟在申请人已经取得的前期研究成果基础之上，率先在国内对此物理效应展开深入的基础研究。除了发展相关的理论计算模型外，本项目还将会进行一系列的实验。其中，对各项关键科学问题的圆满解决将会为后续发展三维光声多普勒功能成像技术打下良好的基础。

目前国际上有关光声多普勒实验研究的报道数量有限，特别是在连续波光声多普勒研究方面，包括我们在内只有三个课题组报道了相关成果。在本项目的支持下，我们率先在国内开展了连续波光声多普勒效应的理论和实验研究，取得了明显的成果和进展。在理论研究方面，我们在国际上首次提出了椭球状颗粒光声波理论计算的重要性，报道了椭球颗粒在具有与周围介质相同声学性质这个特殊情况下的光声波产生的严格解析表达式，这一详尽研究为我们接着又发展的普适情况求解提供了一种验证标准解；我们发展的普适求解是基于椭球坐标下的分离变量法，不仅能够获得物理含义丰富的解析表达式，而且还可以在已有的椭球波函数计算程序基础上进行数值计算，计算的结果很好地符合最近报道的血红细胞实验结果，该普适求解将为发展血流光声多普勒流速检测提供重要理论依据。在实验研究方面，我们克服了在超声换能器选购、光吸收微米颗粒选购，以及实验系统机械稳定性改进方面遇到的困难，完成了实验系统搭建，完成了对之前报道过的光声多普勒频移随流速变化的复现工作，完成了光声多普勒频移随流速角度变化的实验研究。这些进展又促使我们有了一些新的研究设想，针对这些设想我们正在进行相关专利申请以及设计新的实验。另外在本项目的部分支持下，我们在实验研究方面还取得了若干相关成果，包括：用弹性散射光谱方法对微米颗粒的尺度进行了精密测量，对水中油污实现了散射光谱在线检测，对河水湖水水质变化实现了紫外吸收和荧光光谱监测。其中后两项的研究对我国环境污染治理具有很大意义，也为我们下一步考虑光声检测的实际应用提供了新的思路。