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CO2红外激光作用下液体空化的形成机理、动力学特性及调控抑制手段研究
结题报告
批准号:
11704077
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
18.0 万元
负责人:
胡曼
依托单位:
学科分类:
A2210.与光学有关的交叉领域
结题年份:
2019
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
霍鹏、徐秉睿
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中文摘要
激光医疗技术因其精确度高、疗效良好及安全可靠等独特优势受到了广泛关注,考虑到水在激光与组织相互作用过程中的重要性,开展激光作用下液体的光响应特性及相关流体动力学过程研究十分必要。其中,光致空化现象及空蚀造成的机械损伤效应是激光与液体相互作用过程中必须考虑的关键问题,也是研究的难点问题。综合申请人的光学研究背景和课题组长期从事微流体研究的优势,本申请书首次提出“采用CO2红外激光作为激光辐照源,利用高速摄像技术结合红外热像探测技术,研究液体中光致空化现象的形成机理及相关流体动力学过程,并在此基础上通过引入激光模式控制技术和微纳结构实现对空化现象的主动调控和抑制”的创新性研究方案,开展物理机制、微观现象、调控技术等方面的基础研究,建立红外激光作用下光致空化现象完整可靠的物理图像,为实现精准控制激光治疗过程和治疗效果提供参考依据。
英文摘要
Laser medicine has been widely applied in medical diagnosis and treatment due to its unique advantages of high accuracy, effective treatment, and reliable safety. Since water plays an important role in the interaction between laser and tissues, it is essential to explore the liquid optical response and related fluid dynamics process, such as laser-induced cavitation, bubble collapse and the associated mechanical effects. However, generally the interaction between laser and liquid is extremely complicated arising from the fast dynamics process and many coupled phenomena. By combining the techniques of high speed photography and infrared thermal imaging, we are studying the formation mechanisms and fluid dynamics of laser (CO2 infrared laser) induced cavitation. Moreover, controllable manipulation of the cavitation in liquid is realized, such as by changing laser mode or introducing micro-structures (like nanoparticles or porous medium) in liquid. These results of physical mechanisms, dynamic processes and controllable techniques of the laser induced cavitation, can provide helpful guidance to improve the performance of laser impacting on tissue.
激光医疗领域中极为重要的一项基础研究就是关于激光与生物组织相互作用机理的研究,考虑到生物组织的复杂性和多样性,以及水在生物组织组成中的重要性,开展激光与液体相互作用现象及其物理机理的研究,特别是激光作用下液体的光响应特性研究,对于激光医学的发展十分必要。本项目主要利用CO2红外激光作为激光辐照源,引入高速摄像技术和红外热成像探测技术,研究红外激光作用下液体中光致空化现象的形成机理及其动力学演变过程,对比实验发现水溶液中初始的气体含量是影响空穴形成及膨胀的重要因素,温度分析表明形成空穴时作用点处的水溶液处于过热状态,且过热温度约为403K。综合考虑过热和气体浓度两个关键因素对空穴形成及发展的影响,我们提出了气体溶液中的成核模型,计算了形成空穴的临界过热温度及初始溶解在水溶液中的临界气体浓度,理论计算曲线与实验结果吻合良好。此部分研究内容对于建立红外激光作用下光致空化现象完整可靠的物理图像具有重要科学意义。另外,通过在去离子水溶液中加入聚丙乙烯微纳颗粒,研究了聚合物微纳颗粒对空穴形成的影响,实验发现加入适量浓度的微纳颗粒能够降低去离子水溶液中产生空穴的激光阈值功率,而当加入的颗粒浓度过高时则会抑制空穴现象的产生,从而可以通过改变溶液中微纳颗粒浓度,实现对空穴现象产生和抑制的主动调控。最后,通过改变液相作用环境,利用双层液体结构,上层为己烷溶液,下层为水溶液,在红外激光作用下产生了己烷液膜包裹蒸汽(“液包汽”)的复合液滴结构,实现了对空穴空泡形貌的调控,这种复合液滴的研究对于生物医药输运、空心微球、发展微反应器等至关重要。
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Nanoparticle-Mediated Cavitation via CO2 Laser Impacting on Water: Concentration Effect, Temperature Visualization, and Core-Shell Structures
通过 CO2 激光撞击水实现纳米粒子介导的空化:浓度效应、温度可视化和核壳结构
DOI:10.1038/s41598-019-54531-1
发表时间:2019-12-04
期刊:SCIENTIFIC REPORTS
影响因子:4.6
作者:Hu, Man;Wang, Feng;Deng, Daosheng
通讯作者:Deng, Daosheng
DOI:doi:10.1038/s41598-019-54531-1
发表时间:2019
期刊:Scientific Reports
影响因子:4.6
作者:Man Hu;Daosheng Deng
通讯作者:Daosheng Deng
激光操控气泡三维移动机理及运动特性研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    胡曼
  • 依托单位:
国内基金
海外基金