用于远程光学超声结构健康监测的巨大全光致应变速率

能“听”出裂缝的光

想象一下检查桥梁、飞机机翼或管道的健康状况而无需接触它们——只需照射一束适度的光并聆听它产生的超声波。该研究提出了一种新的陶瓷材料，能将光以异常强劲且快速的方式转化为振动，为体积小、低功耗且能远程监测大型结构安全性的设备打开了可能。

为何把光变成声如此困难

工程师常用超声（高频声波）来探查金属或复合材料部件内部的隐蔽缺陷。如今，这通常意味着要安装有线传感器或使用将表面加热以产生声波的强功率激光。两种方法都可能笨重、耗能或者难以在运动或难以接近的结构上部署。一种更优雅的途径是利用在受光时直接改变形状的材料，这一现象称为光致应变。在许多铁电晶体中，光会推动电荷，进而使晶体变形。但在大体积、真实工程材料中，这种效应常常既微弱又缓慢，从而限制了它们能产生的超声强度。

打造更好的光驱动材料

研究人员使用一种无铅陶瓷（K,Na)NbO₃并通过掺入少量稀土元素铽对其进行了微调来应对这一挑战。他们没有依赖常使器件脆弱的精细电学预处理（极化）。相反，他们在多个长度尺度上重新设计了材料结构。首先，他们将陶瓷晶粒缩小到比紫光波长还小的尺寸，使光通过时散射更少并与更多材料体积相互作用。其次，他们促进了致密纳米级内部畴的形成——这些畴是具有略微不同电取向的微小区域，光能更有效地驱动局部应变。第三，铽原子作为光激发电子的俘获点，延长了电子寿命，使其能漂移到畴墙并增强导致材料拉伸或弯曲的内部电学变化。

从原子位移到强劲弯曲

为理解该设计为何表现优异，团队将计算模拟与高分辨率电子显微镜及局部电学测量结合使用。模拟显示，几十纳米尺度的畴提供了最佳平衡：它们足够小，当电荷在边界处积聚时能够增强局部电场，但又不会小到因随机内部场而扰乱效应。成像揭示铽掺杂确实将晶粒和畴尺寸缩入这一理想范围，而原子尺度的映射将金属—氧键长的细微变化与微小畴的倾斜和畸变联系起来。这些结构调整同时改变了局部极化的强度和方向分布——即内建电对齐，使光驱动电荷能更高效移动并产生能够叠加而非相互抵消的强烈局部应变。

光下创纪录的运动

当团队把陶瓷制成一小段悬臂并用调制的紫光照射时，该条带在其机械共振处剧烈弯曲。所得的光致应变速率——一种结合材料应变量和响应速度的度量——达到了6.41 × 10⁻¹ 每秒，大约是常用铁电晶体的百倍。重要的是，这种性能来自未极化的陶瓷，未极化陶瓷更易制造且在长期使用中更稳定。该材料在水中放置数周后仍然有效，表明其对恶劣环境具有良好的耐受性。

用于更安全结构的远程超声

为展示实际应用，研究人员将其光驱动悬臂粘接到一块铝板上，并用在共振频率轻微闪烁的光束照射。弯曲的陶瓷激发出沿板传播的超声波，若干距离外的扫描激光传感器对其进行了测量。通过分析这些波在遇到不同深度的人工缺口时的变化，团队能够检测并评估隐蔽缺陷。与通常依赖加热或微小表面爆破的常规激光超声系统不同，这种方法使用非热的固态机制，仅需适度的光功率且在检测点无需电气连线。

对日常安全意味着什么

简而言之，作者创造了一种像光驱动超声扬声器一样的陶瓷，其威力足以检测真实工程结构的健康状况。通过精心安排晶粒、内部畴和原子组成，他们解锁了比以往类似大体积材料更快且更强的形变。这种设计策略为制造价格可承受、耐用且可以安放在桥梁、飞机或工业设施上静待光激活以揭示早期损伤迹象的设备提供了可行路径——以更少的复杂性和更低的能耗帮助提升关键基础设施的安全性。

引用: Yin, J., Yang, Y., Shi, X. et al. Giant photostriction rate for remote opto-ultrasonic structural health monitoring. Nat Commun 17, 3132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69906-y

关键词: 光致应变, 光学超声传感, 铁电陶瓷, 结构健康监测, 光诱导超声