Door een nieuwe draai te geven aan glasvezelsensoren, onderzoekers in China hebben een slimme, flexibele fotoakoestische beeldvormingstechniek die mogelijke toepassingen kan hebben in draagbare apparaten, instrumentatie en medische diagnostiek.

Hoofdonderzoeker Long Jin van het Institute of Photonics Technology aan de Jinan University in Guangzhou zal de nieuwe fiberlaser-gebaseerde ultrasone sensor presenteren op de OSA Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS-conferentie, wordt gehouden van 16-20 sept., 2018 in Washington, D.C. Jin zal ook de resultaten presenteren van een onderzoek met een in vivo fotoakoestische microscoop.

De presentatie maakt deel uit van de sessie "Advanced Microscopy" op maandag, 17 sept.

Hun nieuwe techniek is gebaseerd op optische vezeltechnologie om nieuwe sensoren te leveren voor fotoakoestische beeldvorming. Het maakt gebruik van vezeloptische ultrasone detectie, het benutten van de akoestische effecten op laserpulsen via het thermo-elastische effect - temperatuurveranderingen die optreden als gevolg van de elastische spanning.

"Conventionele glasvezelsensoren detecteren extreem zwakke signalen door gebruik te maken van hun hoge gevoeligheid via fasemeting, "zei Jin. Deze zelfde soort sensoren worden gebruikt in militaire toepassingen om laagfrequente (kilohertz) akoestische golven te detecteren. Maar het blijkt dat ze niet zo goed werken voor ultrasone golven met de megahertz-frequenties die voor medische doeleinden worden gebruikt, omdat ultrageluid golven planten zich doorgaans voort als sferische golven en hebben een zeer beperkte interactielengte met optische vezels.De nieuwe sensoren zijn speciaal ontwikkeld voor medische beeldvorming, Jin zei, en kan een betere gevoeligheid bieden dan de piëzo-elektrische transducers die tegenwoordig worden gebruikt.

De groep ontwierp een speciale ultrasone sensor die in wezen een compacte laser is die is ingebouwd in de kern met een diameter van 8 micron van een single-mode optische vezel. "Het heeft een typische lengte van slechts 8 millimeter, ' zei Jin. 'Om de laser op te bouwen, twee sterk reflecterende roosterspiegels zijn UV-geschreven in de vezelkern om optische feedback te geven."

Deze vezel wordt vervolgens gedoteerd met ytterbium en erbium om voldoende optische versterking te bieden bij 1, 530 nanometer. Ze gebruiken een 980 nanometer halfgeleiderlaser als pomplaser.

"Dergelijke fiberlasers met een lijnbreedte in kilohertz-orde - de breedte van het optische spectrum - kunnen worden gebruikt als sensoren omdat ze een hoge signaal-ruisverhouding bieden, " zei onderzoeksteamlid Yizhi Liang, een assistent-professor aan het Institute of Photonics Technology.

De ultrasone detectie profiteert van de gecombineerde techniek omdat zijdelingse invallende ultrasone golven de vezel vervormen, moduleren van de laserfrequentie.

"Door de frequentieverschuiving te detecteren, we kunnen de akoestische golfvorm reconstrueren, ' zei Liang.

Het team demoduleert het ultrasone signaal niet, het extraheren van de oorspronkelijke informatie, met behulp van conventionele op interferometrie gebaseerde methoden of een additieve frequentievergrendeling. Liever, ze gebruiken een andere methode, genaamd "zelf-heterodyning, " waar het resultaat van het mengen van twee frequenties wordt gedetecteerd. Hier, ze meten de beatnota van het radiofrequentiedomein die wordt gegeven door twee orthogonale polarisatiemodi van de vezelholte. Deze demodulatie garandeert ook intrinsiek een stabiele signaaloutput.

De op fiberlaser gebaseerde ultrasone sensoren bieden mogelijkheden voor gebruik in fotoakoestische microscopie. De onderzoekers gebruikten een gerichte pulslaser van 532 nanometer nanoseconde om een ​​monster te verlichten en ultrasone signalen op te wekken. Ze plaatsen een sensor in een stationaire positie in de buurt van het biologische monster om optisch geïnduceerde ultrasone golven te detecteren.

"Door de laserspot raster te scannen, we kunnen een fotoakoestisch beeld krijgen van de vaten en haarvaten van het oor van een muis, "Zei Jin. "Deze methode kan ook worden gebruikt om andere weefsels structureel in beeld te brengen en de zuurstofdistributie functioneel in beeld te brengen door andere excitatiegolflengten te gebruiken, waarbij gebruik wordt gemaakt van de karakteristieke absorptiespectra van verschillende doelweefsels."

Optische vezels zijn nuttig omdat ze klein zijn, lichtgewicht, en intrinsiek flexibel, voegde Jin toe.

"De ontwikkeling van onze lasersensor is zeer bemoedigend vanwege het potentieel voor endoscopen en draagbare toepassingen, "Zei Jin. "Maar de huidige commerciële endoscopische producten zijn meestal millimeters groot, die pijn kunnen veroorzaken, en ze werken niet goed in holle orgels met beperkte ruimte."