Изобретая новый подход к волоконно-оптическим датчикам, исследователи из Китая разработали интеллектуальную, гибкую технику фотоакустической визуализации, которая может иметь потенциальное применение в носимых устройствах, контрольно-измерительных приборах и медицинской диагностике.
Ведущий исследователь Лун Цзинь из Института фотонных технологий Цзинаньского университета в Гуанчжоу представит новый ультразвуковой датчик на основе волоконного лазера на конференции OSA Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS, которая пройдет 16-20 сентября.., 2018 г. в Вашингтоне, округ Колумбия. Джин также представит результаты исследования с использованием фотоакустического микроскопа in vivo.
Презентация станет частью сессии «Продвинутая микроскопия», которая состоится в 14:30. в понедельник, 17 сентября, в бальном зале Jefferson West отеля Washington Hilton.
Их новая методика основана на технологии оптоволокна для создания новых датчиков для фотоакустической визуализации. Он использует волоконно-оптическое ультразвуковое обнаружение, используя акустические эффекты лазерных импульсов посредством термоупругого эффекта - изменения температуры, возникающие в результате упругой деформации.
«Обычные волоконно-оптические датчики обнаруживают чрезвычайно слабые сигналы, используя их высокую чувствительность посредством измерения фазы», - сказал Джин. Датчики такого же типа используются в военных целях для обнаружения низкочастотных (килогерц) акустических волн. Но оказывается, что они не так хорошо работают для ультразвуковых волн мегагерцовых частот, используемых в медицинских целях, потому что ультразвуковые волны обычно распространяются в виде сферических волн и имеют очень ограниченную длину взаимодействия с оптическими волокнами. По словам Джина, новые датчики были специально разработаны для медицинской визуализации и могут обеспечить более высокую чувствительность, чем используемые сегодня пьезоэлектрические датчики.
Группа разработала специальный ультразвуковой датчик, который представляет собой компактный лазер, встроенный в сердцевину одномодового оптического волокна диаметром 8 микрон. «Обычная длина составляет всего 8 миллиметров», - сказал Джин. «Для создания лазера два зеркала с высокой отражающей решеткой записываются в сердцевину волокна УФ-излучением, чтобы обеспечить оптическую обратную связь».
Это волокно затем легируется иттербием и эрбием для обеспечения достаточного оптического усиления на длине волны 1530 нанометров. В качестве лазера накачки они используют полупроводниковый лазер с длиной волны 980 нм.
«Такие волоконные лазеры с шириной линии порядка килогерца - шириной оптического спектра - могут использоваться в качестве датчиков, поскольку они обеспечивают высокое отношение сигнал-шум», - сказал член исследовательской группы Ичжи Лян, ассистент профессор Института фотонных технологий.
Обнаружение ультразвука выигрывает от комбинированного метода, поскольку ультразвуковые волны, падающие сбоку, деформируют волокно, модулируя частоту генерации.
«Обнаружив частотный сдвиг, мы можем реконструировать форму акустической волны», - сказал Лян.
Команда не демодулирует ультразвуковой сигнал, извлекая исходную информацию, используя обычные методы, основанные на интерферометрии, или какую-либо дополнительную привязку частоты. Вместо этого они используют другой метод, называемый «самогетеродинирование», при котором обнаруживается результат смешения двух частот. Здесь они измеряют ноту биений в радиочастотной области, определяемую двумя ортогональными модами поляризации резонатора волокна. Эта демодуляция также гарантирует стабильный выходной сигнал.
Ультразвуковые датчики на основе волоконных лазеров открывают возможности для использования в фотоакустической микроскопии. Исследователи использовали сфокусированный 532-нанометровый наносекундный импульсный лазер для освещения образца и возбуждения ультразвуковых сигналов. Они помещают датчик в стационарное положение рядом с биологическим образцом для обнаружения оптически индуцированных ультразвуковых волн.
«Растровым сканированием лазерного пятна мы можем получить фотоакустическое изображение сосудов и капилляров уха мыши», - сказал Джин. «Этот метод также можно использовать для структурного изображения других тканей и функционального изображения распределения кислорода с использованием других длин волн возбуждения, что позволяет использовать характерные спектры поглощения различных тканей-мишеней».
Оптические волокна полезны, потому что они крошечные, легкие и по своей природе гибкие, добавил Джин.
«Разработка нашего лазерного датчика очень обнадеживает, поскольку он может использоваться в эндоскопах и носимых устройствах», - сказал Джин. «Но современные коммерческие эндоскопические продукты обычно имеют размер в миллиметры, что может вызывать боль, и они плохо работают в полых органах с ограниченным пространством."