Genom att skapa en ny twist på fiberoptiska sensorer, forskare i Kina har utvecklat en smart, flexibel fotoakustisk avbildningsteknik som kan ha potentiella tillämpningar i bärbara enheter, instrumentering och medicinsk diagnostik.

Ledande forskare Long Jin från Institute of Photonics Technology vid Jinan University i Guangzhou kommer att presentera den nya fiberlaserbaserade ultraljudssensorn vid OSA Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS-konferensen, hålls 16-20 september, 2018 i Washington, DC Jin kommer också att presentera resultaten av en studie med ett in vivo fotoakustiskt mikroskop.

Presentationen är en del av sessionen "Advanced Microscopy" på måndag, 17 september.

Deras nya teknik bygger på optisk fiberteknik för att tillhandahålla nya sensorer för fotoakustisk avbildning. Den använder fiberoptisk ultraljudsdetektering, utnyttja de akustiska effekterna på laserpulser via den termoelastiska effekten - temperaturförändringar som uppstår som ett resultat av den elastiska töjningen.

"Konventionella fiberoptiska sensorer detekterar extremt svaga signaler genom att dra fördel av deras höga känslighet via fasmätning, "sade Jin. Samma sorts sensorer används i militära applikationer för att detektera lågfrekventa (kilohertz) akustiska vågor. Men det visar sig att de inte fungerar så bra för ultraljudsvågor vid megahertz-frekvenserna som används för medicinska ändamål eftersom ultraljud vågor sprider sig vanligtvis som sfäriska vågor och har en mycket begränsad interaktionslängd med optiska fibrer.De nya sensorerna har utvecklats specifikt för medicinsk avbildning, Jin sa, och kan ge bättre känslighet än de piezoelektriska givarna som används idag.

Gruppen konstruerade en speciell ultraljudssensor som i huvudsak är en kompakt laser inbyggd i kärnan med 8 mikrometer i en optisk fiber med ett läge. "Den har en typisk längd på bara 8 millimeter, "Jin sa." För att bygga upp lasern, två högreflekterande gallerspeglar är UV-skrivna i fiberkärnan för att ge optisk återkoppling. "

Denna fiber dopas sedan med ytterbium och erbium för att ge tillräcklig optisk förstärkning vid 1, 530 nanometer. De använder en 980-nanometer halvledarlaser som pumplaser.

"Sådana fiberlasrar med en kilohertz-ordnings linjebredd-det optiska spektrumets bredd-kan utnyttjas som sensorer eftersom de erbjuder ett högt signal-brusförhållande, "sade forskargruppmedlemmen Yizhi Liang, en biträdande professor vid Institute of Photonics Technology.

Ultraljudsdetekteringen drar nytta av den kombinerade tekniken eftersom ultraljudsvågor som inträffar vid sidan av deformerar fibern, modulera lasfrekvensen.

"Genom att upptäcka frekvensskiftet, vi kan rekonstruera den akustiska vågformen, "Sa Liang.

Teamet demodulerar inte ultraljudssignalen, extrahera den ursprungliga informationen, genom att använda konventionella interferometri-baserade metoder eller någon additiv frekvenslåsning. Snarare, de använder en annan metod, kallad "självheterodyning, "där resultatet av blandning av två frekvenser detekteras. Här, de mäter radiofrekvensdomänens slagnot som ges av två ortogonala polarisationslägen i fiberhålan. Denna demodulering garanterar också inneboende en stabil signalutmatning.

De fiberlaserbaserade ultraljudssensorerna erbjuder möjligheter att använda i fotoakustisk mikroskopi. Forskarna använde en fokuserad 532-nanometer nanosekundpulslaser för att belysa ett prov och excitera ultraljudssignaler. De placerar en sensor i en stationär position nära det biologiska provet för att detektera optiskt inducerade ultraljudsvågor.

"Genom att raster skanna laserpunkten, vi kan få en fotoakustisk bild av kärlen och kapillärerna i musens öra, "Jin sa." Denna metod kan också användas för att strukturellt avbilda andra vävnader och funktionellt bilda syredistribution genom att använda andra excitationsvåglängder - vilket drar fördel av de karakteristiska absorptionsspektra för olika målvävnader. "

Optiska fibrer är användbara eftersom de är små, lättvikt, och i sig flexibel, Jin tillagd.

"Utvecklingen av vår lasersensor är mycket uppmuntrande på grund av dess potential för endoskop och bärbara applikationer, "Jin sa." Men nuvarande kommersiella endoskopiska produkter är vanligtvis millimeter i dimension, som kan orsaka smärta, och de fungerar inte bra inom ihåliga organ med begränsat utrymme. "