Kompakt fiberlaser kan muliggøre bærbar teknologi og bedre endoskoper

Ved at skabe et nyt twist på fiberoptiske sensorer, forskere i Kina har udviklet en smart, fleksibel fotoakustisk billedbehandlingsteknik, der kan have potentielle anvendelser i bærbare enheder, instrumentering og medicinsk diagnostik.

Ledende forsker Long Jin fra Institute of Photonics Technology ved Jinan University i Guangzhou vil præsentere den nye fiberlaserbaserede ultralydssensor på OSA Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS-konferencen, afholdes 16.-20. september, 2018 i Washington, DC Jin vil også præsentere resultaterne af en undersøgelse ved hjælp af et in vivo fotoakustisk mikroskop.

Præsentationen er en del af sessionen "Avanceret mikroskopi" mandag d. 17. september.

Deres nye teknik er afhængig af optisk fiberteknologi til at levere nye sensorer til fotoakustisk billeddannelse. Den bruger fiberoptisk ultralydsdetektion, udnyttelse af de akustiske effekter på laserimpulser via den termoelastiske effekt - temperaturændringer, der opstår som følge af den elastiske belastning.

"Konventionelle fiberoptiske sensorer registrerer ekstremt svage signaler ved at udnytte deres høje følsomhed via fasemåling, "sagde Jin. De samme slags sensorer bruges i militære applikationer til at detektere lavfrekvente (kilohertz) akustiske bølger. Men det viser sig, at de ikke fungerer så godt til ultralydsbølger ved megahertz-frekvenserne, der bruges til medicinske formål, fordi ultralyd bølger formerer sig typisk som sfæriske bølger og har en meget begrænset interaktionslængde med optiske fibre.De nye sensorer blev specielt udviklet til medicinsk billeddannelse, Jin sagde, og kan give bedre følsomhed end de piezoelektriske transducere, der bruges i dag.

Gruppen designede en speciel ultralydssensor, der i det væsentlige er en kompakt laser bygget i kernen med en diameter på 8 mikron i en enkelt-mode optisk fiber. "Den har en typisk længde på kun 8 millimeter, " sagde Jin. "For at opbygge laseren, to stærkt reflekterende gitterspejle er UV-skrevet i fiberkernen for at give optisk feedback. "

Denne fiber bliver derefter dopet med ytterbium og erbium for at give tilstrækkelig optisk forstærkning ved 1, 530 nanometer. De bruger en 980 nanometer halvlederlaser som pumpelaser.

"Sådanne fiberlasere med en linjebredde af kilohertz-orden - bredden af ​​det optiske spektrum - kan udnyttes som sensorer, fordi de tilbyder et højt signal-til-støj-forhold, "sagde forskergruppemedlem Yizhi Liang, en adjunkt ved Institut for Fotonikteknologi.

Ultralyddetektering drager fordel af den kombinerede teknik, fordi ultralydbølger, der hændes ved siden af, deformerer fiberen, modulering af lasefrekvensen.

"Ved at registrere frekvensforskydningen, vi kan rekonstruere den akustiske bølgeform, " sagde Liang.

Holdet demodulerer ikke ultralydssignalet, udtrækning af de originale oplysninger, ved brug af konventionelle interferometri-baserede metoder eller enhver additiv frekvenslåsning. Hellere, de bruger en anden metode, kaldet "selv-heterodyning, "hvor resultatet af blanding af to frekvenser detekteres. Her, de måler radiofrekvensdomænets beatnote givet af to ortogonale polarisationstilstande i fiberhulrummet. Denne demodulation garanterer også i sig selv et stabilt signaloutput.

De fiberlaserbaserede ultralydssensorer tilbyder muligheder for brug i fotoakustisk mikroskopi. Forskerne brugte en fokuseret 532-nanometer nanosekunders pulslaser til at belyse en prøve og excitere ultralydssignaler. De placerer en sensor i en stationær position nær den biologiske prøve for at detektere optisk inducerede ultralydsbølger.

"Ved rasterscanning af laserpunktet, vi kan få et fotoakustisk billede af musens øre og kapillærer "Jin sagde." Denne metode kan også bruges til strukturelt at billedgøre andre væv og funktionelt billede iltfordeling ved hjælp af andre excitationsbølgelængder - hvilket drager fordel af de karakteristiske absorptionsspektre for forskellige målvæv. "

Optiske fibre er nyttige, fordi de er små, letvægts, og iboende fleksibel, Tilføjede Jin.

"Udviklingen af ​​vores lasersensor er meget opmuntrende på grund af dens potentiale for endoskoper og bærbare applikationer, "Jin sagde." Men nuværende kommercielle endoskopiske produkter er typisk millimeter i dimension, som kan forårsage smerter, og de fungerer ikke godt i hule organer med begrænset plads."