Новый волоконно-лазерный датчик повысит точность диагностики
Работая над созданием новых оптико-волоконных сенсоров, китайские исследователи изобрели «умную» и гибкую технологию фотоакустической визуализации, которая потенциально может быть использована для создания переносных электронных устройств, медицинского инструментария и средств диагностики. Новый волоконный датчик, созданный на основе лазера и ультразвука, был представлен в рамках международной конференции, посвященной оптике и лазерным технологиям. Презентацию новинки провел ведущий научный сотрудник Института фотонных технологий при университете Цзинаня в Гуанчжоу Лонг Цзинь, который использовал для этого лазерно-акустический микроскоп.
В основе новой технологии китайских ученых лежит волоконная лазерная модуляция, использующая термоупругий эффект: при воздействии на ткани лазером их температура повышается, что приводит к упругой деформации. «Обычные оптико-волоконные датчики фиксируют чрезвычайно слабые сигналы благодаря своей высокой чувствительности в измерении фазы», – говорит Цзинь. Похожие сенсоры используются военными для обнаружения низкочастотных (в килогерцовом диапазоне) акустических волн.
Но, как оказалось, они не способны так же эффективно улавливать ультразвуковые волны на мегагерцевых частотах, которые используются в медицинских целях, потому как те обычно распространяются сферически и имеют очень ограниченную длину взаимодействия с оптическими волокнами. Новые же датчики были специально разработаны для использования в медицинской визуализации и способны обеспечить более высокую чувствительность в сравнении с использующимися сегодня пьезоэлектрическими датчиками.
Команда ученых разработала специальный ультразвуковой сенсор, представляющий собой компактный лазер, 8-микронная сердцевина которого состоит из одномодового оптического волокна. «У него стандартная длина в 8 мм, – говорит Цзинь. – Создавая лазер, мы встроили в сердцевину волокна два сильноотражающих решетчатых зеркала, чтобы обеспечить оптическую обратную связь». Затем эти оптические волокна были легированы иттербием и эрбием, чтобы гарантировать достаточное оптическое усиление. В качестве лазера накачки ученые использовали 980-нанометровый полупроводниковый лазер. Такие лазеры могут быть использованы в качестве датчиков, поскольку имеют довольно высокий коэффициент отношения «сигнал/помеха», отмечают исследователи.
Улавливание ультразвуковых волн становится более эффективным благодаря тому, что они деформируют волокно, регулируя частоту лазерной генерации. «Фиксируя изменение частоты, мы можем воссоздать акустическую волновую картину», – говорит один из исследователей. Они не детектируют ультразвуковой сигнал, извлекая оригинальную информацию с помощью стандартного метода интерферометрии или любого другого способа захвата частоты. Вместо этого, ученые используют метод «самогетеродинирования», обнаруживающий смешение двух частот.
Лазерно-волоконный ультразвуковой датчик может применяться в фотоакустической микроскопии. С помощью фокусированного импульсного лазера с длиной луча 532 нанометра ученые просветили образец биологических тканей, вызвав в них ультразвуковые импульсы. Они поместили неподвижный датчик рядом с исследуемым образцом, чтобы обнаружить оптически индуцированные ультразвуковые волны.
«Посредством растрового сканирования лазерного пятна мы смогли получить фотоакустическое изображение сосудов и капилляров мышиного уха, – говорит доктор Цзинь. – Этот метод может быть использован и для визуализации других тканей». Он добавляет, что оптические волокна имеют массу преимуществ, среди которых их миниатюрность, легкость и естественная гибкость.
