Новий волоконно-лазерний датчик підвищить точність діагностики
Працюючи над створенням нових оптико-волоконних сенсорів, китайські дослідники винайшли «розумну» і гнучку технологію фотоакустичної візуалізації, яка потенційно може бути використана для створення переносних електронних пристроїв, медичного інструментарію та засобів діагностики. Новий волоконний датчик, створений на основі лазера та ультразвуку, був представлений в рамках міжнародної конференції, присвяченої оптиці та лазерним технологіям. Презентацію новинки провів провідний науковий співробітник Інституту фотонних технологій при університеті Цзинаня в Гуанчжоу Лонг Цзинь, який використав для цього лазерно-акустичний мікроскоп.
В основі нової технології китайських вчених лежить волоконна лазерна модуляція, що використовує термоеластичний ефект: при впливі на тканини лазером їх температура підвищується, що призводить до еластичної деформації. «Звичайні оптико-волоконні датчики фіксують надзвичайно слабкі сигнали завдяки своїй високій чутливості в вимірюванні фази», – говорить Цзинь. Схожі сенсори використовуються військовими для виявлення низькочастотних (в кілогерцовому діапазоні) акустичних хвиль.
Але, як виявилося, вони не здатні так само ефективно уловлювати ультразвукові хвилі на мегагерцевих частотах, які використовуються в медичних цілях, оскільки ті зазвичай поширюються сферично і мають дуже обмежену довжину взаємодії з оптичними волокнами. Нові ж датчики були спеціально розроблені для використання в медичній візуалізації і здатні забезпечити вищу чутливість у порівнянні з використовуваними сьогодні п'єзоелектричними датчиками.
Команда вчених розробила спеціальний ультразвуковий сенсор, що представляє собою компактний лазер, 8-мікронне сердечник якого складається з одномодової оптичної волокна. «У нього стандартна довжина в 8 мм, – говорить Цзинь. – Створюючи лазер, ми вбудували в сердечник волокна два сильно відбиваючих решітчастих дзеркала, щоб забезпечити оптичну зворотний зв'язок». Потім ці оптичні волокна були леговані іттербієм і ербієм, щоб гарантувати достатнє оптичне підсилення. В якості лазера накачки вчені використовували 980-нанометровий напівпровідниковий лазер. Такі лазери можуть бути використані в якості датчиків, оскільки мають досить високий коефіцієнт відношення «сигнал/перешкода», зазначають дослідники.
Уловлювання ультразвукових хвиль стає більш ефективним завдяки тому, що вони деформують волокно, регулюючи частоту лазерної генерації. «Фіксуючи зміну частоти, ми можемо відтворити акустичну хвильову картину», – говорить один з дослідників. Вони не детектують ультразвуковий сигнал, витягуючи оригінальну інформацію за допомогою стандартного методу інтерферометрії або будь-якого іншого способу захоплення частоти. Замість цього, вчені використовують метод «самогетеродинування», що виявляє змішування двох частот.
Лазерно-волоконний ультразвуковий датчик може застосовуватися в фотоакустичній мікроскопії. За допомогою фокусованого імпульсного лазера з довжиною променя 532 нанометри вчені просвітлили зразок біологічних тканин, викликавши в них ультразвукові імпульси. Вони помістили нерухомий датчик поруч з досліджуваним зразком, щоб виявити оптично індуковані ультразвукові хвилі.
«Шляхом растрового сканування лазерного плями ми змогли отримати фотоакустичне зображення судин і капілярів мишачого вуха, – говорить доктор Цзинь. – Цей метод може бути використаний і для візуалізації інших тканин». Він додає, що оптичні волокна мають масу переваг, серед яких їх мініатюрність, легкість і природна гнучкість.