Creando una nuova svolta sui sensori in fibra ottica, ricercatori in Cina hanno sviluppato un intelligente, tecnica di imaging fotoacustico flessibile che può avere potenziali applicazioni in dispositivi indossabili, strumentazione e diagnostica medica.

Il ricercatore capo Long Jin dell'Istituto di tecnologia fotonica dell'Università Jinan di Guangzhou presenterà il nuovo sensore a ultrasuoni basato su laser in fibra alla conferenza OSA Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS, che si terrà dal 16 al 20 settembre, 2018 a Washington, D.C. Jin presenterà anche i risultati di uno studio utilizzando un microscopio fotoacustico in vivo.

La presentazione fa parte della sessione "Advanced Microscopy" di lunedì, 17 settembre.

La loro nuova tecnica si basa sulla tecnologia della fibra ottica per fornire nuovi sensori per l'imaging fotoacustico. Utilizza il rilevamento a ultrasuoni in fibra ottica, sfruttando gli effetti acustici sugli impulsi laser tramite l'effetto termoelastico - variazioni di temperatura che si verificano a causa della deformazione elastica.

"I sensori a fibra ottica convenzionali rilevano segnali estremamente deboli sfruttando la loro elevata sensibilità tramite la misurazione di fase, " ha detto Jin. Questi stessi tipi di sensori sono utilizzati nelle applicazioni militari per rilevare le onde acustiche a bassa frequenza (kilohertz). Ma si scopre che non funzionano così bene per le onde ultrasoniche alle frequenze megahertz utilizzate per scopi medici perché gli ultrasuoni le onde si propagano tipicamente come onde sferiche e hanno una lunghezza di interazione molto limitata con le fibre ottiche.I nuovi sensori sono stati sviluppati specificamente per l'imaging medico, Jin ha detto, e può fornire una migliore sensibilità rispetto ai trasduttori piezoelettrici in uso oggi.

Il gruppo ha progettato uno speciale sensore a ultrasuoni che è essenzialmente un laser compatto costruito all'interno del nucleo di 8 micron di diametro di una fibra ottica monomodale. "Ha una lunghezza tipica di soli 8 millimetri, " disse Jin. "Per costruire il laser, due specchi a reticolo altamente riflettenti sono scritti ai raggi UV nel nucleo della fibra per fornire un feedback ottico".

Questa fibra viene quindi drogata con itterbio ed erbio per fornire un guadagno ottico sufficiente a 1, 530 nanometri. Usano un laser a semiconduttore da 980 nanometri come laser a pompa.

"Tali laser in fibra con una larghezza di riga dell'ordine dei kilohertz, la larghezza dello spettro ottico, possono essere sfruttati come sensori perché offrono un elevato rapporto segnale-rumore, " ha detto il membro del team di ricerca Yizhi Liang, un assistente professore presso l'Istituto di tecnologia fotonica.

Il rilevamento ad ultrasuoni beneficia della tecnica combinata perché le onde ultrasoniche incidenti laterali deformano la fibra, modulando la frequenza del laser.

"Rilevando lo spostamento di frequenza, possiamo ricostruire la forma d'onda acustica, " ha detto Liang.

Il team non demodula il segnale ad ultrasuoni, estrarre le informazioni originali, utilizzando metodi convenzionali basati sull'interferometria o qualsiasi blocco di frequenza additivo. Piuttosto, usano un altro metodo, chiamato "autoeterodina, " dove viene rilevato il risultato della miscelazione di due frequenze. Qui, misurano la nota di battito nel dominio della radiofrequenza data da due modi di polarizzazione ortogonali della cavità della fibra. Questa demodulazione garantisce anche intrinsecamente un segnale in uscita stabile.

I sensori a ultrasuoni basati su laser in fibra offrono opportunità di utilizzo nella microscopia fotoacustica. I ricercatori hanno utilizzato un laser a impulsi focalizzato di 532 nanosecondi per illuminare un campione ed eccitare segnali a ultrasuoni. Mettono un sensore in una posizione stazionaria vicino al campione biologico per rilevare le onde ultrasoniche indotte otticamente.

"Con la scansione raster del punto laser, possiamo ottenere un'immagine fotoacustica dei vasi e dei capillari dell'orecchio di un topo, Jin ha detto. "Questo metodo può essere utilizzato anche per visualizzare strutturalmente altri tessuti e la distribuzione dell'ossigeno in modo funzionale immagine utilizzando altre lunghezze d'onda di eccitazione, che sfrutta gli spettri di assorbimento caratteristici di diversi tessuti bersaglio".

Le fibre ottiche sono utili perché sono minuscole, leggero, e intrinsecamente flessibile, Jin ha aggiunto.

"Lo sviluppo del nostro sensore laser è molto incoraggiante grazie al suo potenziale per endoscopi e applicazioni indossabili, " ha detto Jin. "Ma gli attuali prodotti endoscopici commerciali hanno tipicamente dimensioni millimetriche, che può causare dolore, e non funzionano bene all'interno di organi cavi con spazio limitato."