Láser de fibra compacta puede permitir tecnología portátil y mejores endoscopios

Láser de fibra compacta puede permitir tecnología portátil y mejores endoscopios
Al crear un nuevo giro en los sensores de fibra óptica, los investigadores en China han desarrollado una técnica de imagen fotoacústica inteligente y flexible que puede tener aplicaciones potenciales en dispositivos portátiles, instrumentación y diagnósticos médicos.

El investigador principal, Long Jin, del Instituto de Tecnología de Fotónica de la Universidad de Jinan en Guangzhou, presentará el nuevo sensor de ultrasonido basado en láser de fibra óptica en la conferencia APS / DLS de OSA Frontiers in Optics + Laser Science, que se realizará del 16 al 20 de septiembre de 2018 en Washington. , DC Jin también presentará los resultados de un estudio utilizando un microscopio fotoacústico in vivo.

La presentación formará parte de la sesión «Microscopía avanzada», que se realizará a las 2:30 pm el lunes 17 de septiembre en el salón de baile Jefferson West del hotel Washington Hilton.

Su nueva técnica se basa en la tecnología de fibra óptica para proporcionar nuevos sensores para imágenes fotoacústicas. Utiliza la detección de ultrasonido de fibra óptica, aprovechando los efectos acústicos en los pulsos del láser a través del efecto termoelástico, cambios de temperatura que se producen como resultado de la tensión elástica.

«Los sensores de fibra óptica convencionales detectan señales extremadamente débiles aprovechando su alta sensibilidad a través de la medición de fase», dijo Jin. Estos mismos tipos de sensores se utilizan en aplicaciones militares para detectar ondas acústicas de baja frecuencia (kilohertz).

Pero resulta que no funcionan tan bien para las ondas de ultrasonido en las frecuencias de megahercios utilizadas con fines médicos porque las ondas de ultrasonido se propagan típicamente como ondas esféricas y tienen una longitud de interacción muy limitada con las fibras ópticas.

Los nuevos sensores fueron desarrollados específicamente para imágenes médicas, dijo Jin, y pueden proporcionar una mejor sensibilidad que los transductores piezoeléctricos que se usan en la actualidad.

El grupo diseñó un sensor de ultrasonido especial que es esencialmente un láser compacto construido dentro del núcleo de 8 micrones de diámetro de una fibra óptica monomodo. «Tiene una longitud típica de solo 8 milímetros», dijo Jin. «Para construir el láser, dos espejos de rejilla altamente reflectantes se graban con UV en el núcleo de la fibra para proporcionar retroalimentación óptica».

Esta fibra luego se dopa con iterbio y erbio para proporcionar suficiente ganancia óptica a 1,530 nanómetros. Utilizan un láser semiconductor de 980 nanómetros como la bomba láser.

«Tales láseres de fibra con un ancho de línea de orden de kilohercios (el ancho del espectro óptico) se pueden explotar como sensores porque ofrecen una alta relación señal-ruido», dijo el miembro del equipo de investigación Yizhi Liang, profesor asistente en el Instituto de Tecnología Fotónica.

La detección de ultrasonido se beneficia de la técnica combinada porque las ondas de ultrasonido de incidente lateral deforman la fibra, modulando la frecuencia del láser.

«Al detectar el cambio de frecuencia, podemos reconstruir la forma de onda acústica», dijo Liang.

El equipo no demodula la señal de ultrasonido, extrae la información original, utiliza métodos convencionales basados ​​en interferometría o cualquier bloqueo de frecuencia aditiva. Más bien, utilizan otro método, llamado «auto-heterodinancia», donde se detecta el resultado de mezclar dos frecuencias.

Aquí, miden la nota de tiempo de radio-dominio dada por dos modos de polarización ortogonal de la cavidad de la fibra. Esta demodulación también garantiza intrínsecamente una salida de señal estable.

Los sensores de ultrasonido basados ​​en láser de fibra ofrecen oportunidades de uso en microscopía fotoacústica. Los investigadores utilizaron un láser de 532 nanómetros de pulso enfocado para iluminar una muestra y excitar las señales de ultrasonido. Colocan un sensor en una posición estacionaria cerca de la muestra biológica para detectar ondas de ultrasonido inducidas ópticamente.

«Al escanear rasteramente el punto del láser, podemos obtener una imagen fotoacústica de los vasos y capilares de la oreja de un ratón», dijo Jin. «Este método también se puede usar para obtener imágenes estructurales de otros tejidos y funcionalmente para la distribución de oxígeno de la imagen mediante el uso de otras longitudes de onda de excitación, que aprovechan los espectros de absorción característicos de diferentes tejidos diana».

Las fibras ópticas son útiles porque son pequeñas, ligeras e intrínsecamente flexibles, agregó Jin.

«El desarrollo de nuestro sensor láser es muy alentador debido a su potencial para endoscopios y aplicaciones portátiles», dijo Jin. «Pero los productos endoscópicos comerciales actuales suelen tener una dimensión milimétrica, lo que puede causar dolor, y no funcionan bien en órganos huecos con espacio limitado»

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