Zeitschrift für Elektrotechnik und Elektronik

Laseranregung von Ultraschall in lichtabsorbierenden Flüssigkeiten durch Einleiten der Laserstrahlung durch eine Glasfaser mit kolloidaler Beschichtung der distalen Spitze durch eine einzelne Schicht transparenter Kugeln

Wladimir Bredikhin

Die effiziente Umwandlung optischer Laserstrahlung in hochfrequente Akustik ist für Medizin und Technik ein wichtiges Anwendungsproblem. Eine mögliche Lösung besteht darin, Strahlung durch eine Faser in eine Flüssigkeit einzuleiten, deren distales Ende mit einer Schicht transparenter Mikrokügelchen bedeckt ist. Die Mikrokügelchen wirken hier als Linsen und erzeugen hochkonzentrierte Bereiche der Lichtstrahlung in der Flüssigkeit. Bei Lichtabsorption in der Flüssigkeit entsteht ein System lokal erhitzter Volumina, das aufgrund des thermoelastischen Effekts zu einer optoakustischen (OA) Reaktion führt. Aus dieser Sicht kann die Schicht transparenter Mikrokügelchen an der distalen Spitze der Faser in einem lichtabsorbierenden Medium als Faser-Laser-Akustik-Konverter (LAC) betrachtet werden. In diesem Bericht werden zwei entgegengesetzte LAC-Schemata experimentell untersucht. Zunächst (a) untersuchen wir Ultraschall [1], der durch Laserstrahlung durch eine Quarz-Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von 1 mm mit LAC angeregt wird — eine Beschichtung an der distalen Spitze der Faser mit Polystyrolkugeln (PS) mit einem Durchmesser von 0,96 μm. Der Laser ist ein YAG:Nd-Laser mit λ = 1,064 μm, und als Medium wird destilliertes Wasser verwendet (Lichtabsorptionskoeffizient α ≈ 0,1 cm-1). Der Laser erzeugt im Null-Transversalmodus-Regime (Strahldurchmesser ≈ 2 mm) unter Verwendung eines optischen passiven Modulators eine Impulsfolge mit einer Gesamtdauer von ≈ 300 ns mit einer Spike-Frequenz von ≈ 2 × 105 Hz. Diese Versuchskonfiguration ermöglicht die Untersuchung der grundlegenden Parameter des Systems in „urzeitlicher“ Form und vermeidet den Einfluss komplexerer Effekte, wie thermische Selbstdefokussierung und überhitzte Flüssigkeitszustände. Im zweiten (b), entgegengesetzten Fall wird eine Beschichtung aus Glaskugeln mit Ø 200 μm auf einem Glassubstrat als LAC im Laserstrahl (ca. Ø 1 mm) der zweiten Harmonischen (λ = 0,532 μm) mit einer Impulszeit von 15 ns verwendet. Das Medium ist in diesem Fall eine Wasser-Tinten-Lösung (α ≈ 100 cm-1) [2]. Die Beschichtungen aus Kugeln mit einem Durchmesser von 1 und 200 μm (siehe Abb.) werden mithilfe einer zweistufigen Technologie auf die Faserspitze aufgetragen. Zunächst wird eine einzelne Schicht aus Kugeln auf einer flachen Glasplatte gebildet. Anschließend wird die erhaltene einzelne Schicht mit einer zuvor aufgetragenen dünnen Schicht optischen Cyanacrylat-Klebstoffs auf das Faserende geklebt. Eine einzelne Schicht kleiner Kugeln (bis zu 10 μm) wird aus einer kolloidalen Lösung auf die Platte aufgebracht. Große Kugeln werden in einer Schicht auf einer flachen Platte verteilt (innerhalb eines begrenzten Füllbereichs). Mikrofotografien der Kugeln an der Spitze einer 1-mm-Faser auf dem Klebstoff: (a) In reinem Wasser bei λ = 1,064 μm (Lichtabsorption ~ 0,1 cm−1) bildet sich eine thermische Mikrostruktur mit einer charakteristischen Größe von Bruchteilen von ≈ λ, einer Maximaltemperatur von bis zu 10−2 Grad bei einer Energie eines kurzen Laserpulses von ≈0,005 J. Die entwickelte Ausrüstung ermöglicht eine genaue Aufzeichnung der Ultraschallerzeugung mit der erwarteten Mikroerhitzung.(b) Im Fall der Wasser-Tinten-Lösung zeigt sich, dass sowohl der Druckpegel als auch der Frequenzbereich des erzeugten Ultraschalls erheblich gesteigert werden können, wenn die Bestrahlung durch die Glaskugelschicht erfolgt. Der Frequenzbereich des erzeugten Ultraschalls wird durch die Abmessungen des Volumens bestimmt, in dem das Licht absorbiert wird. In Abwesenheit von Kugeln ist diese Abmessung die Eindringtiefe des Lichts in die Flüssigkeit. Mit den Kugeln ist es die Größe dieser Hotspots.