Faseroptische Mikrosonde für Ultraschall und Temperatur

Für die Messung physikalischer Größen werden vielfach herkömmliche elektrische Sensorsysteme verwendet. Messsonden, die aus geeignet präparierten Enden von Lichtwellenleitern bestehen, stellen hierzu eine leistungsfähige Alternative dar. Insbesondere für Messaufgaben, bei denen eine sehr hohe zeitliche und räumliche Auflösung, minimale Invasivität, hohe Stoßfestigkeit oder geringe Wärmeleitung gefordert sind, bieten die sehr kleinen optischen Sonden beachtliche Vorteile.

Bei dem in der PTB entwickelten Sensor bildet die mit einem optischen Interferenzschichtsystem belegte Stirnfläche eines Lichtwellenleiters (Durchmesser 125 µm) das sensitive Element. Die Ultraschalldetektion beruht auf der durch die einfallende Schallwelle verursachten elastischen Deformation des Interferenzschichtsystems. Dieses Schichtsystem mit einer Gesamtdicke von weniger als 2 µm wirkt dabei als Mikrointerferometer. Es ist so ausgelegt, dass die Deformation zu einer Änderung des optischen Reflexionsgrades bei einer bestimmten Lichtwellenlänge führt, die mithilfe einer einfachen optischen Anordnung detektiert wird. Da die Brechzahlen und Dicken der Schichten und damit die Resonatorlänge des Mikrointerferometers auch von der Umgebungstemperatur abhängen, kann der gleiche Sensor simultan zur Temperaturmessung eingesetzt werden. Wegen der deutlich unterschiedlichen Zeitskalen, auf denen sich die akustischen und die thermischen Messgrößen ändern, kann eine Separation der Signale durch Frequenzfilterung erfolgen.

In einer ersten Anwendung wurde dieses Mikrosensorsystem in Zusammenarbeit mit der Universität Kaiserslautern zur Untersuchung der Stoßwellenausbreitung und der Wärmeentwicklung im Glaskörper eines Auges bei Gewebeabtrag mittels Infrarot-Laserimpulsen eingesetzt. Solche in-situ-Messungen sind wichtig, um das Schädigungspotential bei der Laser-Glaskörperchirurgie für das umliegende Gewebe, insbesondere die Netzhaut einschätzen zu können.

Beispiele, in denen Ultraschalldruck und Temperatur simultan gemessen werden sollen sind die Ultraschallexposimetrie sowie Anwendungen in der chemischen Prozesstechnik, der Sonochemie und der Ultraschallreinigungstechnik. Dabei können der gesamte Druckbereich im Ultraschall bis 100 MPa und Temperaturerhöhungen von mehr als 100 K abgedeckt werden.