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Ultraschall

Arbeitsgruppe 1.62

Faseroptische Sensoren

Faseroptische Sensoren dienen als Messsonden in optischen Messverfahren zur Bestimmung des räumlichen und zeitlichen Druckverlaufs von Ultraschallsignalen. In der Arbeitsgruppe 1.62 werden zwei verschiedene Typen (im Folgenden als Verschiebungs- und Drucksensoren bezeichnet) verwendet, die beide auf der Nutzung der Faserspitze als empfindliches Element beruhen (Faserspitzensensoren). Zur Messung wird deshalb die Faserspitze in das Schallfeld gebracht und die Faserachse parallel zur Schallausbreitungsrichtung eingerichtet.

Verschiebungssensoren

Die Spitze eines monomode Lichtwellenleiters wird mit einer etwa 200 nm dicken Titan-Schicht bedampft, die den Reflexionskoeffizienten erhöht. In die Faser wird ein Laserstrahl eingekoppelt, der am Faserende reflektiert wird. Trifft nun eine Schallwelle auf die Spitze, so folgt sie der Verschiebung des Schallfeldes. Dadurch ändert sich der optische Weg des Lichtes in der Glasfaser, was zu einer Änderung der Phase des optischen Feldes führt. Sie kann mit einem Interferometer (optische Messverfahren) nachgewiesen werden. Dabei wird in der Arbeitsgruppe 1.62 sowohl homodyne als auch heterodyne Technik mit hoher Bandbreite verwendet.

Anwendung der Verschiebungssensoren

Verschiebungssensoren werden in der Arbeitsgruppe 1.62 gegenwärtig insbesondere zur Messung von Stoßwellen und für die Detektion von Impulsen im MHz-Bereich eingesetzt. Um dabei den Anschluss an den "Standard" der Ultraschallmessung zu gewährleisten, wurden die Sensoren zunächst kalibriert. Da Stoßwellen Spektralanteile mit Frequenzen über 20 MHz enthalten, musste der Frequenzbereich der Kalibrierung erweitert werden. Das gelang mit einem neuartigen interferometrischen Kalibrierverfahren, das bis 50 MHz einsetzbar ist. Mit dem faseroptischen Sensorsystem lassen sich so Stoßwellen zuverlässig messen und alle Parameter bestimmen, die für Aussagen über Patientensicherheit oder die Effektivität von Lithotriptoren benötigt werden.

Weiterhin eignen sich faseroptische Sensoren auch für die Charakterisierung von Hochleistungsultraschall im Frequenzbereich 40-100 kHz, wie er in technischen Anwendungen verwendet wird. Auf Grund der kleinen Abmessungen stören die Sensoren das Feld kaum und können sowohl zur Charakterisierung des Ultraschallfeldes als auch für die Detektion von Kavitationsereignissen eingesetzt werden.

Drucksensoren

Auf die Endfläche eines Lichtwellenleiters werden eine oder mehrere harte, dielektrische Schichten aufgebracht. Das in die Faser eingekoppelte und an der Rückseite der Schicht reflektierte Lichtfeld interferiert dabei mit der an der Vorderseite zurückgeworfenen Lichtwelle (sowie den mehrfach reflektierten Anteilen). Der Reflexionskoeffizient hängt somit von der optischen Schichtdicke (Brechzahl multipliziert mit der physischen Dicke) ab. Bringt man die Faser nun in ein Ultraschallfeld, so wird durch den Schalldruck die Schicht elastisch verformt, was zu einer Änderung der optischen Schichtdicke und damit zu einer Änderung des komplexen Reflexionskoeffizienten führt. Die Dicke bzw. das Design des Schichtsystems ist so zu wählen, dass sich eine möglichst große Steilheit der Abhängigkeit des Reflexionskoeffizienten von der optischen Dicke bzw. der Druckamplitude einstellt. Durch Messung der Intensität des am Faserende reflektierten Lichtfeldes lässt sich der Schalldruck bestimmen.

Die Schichtdicke und -brechzahl sind auch von der Temperatur abhängig. Damit ergibt sich die Möglichkeit, simultan zum Schalldruck auch die Temperatur im Schallausbreitungsmedium zu detektieren. Auf Grund der sehr unterschiedlichen Zeitkonstanten von Schall- und Wärmeausbreitung kann eine Trennung der Messsignale im Frequenzbereich erfolgen.

Anwendung der Drucksensoren

Fasersensoren mit dielektrischer Beschichtung lassen sich im gesamten Ultraschallbereich anwenden. Gegenwärtig werden die Sensoren in der Arbeitsgruppe 1.62 zur Messung fokussierter Ultraschallfelder, wie sie zum Beispiel in diagnostischen Geräten zur Anwendung kommen, eingesetzt. Die Möglichkeit, Schalldruck und Temperatur simultan messen zu können, ist insbesondere für die Abschätzung des Schädigungspotenzials von Ultraschall von Interesse. So konnten z. B. Stoßwellen und Temperaturerhöhung bei Einsatz eines Laservitrektomiegerätes untersucht werden.

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