DE19541952A1 - Faseroptisches Hydrophon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Hydrophon nach dem Oberbegriff 1.

Die präzise Messung des räumlichen und zeitlichen Verlaufs von Ultraschallsigna­ len in Wasser oder anderen flüssigen Medien ist von großem praktischen Inter­ esse. Insbesondere im medizinischen Bereich, wo Ultraschall in zahllosen Fällen angewandt wird, ist die Kenntnis der Schallfeldgrößen notwendig, um die Heilwir­ kung oder auch mögliche Schädigungen eines Patienten durch therapeutische oder diagnostische Ultraschallgeräte abschätzen zu können. Eine besonders wichtige Meßgröße ist dabei der Schalldruck. Ein Sensor für eine entsprechende Messung, ein Hydrophon, sollte dabei eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung besitzen, das Ultraschallfeld während der Messung möglichst wenig stören und eine an die Meßaufgabe angepaßte Empfindlichkeit besitzen. Gleichzeitig ist für die Untersu­ chung von Hochenergieimpulsen (Stoßwellen) eine hohe Druckfestigkeit des Sensors notwendig.

Es ist bekannt, daß man für eine solche Meßaufgabe faseroptische Hydrophone einsetzt, die aus glatt abgeschnittenen oder modifizierten Enden eines Lichtwellen­ leiters (im folgenden kurz als "Faser" bezeichnet) bestehen und die in die Flüssig­ keit in Richtung zur Schallquelle eingetaucht werden. Dabei können zwei Meßprin­ zipien unterschieden werden:

• a) Interferometrisches Hydrophon:
  Die als Sensor dienende Faserendfläche folgt unmittelbar der durch die Ultra­ schallwelle induzierten Teilchenverschiebung. Diese Verschiebung moduliert die optische Phase eines in die Faser eingekoppelten und an der Faserendfläche reflektierten Lichtfeldes. Ist die Sensorfaser Teil eines Interferometers, so kann die Phasenänderung in eine Intensitätsänderung umgewandelt werden, die durch einen Photodetektor registriert werden kann. (Konferenzband "Ultrasonics International 91", Butterworth-Heinemann, Oxford, 1991, S. 347-350)
• b) Intensitätssensitives Hydrophon:
  Die Ultraschallwelle moduliert die Teilchendichte und damit die Brechzahl der Flüssigkeit direkt an der Faserspitze. Die dadurch hervorgerufene Änderung des Reflexionskoeffizienten kann mit Hilfe eines in die Faser eingekoppelten und an der Faserspitze reflektierten Lichtfeldes abgefragt und als Intensitätsmodulation mit Hilfe eines Photodetektors nachgewiesen werden. (Patent WO 89106512, Zeitschrift "Ultrasonics", Band 31, Jahrgang 1993, S. 267-273).

Beide Methoden haben jedoch wichtige Vor- und Nachteile. Das interferometrische Verfahren bietet eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung sowie eine große Empfindlichkeit und kann für Ultraschallfelder des gesamten Leistungsspektrums eingesetzt werden. Es ist jedoch technisch aufwendig, insbesondere um die hohe zeitliche Auflösung zu sichern. Das intensitätssensitive Verfahren ist einfach zu realisieren und liefert eine genügende räumliche und zeitliche Auflösung. Allerdings ist die Empfindlichkeit gering, und diese Sensoren können nur unter Verwendung von leistungsstarken Lasern auf intensive Ultraschallfelder angewandt werden.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zu Grunde, ein faseroptisches Hydrophon mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung, an die Meßaufgabe angepaßter Empfindlichkeit, einfachem, kostengünstigem Aufbau und wenig aufwendiger Meßsignalverarbeitung zu konstruieren, das im gesamten Leistungsbereich zur Charakterisierung von Ultraschallfeldern verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Als Meßsensor wird dabei eine geschnittene oder gebrochene Faser mit glatter oder modifizierter Endfläche (z. B. angeschmolzen) verwendet. Auf diese Endfläche werden eine oder mehrere harte, dielektrische Schichten zur Empfindlichkeitsstei­ gerung aufgebracht. Dabei kann man durch sputtern harte Schichten erhalten, die auch Stoßwellen von Lithotriptoren stand halten. Wie aus der Theorie der dielektri­ schen dünnen Schichten bekannt ist (Hugo Anders, "Dünne Schichten für die Optik", Wiss. Verlagsgesell., Stuttgart, 1965, 1. Teil), wird durch Aufbringen dünner Lagen eines Materials mit höherer oder tieferer Brechzahl der Reflexionskoeffizient einer Grenzfläche zwischen zwei Medien vergrößert oder verkleinert. Das an der Rückseite der Schicht reflektierte Lichtfeld interferiert dabei mit der an der Vorder­ seite zurückgeworfenen Lichtwelle (sowie den mehrfach reflektierten Anteilen), und der Reflexionskoeffizient hängt somit von der optischen Schichtdicke (Brechzahl multipliziert mit der physischen Dicke) ab. Bringt man die Faser nun in ein Ultra­ schallfeld, 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. Je dicker die Schicht bzw. je mehr Schichten der Sensor enthält, um so größer ist die Änderung des Reflexionskoeffi­ zienten in Abhängigkeit vom Druck und damit die Empfindlichkeit. Gleichzeitig wird durch die Interferenz die Änderung des Reflexionskoeffizienten durch Variation der Brechzahl des Wassers, wie er bei herkömmlichen Sensoren der Art b) zur Anwen­ dung kommt, verstärkt. Beide Prozesse überlagern sich konstruktiv, wobei bei einer oder wenigen Schichten letzterer überwiegt. Sind jedoch viele Schichten aufgetra­ gen, so liefert die Änderung der optischen Schichtdicke den dominierenden Anteil zum Meßsignal. Die Dicken der Schichten sind so einzustellen, daß sich eine möglichst große Steilheit der Abhängigkeit des Reflexionskoeffizienten von der optischen Dicke bzw. der Druckamplitude einstellt. Die Dicke aller Schichten zusammen muß dabei deutlich kleiner als die akustische Wellenlänge des zu mes­ senden Ultraschallsignals bleiben. Da die typischen Dicken optischer Schichten im Bereich λ/2 (λ: optische Wellenlänge) liegen, ist diese Bedingung allerdings sehr unkritisch.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Ein besonders einfaches, kostengünstiges und für Stoßwellenuntersuchungen ausreichend empfindliches Hydrophon entsteht durch Aufbringen nur einer harten Schicht mit hohem Brechungsindex, z. B. aus Nb₂O₅ oder TiO₂.

Die Empfindlichkeit läßt sich erhöhen, indem viele solcher Schichten mit hohem Brechungsindex aufgetragen werden, die durch Schichten aus einem Material niedriger Brechzahl, z. B. SiO₂, voneinander getrennt werden.

Hydrophone mit besonders hoher Empfindlichkeit lassen sich durch die Kombination von Schichtsystemen erzeugen. Trennt man z. B. zwei hochreflektierende Schichtsysteme durch eine dicke Schicht mit einer Brechzahl ähnlich der der Faser, so läßt sich ein Fabry-Perot Mikro-Resonator mit hoher Finesse erzeugen, der durch Vielstrahlinterferenz eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit ermöglicht. Solche Vielschicht-Hydrophone lassen sich vorteilhaft zur Messung des Schalldrucks von Ultraschallsignalen geringer Intensität verwenden.

Auf Grund der Temperaturabhängigkeit der Brechzahl und der Dicke der Schichten ist insbesondere bei Vielschicht-Hydrophonen das Meßsignal von der Temperatur abhängig. Dieser Effekt kann bei Druckmessungen durch Veränderung der Lichtwellenlänge mit Hilfe von einfachen Regelungsschaltungen kompensiert werden, sofern der dadurch bedingte Meßfehler zu groß wird. Andererseits ergibt sich bei konstant gehaltener Lichtfrequenz die Möglichkeit der optischen Temperaturmessung unter Verwendung derselben Anordnung, wie sie für die Druckmessung zum Einsatz kommt.

Faseroptische Hydrophone verwenden die von der Ummantelung befreiten Fasern als Sensoren. Eine solche Faser mit einem Außendurchmesser von nur 125 µm ist überaus empfindlich gegen seitliche mechanische Belastung. Zum Schutz kann die Sensorfaser in angespitzte Hohlkapillaren mit einem Innendurchmesser geringfügig größer als der Außendurchmesser der Faser eingeschmolzen werden, so daß Kapillarenspitze und Faser glatt abschließen. Danach wird der Beschichtungspro­ zeß durchgeführt. Dabei geht die hohe räumliche Auflösung nicht verloren, da sie im wesentlichen vom Durchmesser des Faserkerns bestimmt wird.

Zur Messung der Änderung des Komplexen Reflexionskoeffizienten sind mehrere optische Anordnungen möglich, da sowohl die Amplituden- als auch die Phasenänderungen des reflektierten Lichtes ausgewertet werden können.

Für die Messung der Amplitudenänderung wird das reflektierte Licht auf einen Photodetektor mit hoher Bandbreite ( 100 MHz) gegeben und die Änderung der Intensität des Lichtes mit Hilfe eines Oszilloskops bzw. Transientenrekorders dargestellt.

Die Erfassung der Phasenänderung des reflektierten Lichtfeldes kann durch Integration der Meßfaser in ein (externes) Interferometer geschehen oder aber durch die Verwendung von frequenzmoduliertem Licht. Dabei wird die Frequenz des Laserlichts mit einem Hochfrequenzsignal moduliert und das Schwebungs­ signal des Trägers mit den Seitenbändern detektiert. Es enthält ein elektrisches Signal mit der Modulationsfrequenz, in dessen Phase das Meßsignal enthalten ist. Mit Hilfe eines doppelt balancierten Mischers kann es ins Basisband umgesetzt und der direkten Messung durch ein Oszilloskop oder Transientenrekorder zugänglich gemacht werden. Dieses Verfahren hat gegenüber einer Integration in ein externes Interferometer den Vorteil, daß es störende Verschiebungen des Sensorfaserendes durch die Druckwelle kompensiert. Gegenüber der Methode aus Anspruch 7 ver­ mindert es die Störanfälligkeit gegen Veränderungen des Gleichlichtpegels, ver­ meidet niederfrequentes Rauschen und ermöglicht die einfache Konstruktion von zuverlässigen Regelschaltungen zur Kompensation von Temperatur- und anderen Drifteffekten.

Das beschriebene Verfahren zur Erfassung der Phasenänderung des reflektierten Lichtfeldes erfordert entweder große Modulationsfrequenzen oder einen großen Modulationshub, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreichen zu können. Große Modulationsfrequenzen lassen sich mit Hilfe von Laserdioden realisieren, die mit Höchstfrequenzsignalen betrieben werden. Einen großen Modulationshub kann man durch Nutzung der sehr breitbandigen Emissionslinie einer Superlumi­ neszenzdiode erreichen. Das Licht tritt dabei durch ein optisches Filter, dessen Mittenfrequenz durch das Modulationssignal variiert wird. Ein solches breit abstimmbares Filter kann durch ein Mach-Zehnder Interferometer mit einem Gangunterschied der beiden Arme von wenigen optischen Wellenlängen herge­ stellt werden. Die Abstimmung erfolgt dabei durch periodische Änderung der optischen Wegdifferenz mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators, der mit dem Modulationssignal angesteuert wird.

Eine weitere Möglichkeit, ein solches Filter zu konstruieren besteht darin, ein dünnes Kristallplättchen aus elektrooptisch aktivem Material mit optisch teildurch­ lässigen Metallschichten zu versehen. Diese Metallschichten dienen einerseits als Elektroden für das anzulegende Modulationssignal, andererseits als Spiegel für das senkrecht einzustrahlende Laserlicht. Damit steht ein Fabry-Perot Interferome­ ter mit großem freiem Spektralbereich zur Verfügung, das durch elektrooptische Änderung der Brechzahl im Kristallplätchen abgestimmt wird.

Insgesamt verfügt die Erfindung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik über eine Reihe von Vorteilen.

Beschichtete faseroptische Hydrophone sind in der Lage, die Vorteile der bisherigen Verfahren a) und b) in einer Methode bzw. Vorrichtung zu vereinen. Sie besitzen eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung sowie eine hohe Empfindlichkeit bei einfachem und kostengünstigem technischen Aufbau. Sie gestatten die Untersuchung und Charakterisierung von Ultraschallsignalen des gesamten Leistungsbereiches und kommen dabei mit optischen Leistungen im mW-Bereich aus, die mit sehr preiswerten Lasern erreichbar sind. Die Empfindlichkeit kann durch die Wahl der Anzahl und der Art der Schichten an die Meßaufgabe angepaßt werden. Die optische Reflexionsmessung kann sowohl als Intensitäts- als auch als Phasenmessung durchgeführt werden. Dabei ist insbesondere der Einsatz von Modulationstechniken möglich, was die Störanfälligkeit verringert und die Meßfehler verkleinert. Beschichtete faseroptische Hydrophone eignen sich deshalb besonders für die Beschreibung der Wirkung und die Bestimmung der akustischen Eigenschaften von medizinischen Ultraschallgeräten des gesamten Leistungsbereiches.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen 1-5 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine senkrecht geschnittene Spitze einer Monomode Faser (1), die mit einer Nb₂O₅-Schicht (4) der Dicke λ/4 belegt ist und in die Flüssigkeit (3) getaucht wurde. Die Stoßwelle (5) trifft von rechts senkrecht auf die beschichtete Facette der Faser und variiert sowohl die Dicke der Schicht als auch die Brechzahlen des Wassers, der Schicht und der Faser. In der Folge ändert sich der komplexe Reflexionskoeffizient an der Faserspitze für ein in die Monomode Faser eingekoppeltes Lichtfeld (2).

In Fig. 2 ist ein Beispiel für eine optische Anordnung angegeben, mit der die Änderung der Amplitude des reflektierten Lichtes gemessen werden kann. Als Lichtquelle dient ein Laser (6), dessen Ausgangsstrahl über einen Strahlteiler oder einen optischen Koppler (7) und ein Linsensystem (8) in eine Monomode Faser (1) eingekoppelt wird, an deren Ende sich das beschichtete Hydrophon (4) befindet. Das am Faserende reflektierte Licht wird wiederum über den Strahlteiler (7) auf eine Photodiode (10) gegeben, die die Änderungen der Lichtintensität detektiert. Gleichzeitig wird mit einer zweiten Photodiode (9) die Intensität des Eingangs­ laserstrahls gemessen. Die Differenz der beiden Photoströme, die in einem Transimpedanzverstärker (11) in eine Spannung umgewandelt wird, ergibt das Meßsignal, das proportional zum Druck des Schallfeldes und weitgehend frei von störendem Intensitätsrauschen ist. Es wird mit Hilfe eines Oszilloskops (12) oder eines Transientenrekorders dargestellt.

In Fig. 3 ist ein Beispiel für eine optische Anordnung gezeigt, die unter Verwendung der Modulationstechnik die Phasenänderung des reflektierten Lichtfeldes durch die Ultraschallwelle detektiert. Die Frequenz des Lasers (6) wird mit Hilfe eines Hoch­ frequenzgenerators (15) und einer geeigneten Steuereinrichtung mit der Frequenz f_mod moduliert. Der Ausgangsstrahl des Lasers wird wiederum über einen Strahltei­ ler oder einen optischen Koppler (7) und ein Linsensystem (8) in eine Monomode Faser (1) eingekoppelt, an deren Ende sich das beschichtete Hydrophon (4) befin­ det. Das reflektierte Licht trifft nach Passieren des Strahlteilers (7) auf eine schnelle Photodiode (13), deren Photostrom im Verstärker (14) in eine Spannung umgewan­ delt wird. Dieses Signal wird auf einen Doppel-Gegentaktmischer (16) gegeben, der es ins Basisband umsetzt. Als Überlagerungsoszillator dient dabei der Hoch­ frequenzgenerator (15). Das Ausgangssignal des Mischers (16) ist proportional zur Druckamplitude und wird direkt mit Hilfe eines Oszilloskops oder Transienten­ rekorders dargestellt.

Fig. 4 zeigt einen Lichtwellenleiter (1), der entsprechend Anspruch 6 in eine Kapil­ lare (17) eingeschmolzen und dann beschichtet wurde. Die Spitze der Kapillare und die Faserspitze, insbesondere der Faserkern (19), schließen miteinander ab, die Rückseite wird mit elastischem Silikon-Gummi (18) verschlossen. Innerhalb der Kapillare liegt die Faser frei, und wird dadurch gegen störenden Seitendruckwellen geschützt.

Mit einem Aufbau nach Fig. 2 wurde ein Muster der Erfindung getestet. Fig. 5 zeigt im oberen Bild die Spannung U, die den zeitlichen Druckverlauf einer Stoßwelle darstellt, gemessen mit einem beschichteten faseroptischen Hydrophon nach Unteranspruch 2. Zum Vergleich ist im unteren Bild der Druckverlauf dargestellt, wie er unter gleichen experimentellen Bedingungen mit einem herkömmlichen faseroptischen Hydrophon des Verfahrens b) gemessen werden kann. Es zeigt sich, daß die gemessene Spannung im Fall des beschichteten Hydrophons 10mal größer ist, was sich in einem deutlich verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis niederschlägt.

Claims (11)

1. Faseroptisches Hydrophon mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung insbe­ sondere für die Messung des Schalldrucks von Ultraschallsignalen großer und geringer Intensität in Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die glatte oder modifizierte Endfläche eines Mo­ nomode- oder Multimode-Lichtwellenleiters, die mit einer oder mehreren, vor­ zugsweise durch sputtern aufgetragenen, harten, dielektrischen optischen Schichten belegt ist, in die Flüssigkeit eingetaucht wird und die Änderung des komplexen Reflexionskoeffizienten der Schichten oder Schichtsysteme infolge der Druckeinwirkung dadurch gemessen wird, daß die Änderung der Amplitude oder der Phase eines in den Lichtwellenleiter eingekoppelten und an der Endfläche reflektierten Lichtfeldes mit einer geeigneten optischen Anordnung detektiert wird.

2. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1 insbesondere für Stoßwellenunter­ suchungen, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Schicht aus einem Material mit hoher optischer Brechzahl, z. B. Nb₂O₅, aufgetragen wird.

3. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1 insbesondere für die Messung von Ultraschallsignalen geringerer Intensität, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dielektrische optische Schichten mit hoher und niedriger Brechzahl im Wechsel aufgetragen werden.

4. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1 insbesondere für die Messung von Ultraschallsignalen sehr geringer Intensität, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufbringen hochreflektierender dielek­ trischer oder teildurchlässiger metallischer Schichtsysteme, die durch dicke Schichten mit Brechzahlen ähnlich dem des Lichtwellenleiters voneinander ge­ trennt sind, Fabry-Perot Mikro-Resonatoren am Lichtwellenleiterende entstehen.

5. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstant gehaltener Lichtfrequenz die Tempe­ raturänderung der Flüssigkeit mit derselben optischen Anordnung gemessen werden kann, wie sie bei der Druckmessung zum Einsatz kommt.

6. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Ummantelung befreiten Lichtwellenlei­ terenden zum Schutz gegen mechanische Zerstörung vor dem Beschichtungs­ prozeß in angespitzte Kapillaren (17) mit einem Innendurchmesser geringfügig größer als dem Außendurchmesser des Lichtwellenleiters eingeschmolzen werden.

7. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer optischen Anordnung, bestehend aus einem Laser (6), einem Strahlteiler oder optischem Koppler (7) und zwei Photodioden (9, 10), deren Photoströme voneinander abgezogen werden, die Änderung der Amplitude des reflektierten Lichtfeldes gemessen wird.

8. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Lasers (6) moduliert und mit Hilfe eines Doppel-Gegentaktmischers (16) das durch die Photodiode (13) detektierte Schwebungssignal des Trägers mit den Seitenbändern, welches das Meßsignal enthält, ins Basisband umgesetzt und damit die Messung durch ein Oszilloskop oder Transientenrekorder (12) möglich wird.

9. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von Temperatur- und anderen Drifteffekten ein abstimmbarer Laser als Lichtquelle eingesetzt wird, dessen Frequenz mit geeigneten Regelschaltungen gesteuert wird.

10. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1-6, 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Phasenänderung des reflektier­ ten Lichts mit Hilfe von Modulationstechniken eine Superlumineszenzdiode verwendet wird, deren Licht durch ein optisches Filter tritt, das aus einem Mach-Zehnder Interferometer mit einem Gangunterschied von wenigen opti­ schen Wellenlängen besteht, in dessen einem Arm sich ein elektrooptischer Modulator befindet, mit dessen Hilfe die Mittenfrequenz des Filters moduliert werden kann.

11. Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1-6, 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Phasenänderung des reflektier­ ten Lichts mit Hilfe von Modulationstechniken eine Superlumineszenzdiode verwendet wird, deren Licht durch ein optisches Filter tritt, das aus einem beid­ seitig mit optisch teildurchlässigen Metallschichten, die sowohl als Spiegel als auch als Elektroden dienen, belegten Plättchen aus elektrooptisch aktivem Material besteht, das als Fabry-Perot Interferometer wirkt und dessen Mitten­ frequenz durch Anlegen des Modulationssignals an die beiden Metallschichten moduliert werden kann.