Jste zde

Fotoakustický jev pro skenování, měření i přenos zvuku

Antonín Vojáček, 2. Červen 2019 - 22:46

Tzv. fotoakustický jev je lidstvu známý již od konce 19. století. Nicméně až s rozvojem přesných laserů je možné jej začít využívat pro praktické účely zahrnující široké spektrum aplikací, od tomografie, přes analýzu složení látek a přesné mikroměření, až po optický přenos zvuku prostorem.

Co je fotoakustický jev?

Jako fotoakustický jev se označuje vznik akustických efektů (zvuku) v předmětu v důsledku jeho lokalizovaného periodického zahřívání vyvolaného dopadajícím amplitudově modulovaným světelným zářením. Jednodušeji napsáno: při tzv. fotoakustickém jevu dochází k buzení zvukové vlny optickým zářením dopadajícím na pevnou nebo kapalnou látku. Popsal jej již Graham Bell roce 1880, který si všimnul, že v objektech ozářených přerušovaným slunečním světlem jsou generovány akustické vlny. Nicméně k praktickému využívání tohoto jevu postupně dochází až v souvislosti s rozvojem laserové technologie. Jev nastává v plynných, kapalných i pevných látkách.

Princip fotoakustického jevu

Ozařovaný objekt absorbuje energii světla, přemění ji v teplo, v jehož důsledku vzroste teplota objektu. Zvýšení teploty vede k tepelné expanzi, která vytváří akustický tlak v daném prostředí. Stálá tepelná expanze však akustické vlny nevytváří. Tepelný zdroj musí být časově proměnný. Toho lze dosáhnout impulsy světla nebo amplitudově souvisle modulovaným zářením. Výhodnější jsou impulsy, protože vykazují lepší poměr signál/šum a navíc umožňují určení vzdálenosti zdroje podle časového průběhu signálu.

Následně světelné (elektromagnetické) záření interaguje s látkami obsahují elektricky nabité částice (což jsou prakticky všechny látky) různým způsobem (elastickým rozptylem, Ramanovým rozptylem, absorpcí apod.). Samotná absorpce světelné elektromagnetické energie může tak mít různou formu a může být transformována v teplo, využita jako zdroj energie pro chemické reakce nebo může být reemitována např. ve formě fluorescenčního záření. Pro vznik fotoakustického jevu je důležitá jen ta část absorbované energie, která se přeměnila v teplo. Absorpční schopnost závisí rovněž na řadě faktorů, jako je např. molekulová struktura, iontová hustota, vlastnosti okolního prostředí, vlnová délka světla, jeho polarizace apod. Samotný jev tedy není úplně jednoduché "organizovaně" vyvolat.

Tlaková vlna generovaná fotoakustickým jevem má určité vlastnosti. Mimo jiní hodnota tlaku akustické vlny je přímo úměrná velikosti zdroje a nepřímo úměrná jeho vzdálenosti. Časová šíře signálu z jediného objektu je úměrná jeho velikosti, tzn., že čím menší je objekt, tím generuje vyšší frekvence v fotoakustickém spektru. Ve výsledku tak mohou být generovány akustické vlny o širokém spektru frekvencí a tomu musí být u jejich zachycení, snímání a převod na elektrický signál používány vhodné širokopásmové měniče, dostatečně citlivé v celém frekvenčním pásmu přijímaného předpokládaného signálu. Nejběžněji se však využívá v oblasti ultrazvuku, ale lze jej použít i ve slyšitelné oblasti spektra.

Fotoakustická tomografie (PAT) - bezkontaktní monitorování žil a cév

Fotoakustická tomografie PAT (Photoacoustic Tomography) je nová medicínská zobrazovací metoda založená na fotoakustickém jevu, která například dovoluje s vysokým rozlišením monitorovat a pořizovat vysoce kontrastní snímky "rozvodu" krve v těle, provádět zobrazování hlubších vrstev oka (včetně sítnice, cévnatky a zrakového nervu), nebo spolehlivě vyhledávat rakovinu v prsu prostřednictvím prohledávání cév, protože laserový paprsek může proniknout v prsní tkání až do hloubky 5 cm. V současné době se však víceméně stále jedná o experimentální použití.

Algoritmus fotoakustického zobrazení zahrnuje 3 základní kroky:

generování světla ,
snímání fotoakustických signálů,
tvorbu tomografického obrazu.

Jako generátor světla v současné době vyvíjené fotoakustické systémy se používá pulzních laserů září ve viditelní nebo případně infračerveném spektru s typickou délkou pulsů cca 10 ns. Množství vzniklého tepla je úměrné energetické hustotě ozáření. Například u objektu ozářeného pulsním laserem o vlnové délce 800 nm je hustota odevzdaného tepla 9.10⁴ Jm^-3 a tomu odpovídá tlaková vlna p = 22 kPa.

Pro snímání vzniklých akustických signálů u fotoakustického zobrazování jsou přijímaným signálem ultrazvukové vlny o širokém spektru frekvencí, musí být pro jejich zachycení a převod na elektrický signál používány ultrazvukové měniče, dostatečně citlivé v celém frekvenčním pásmu přijímaného signálu. Přijímací sonda může být tvořena jedním nebo více měniči, jejichž signály jsou synchronně zesíleny.

Z přijatých frekvencí se pak vytváří 2D nebo lze i 3D tomografický obraz, prostřednictvím "zaostřování vzdálenosti" laseru měřením doby letu paprsku. Pro vytváření plošného obrazu jsou světelné impulzy laseru aplikovány s pomocí vláknové optiky opatřené vhodným optickým systémem pro zaměření světelného pulzu do zobrazované linie. Složitější optické systémy pak vysílají světelné impulzy s krokem místo po místu ve směru skenování v zobrazovací rovině. Tím je dosahováno postupné prozařování zobrazované tkáně při tvorbě dvourozměrného obrazu. V případě trojrozměrného zobrazení je zobrazovací rovina před započetím snímání dalšího skenu vždy posunuta o skenovací krok ve směru třetího rozměru. Obrazová frekvence zobrazovacího systému je limitována opakovací frekvencí laserových pulzů a počtem zobrazovacích linií v jednom snímku. Vzhledem k malé dráze, kterou prochází ultrazvukový signál z místa jeho generování k ultrazvukové sondě, není rychlost šíření ultrazvuku překážkou dosažení vyšší obrazové frekvence.

Fotoakustická tomografie zatím stále ve stádiu vývoje a zařízení nejsou zatím komerčně vyráběna. Přesto byly k dané problematice publikovány již stovky prací, které se soustřeďují především na zobrazení tkání laboratorních zvířat, ale již byly publikovány i výsledky skenování cév lidského těla, ať již rukou či prsu.

Fotoakustická spektroskopie PAS - měření složení nebo analýza povrchu

Fotoakustická spektroskopie PAS (Photoacoustic Spectroscopy) je nejdéle používaný systém využívající fotoakustický jev, protože se ve své základní konfiguraci obejde i bez přesných laserových světelných zdrojů. Umožňuje například detekci složení chemikálií, měřit vysoce opticky propustné materiály (plyny) obsahující nepatrné množství absorbující komponenty, měřit optickou absorpci u materiálů s vysokým rozptylem i u látek opticky nepropustných (prášky, amorfní látky, gely, koloidní suspenze aj.), nebo provádět analýzu podpovrchových vrstev bez destrukce vzorku.

Výhodou metody PAS je fakt, že absorpce (úměrná koncentraci) se měří přímo, nikoli vzhledem k pozadí a tím je PAS vysoce přesná.

Při fotoakustické spektroskopii (PAS) se měřený pevný, kapalný nebo plynný vzorek ozařuje modulovaným světlem s předem zvolenou vlnovou délkou. Molekuly plynu pohlcují určitou část světelné energie a přeměňují ji na akustický signál, který je rozpoznáván mikrofonem.

Pokud se frekvence světla shoduje s absorpčním pásmem vzorku materiálu v cele, nejčastěji plynu, pohltí jeho molekuly část světla. Čím vyšší je koncentrace plynu v cele, tím více světla bude pohlceno. Když plyn absorbuje energii, dochází k jeho ohřevu. Tím se rozpíná, čímž narůstá tlak. Jelikož je světlo přerušované, tlak se střídavě zvyšuje a snižuje. Tak se generuje akustický signál, který je následně detekován jedním nebo dvěma mikrofony. Jejich signál se pak dnes obvykle hned digitalizuje v A/D převodníku a digitálně zpracovává, ukládá, vyhodnocuje a zobrazuje.

Fotoakustická mikroskopie PAM - mikrozobrazení a různé měření

Metoda tzv. fotoakustické mikroskopie PAM (Photoacoustic Microscopy) je vhodná pro široké spektru měření a analýzy povrchu pevných materiálů. Využívá se zde faktu, že lze vytvořit a směřovat velmi úzký laserový paprsek na místo o velikosti jen jednotek mikrometrů a vlivem vzniklého fotoakustického jevu pak získávat informace v mikroměřítku.

Mimo získávání vizuální informace podobné konvenční optické mikroskopii (získávané principiálně podobným způsobem jako technologie fotoakustické tomografie PAT), lze navíc také měřit či detekovat mnoho dalších údajů:

lokální optické absorpční spektrum a jeho rozdíly v různých místech povrchu, získávat informace o lokálních tepelných a elastických vlastnostech (detekce vrstevnatých struktur na i pod povrchem)
detekovat fotovoltaické procesy v polovodičových zařízeních (přítomnost zkratů nebo ztrát může být včas a nedestruktivně detekována),
zkoumat fotochemické procesy,
měřit tloušťku tenkých vrstev (analýzou amplitudy a fáze fotoakustického signálu),
stanovit hloubkový profil zkoumaného materiálu (změnou vlnové délky dopadajícího světla nebo změnou modulační frekvence může být měněna hloubka optické penetrace a hloubka, při které je produkován
fotoakustický signál),
apod.

Fotoakustický přenos zvuku bez rušení

Na principu fotoakustického jevu vědci z Massachusettského technologického institutu představili systém pro přenos zvuku, který dokáže pomocí laseru přenášet slyšitelný zvuk opticky ze zdroje přímo do lidského ucha nebo i jeho okolí.

Zvuková informace je pulsně zamodulována do nízkovýkonového laserového světelného paprsku, který dopadá na lidské ucho (případně jeho blízké okolí). Pohybujícím se povrchem střídavě rychle zahřívané a ochlazované plošky kam laserový paprsek dopadá se zpětně generují zvukové vlny. Místo pevné plošky ale mohou posloužit i molekuly vodní páry apod. Na straně příjemce přitom není potřeba mít žádné zařízení a nevadí ani okolní hluk. Pokud tedy se použije jen úzký laserový paprsek naváděný přímo jen na konkrétního člověka, tak z principu funkce přenášený zvuk uslyší pouze adresát a nikdo jiný v okolí.

Přenos je tak odolný i proti zvukovému velkému šum okolí a to nejen vedle daného "příjemce" zvuku, ale i prý i v případě, že někdo se postaví do cesty laserovému paprsku. V systému se prý pracuje také s funkcí tzv. „zaostření“, kde na základě měřené vzdálenosti cílového posluchače je paprsek generován vždy tak, aby byl slyšet je na stanovené vzdálenosti od vysílače. Díky velmi nízkému vyzařovanému výkonu světelného paprsku nehrozí jakékoliv poškození lidského těla jak pro kůži, včetně dlouhodobému vystavení paprsku, tak i pro případný "přímý zásah" očí .

Vědci při praktickém experimentu použily dva rozdílné lasery (Thulium, 1,9 mikrometru), které jsou zaměřené na jiné frekvence, jež je nutné v konečné fázi vytvořit. Aby systém v této fázi fungoval, museli vědci zvlhčit místo, kde se má „virtuální reproduktor“ vytvořit, aby se na daném místě vyskytovalo větší množství vodních molekul. Frekvence laserů byly nastavené právě pro lepší interakci s vodou, která ho absorbuje a vytváří fotoakustický jev pomocí techniky DPAS (Dynamic Photoacoustic Spectroscopy). S pokročilejším řešením však prý již nebude nutná žádná dodatečná vodní pára, protože vzduch v běžném okolí má vždy určitou vlhkost a obsahuje dostatek vodních molekul, aby systém spolehlivě fungoval.

Závěr

Zdá se, že v budoucnu se objeví dalších mnoho dalších aplikací využívající fotoakustický jev, které dobře poslouží i jako základ dalším měřícím či výrobním technologiím. Například jej využít jako specializovaný přesný generátor ultrazvuku, například pro generování ultrazvukových vln přesně konkrétního definovaného tvaru či směru, což se již v laboratořích již také povedlo realizovat.