Entwicklung elektro-optisch abstimmbarer Fabry-Pérot Ultraschallsensoren für biomedizische photoakustische Bildgebung mit hoher Bildrate
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurden die Technologien und Methoden für eine schnelle und rein optische Ultraschallfeldmessung entwickelt. Die Detektionstechnologie beruht auf einem Fabry-Perot Polymerfilmsenor, dessen optische Schichtdicke mit Hilfe von elektro-optisch abstimmbarer Polymermaterialien unter Einwirkung einer externen Spannung so justiert werden können, dass der Sensor stets mit maximaler Empfindlichkeit ausgelesen werden kann. Des Weiteren wurden Methoden entwickelt, um die Homogenität der Schichtdicke des Interferometers zu maximieren. Der Grund hierfür ist, dass ein weitflächig planarer und mit gleicher Schickdicke ausgestatteter Fabry-Perot-Sensor mit einem aufgeweiteten, kollimierten Laserstrahl und einer Kamera ausgelesen werden kann. Dies hat im Vergleich zu konventionellen Rasterscanmethoden, welche für die Erfassung eines 3D-Bildes mehrere Minuten benötigen, das Potential, eine schnelle 3D-Bilderfassung innerhalb von wenigen Sekunden zu ermöglichen. Die Entwicklung der hierfür notwendigen Instrumente, Software und Methoden waren ebenfalls ein Bestandteil dieses Projektes, welches in einer Kooperation zwischen der TH Wildau und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg durchgeführt wurde. Maßgebliche Fortschritte wurden in der Herstellung elektro-optische Polymere gemacht, welche auf dem Prinzip des sog. Guest-host-Materials beruhten. Polymermaterialien wurden mit elektro-optisch aktiven Farbstoffen gemischt und als dünne Folien auf Substraten abgeschieden. Die Polymerfolien wurden dann elektrisch gepolt, d.h. die Farbstoffe richteten sich in einem externen Feld bei erhöhter Temperatur aus. Nach Abkühlen waren die Moleküle in ihrer Orientierung eingefroren und das Material zeigte nun eine Änderung im Brechungsindex bei externer Spannung. Mit diesen elektro-optischen Polymeren wurden nun Fabry-Perot- Sensoren hergestellt, deren Arbeitspunkt elektrisch abgestimmt werden konnte. Diese Sensoren sind interessant für Anwendungen in der biomedizinischen Bildgebung und im Bereich der Ultraschallmetrologie. Der Einsatz von Sensoren mit homogenisierter optischer Schichtdicke in einem photoakustischen Scanner ermöglichte die Demonstration der parallelisierten Detektion von Ultraschall- und PA-Signalen, was einen wichtigen Schritt hin zu Tomographen mit hohen 3D-Bildraten darstellt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Evaluation of Fabry-Perot polymer film sensors made using hard dielectric mirror deposition," Proc. SPIE 9708, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2016, 970856 (15 March 2016)
Jens Buchmann, Edward Zhang, Chris Scharfenorth, Bastian Spannekrebs, Claus Villringer, Jan Laufer
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"Characterization and modeling of Fabry–Perot ultrasound sensors with hard dielectric mirrors for photoacoustic imaging," Applied Optics 56, 5039-5046 (2017)
Jens Buchmann, James Guggenheim, Edward Zhang, Chris Scharfenorth, Bastian Spannekrebs, Claus Villringer, and Jan Laufer
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"Development of tunable Fabry-Pérot polymer film sensors for parellelised photoacoustic signal acquisition (Conference Presentation)," Proc. SPIE 10494, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2018, 1049421 (15 March 2018)
Claus Villringer, Taravat Saeb Gilani, Sara Gehauf, Clemens Wiedenhöft, Patrick Steglich, Silvio Pulwer, Maria Richetta, Sigurd Schrader, Jan Laufer
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"Parallelised photoacoustic signal acquisition using a Fabry-Perot sensor and a camera-based interrogation scheme," Proc. SPIE 10494, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2018, 1049431 (20 February 2018)
T. Saeb Gilani, C. Villringer, E. Zhang, H. Gundlach, J. Buchmann, S. Schrader, J. Laufer
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“Quadratic electro-optic effect in silicon-organic hybrid slot-waveguides.” Opt. Lett., OL 43 (15), S. 3598–3601. (2018)
Steglich, Patrick; Mai, Christian; Villringer, Claus; Pulwer, Silvio; Casalboni, Mauro; Schrader, Sigurd; Mai, Andreas
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"Development of a backward-mode photoacoustic microscope using a Fabry-Pérot sensor," Proc. SPIE 10878, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2019, 108786L (6 March 2019)
Ulrike Pohle, Elisabeth Baumann, Silvio Pulwer, Claus Villringer, Edward Zhang, Holger Gerhardt, Jan Laufer
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"Development of tuneable Fabry-Pérot sensors for parallelised photoacoustic signal acquisition," Proc. SPIE 10878, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2019, 108780M (8 March 2019)
Claus Villringer, Taravat S. Gilani, Edward Zhang, Silvio Pulwer, Patrick Steglich, Sigurd Schrader, Jan Laufer
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(2019): On-Chip Dispersion Measurement of the Quadratic Electro-Optic Effect in Nonlinear Optical Polymers Using a Photonic Integrated Circuit Technology. IEEE Photonics J. 11 (3), S. 1–10
Steglich, Patrick; Villringer, Claus; Dietzel, Birgit; Mai, Christian; Schrader, Sigurd; Casalboni, Mauro; Mai, Andreas
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(2020): Direct observation and simultaneous use of linear and quadratic electro-optical effects. J. Phys. D: Appl. Phys. 53 (12), S. 125106
Steglich, Patrick; Mai, Christian; Villringer, Claus; Mai, Andreas
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(2020): Electric Field-Induced Linear Electro-Optic Effect Observed in Silicon-Organic Hybrid Ring Resonator. IEEE Photon. Technol. Lett. 32 (9), S. 526–529
Steglich, Patrick; Villringer, Claus; Dietzel, Birgit; Mai, Christian; Schrader, Sigurd; Casalboni, Mauro; Mai, Andreas
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(2021): Silicon-organic hybrid photonics: Overview of recent advances, electro-optical effects and CMOS-integration concepts. J. Phys. Photonics 3 (2), S. 22009
Steglich, Patrick; Mai, Christian; Villringer, Claus; Dietzel, Birgit; Bondarenko, Siegfried; Ksianzou, Viachaslau et al.
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„A backward-mode optical-resolution photoacoustic microscope for 3D imaging using a planar Fabry-Pérot sensor,” Photoacoustics (2021), 100293
Elisabeth Baumann, Ulrike Pohle, Edward Zhang, Thomas Allen, Claus Villringer, Silvio Pulwer, Holger Gerhardt, Jan Laufer
