Development of narrow-bandwidth filters for the suppression of scattered light for optical and ultrasound analysis of tissue

Abstract

Ultrasound-modulated optical tomography (UOT) is a proposed diagnostic technique with potential as a means of discovering cancerous tumours. The technique combines ultrasound and laser radiation to probe tissue in a non-invasive, harmless way. An important aspect in UOT is the ability to distinguish the probing light from background scattered light generated by the technique, which limits its resolution and usefulness. In this thesis work, spectrally hole-burned Pr3+:Y2SiO5 crystals are used as spectral filters to block out the background light. Thus, the resolution depends on the filters, which this thesis work has aimed to improve.
As part of this work, simulations and experiments were performed to increase the ratio between transmission inside the spectral hole and attenuation outside it for such hole-burned crystals. This was done both by optimizing the pulse shape of the hole-burning pulses and by burning and probing the structure with different polarizations of light. As light polarized along the different axes of the biaxial crystal have different absorption coefficients, the response to the burning pulses varies with polarization.
The simulations showed that burning the hole with a weakly absorbed polarization and probing it with a strongly absorbed one produces sharper and more uniform spectral holes than burning and probing with the same polarization does. A set of optimal pulse parameters were also found. In the experiments, an attenuation of approximately 53 dB was found when comparing filtered light at the centre frequency of the spectral hole to filtered light with a 2 MHz higher frequency. The results corresponded to an absorption coefficient outside the spectral hole of approximately 20 cm-1 for both polarizations tested, falling short of the given literature value of 47 cm-1. A number of potential reasons are given, as well as several suggestions for future improvements. Still, the attenuation achieved improved upon previous results as presented by Zhang et al.1 (2012), which was the main objective of the thesis.

Popular Abstract (Swedish)

Ljud och ljus för att upptäcka cancer
En märklig kombination, kan man kanske tycka, men i den teknik som kallas ultraljudsmodulerad optisk tomografi (UOT) är det just ljud och ljus, specifikt ultraljud och laserljus, som kombineras. I korta ordalag går tekniken ut på att man skickar in en kort ultraljudssignal i kroppen, varpå man direkt skickar in laserljus från ett annat håll. När de två krockar inne i kroppen ändras ljusets färg, om än väldigt lite. När ljuset sprids inne i kroppen stöter en liten del av det på ultraljudet, och skiftar därmed färg. På så vis vet man att det skiftade ljuset kommer från den plats i kroppen där ljus och ljud krockar, vilken man kan bestämma genom att ändra timingen mellan ljus- och ljudpulserna.
Genom att sålla bort allt ljus av den ursprungliga färgen, kan man titta på genomsläppligheten av ljus i just den del av kroppen man väljer att undersöka. Om man hittar något som inte ser rätt ut, kan man alltså veta var i kroppen det är.
Att sålla fram bara det skiftade ljuset är dock svårt, eftersom det oskiftade ljuset är mycket starkare och skillnaden i färg mellan det skiftade och det oskiftade ljuset är så liten. Därför krävs det speciella filter som kan blockera ljus med den gamla färgen och samtidigt släppa igenom det med den nya färgen. Min uppsats handlar om just sådana filter och arbetet med att göra dem så bra att UOT-tekniken skulle kunna användas i praktiken.
Filtren i fråga är en sorts kristaller som ser ut som en bit genomskinligt glas, men som blockerar ljus av både den gamla och den nya färgen. För att kunna göra dem till fungerande filter, måste man först få dem att sluta blockera ljus med den nya färgen. Detta görs med hjälp av laserljus som redan har den nya färgen. Man lyser på kristallen med laserljuset, vilket får atomerna i kristallen att ställa om sig till att istället blockera andra färger. När man väl har gjort det, stoppar kristallerna fortfarande det mesta ljuset med den gamla färgen, men har slutat att stoppa den nya färgen. Så länge kristallerna förblir i det tillståndet kan de fungera som filter. Dock varar inte detta tillstånd för evigt, men vid en låg temperatur (cirka -270°C) och med hjälp av magnetiska fält kan man åtminstone förlänga tiden som kristallerna fungerar som filter.
Uppsatsens syfte har varit att förbättra dessa filters förmåga att blockera den gamla färgen så mycket som möjligt och samtidigt släppa igenom så mycket som möjligt av ljuset med den nya skiftade färgen. Både datorsimuleringar och experiment har använts för att undersöka hur filtren kan göras bättre genom att ändra på laserljuset som används för att förbereda filter-kristallerna. Genom att ändra laserljuset på olika sätt uppnåddes en skillnad i genomsläpplighet på mer än 100000 gånger mellan ljuset med den nya och den gamla färgen.
Skillnaden kan göras ännu bättre, men redan de här resultaten visar på hur användbara den här sortens filter kan bli.

• author: Dalsbecker, Philip
• supervisor: Lars Rippe
• organization: Atomic Physics; Department of Physics
• course: FYSM31 20151
• year: 2015
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: biophotonics, Maxwell-Bloch equations, tissue, ultrasound, Ultrasound-modulated optical tomography, UOT
• publication/series: Lund Reports on Atomic Physics
• report number: LRAP-502
• other publication id: LRAP-502
• language: English
• id: 7869178
• date added to LUP: 2015-09-17 20:41:51
• date last changed: 2015-09-17 20:41:51