Лазерная диагностика сильнорассеивающих сред и изменение их оптических свойств путем имплантации наночастиц

На правах рукописиПопов Алексей ПетровичЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА СИЛЬНОРАССЕИВАЮЩИХ СРЕДИ ИЗМЕНЕНИЕ ИХ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВПУТЕМ ИМПЛАНТАЦИИ НАНОЧАСТИЦСпециальность: 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2006Работа выполнена на физическом факультете Московского государственногоуниверситета им. М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель :кандидат физико-математических наук,доцент А.В. ПриезжевОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор В.В.

Тучинкандидат физико-математических наук,старший научный сотрудник Л.П. БассВедущая организация – Центр естественнонаучных исследований Институтаобщей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наукЗащита состоится “18” мая 2006 г. в 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 в МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу:119992, Москва, ул. Акад. Хохлова, д.1, КНО, аудитория им. С.А. АхмановаС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУим.

М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан “14” апреля 2006 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физ.-мат. наук, доцентТ.М. ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследований. Лазерная диагностика сред с сильнымсветорассеянием является актуальной задачей. Особенно важным являетсяосуществление неразрушающей диагностики, позволяющей делать заключение обизменении свойств исследуемого объекта без необратимых последствий дляпоследнего. Преимуществами лазерных методов являются, с одной стороны,неионизирующий характер излучения, с другой - достаточно малая длина волны,что позволяет, например, получать в рассеянном поле важную информацию осубмикронных включениях в исследуемой среде или объекте.

Использованиесверхкоротких лазерных импульсов дает, в частности, возможность наблюденияза быстропротекающими процессами с характерными временами, лежащими всубпикосекундном диапазоне, что важно, например, для исследований в биологиии медицине. Для диагностики сред с сильным рассеянием получили развитиеразличные оптические методы, как с использованием непрерывного, так иимпульсного излучения. К первым относятся, например, оптическая когерентнаятомография, гониофотометрия, а ко второму – лазерная импульснаявремяпролетная фотометрия. В качестве примеров можно привести задачиопределения содержания глюкозы и оксигенации крови в тканях человека in vivo,диагностики качества бумаги непосредственно в процессе ее производства.Многие биоткани (в частности, кожа) служат хорошей иллюстрацией сред ссильным рассеянием. Работа с ними ведется в разных диапазонах длин волн, чтоопределяется целями исследований.

Для диагностики биотканей частоиспользуется лазерное излучение, длины волн которого находятся в такназываемом “диагностическом окне”, т.е. в диапазоне 630-1500 нм,расположенном между областями сильного поглощения гемоглобина и воды. Наэтих длинах волн взаимодействие биотканей с излучением обусловлено, в первуюочередь, рассеянием. Изменение содержания составляющих биотканикомпонентов (в частности, глюкозы) влияет на рассеивающие свойствабиологической ткани. Распространение излучения в биотканях описываетсятеорией переноса излучения и часто носит характер многократного рассеяния. Изза сложности решения основного уравнения этой теории применяются различныеупрощения, а также ряд методов численного моделирования.

Одним из такихметодов является метод Монте-Карло, преимуществом которого являетсявозможность учета особенностей внутренней структуры образца, а недостатком большие временные затраты, однако эта проблема теряет остроту с развитиемвычислительной техники.Диагностика сред с сильным рассеянием позволяет отслеживать изменениеих оптических свойств, которые, в случае необходимости, можно изменять,например, путем введения определенных веществ, влияющих на пропускание,отражение и поглощение излучения исследуемой средой. В качестве примераможно привести просветление покровных тканей для задачи диагностикивнутренних органов или придание блеска бумаге.

Для изменения оптическихсвойств часто используются частицы из металла, полупроводника илидиэлектрика, размеры которых лежат в микро- и нанометровом диапазоне.Определение размеров частиц, наиболее эффективно ослабляющих УФизлучение, например, при его распространении в коже является актуальнойзадачей.Цель диссертационной работы – разработка методов лазернойдиагностики сред с сильным рассеянием на примере лазерной времяпролетнойдиагностики содержания глюкозы в модельных средах, имитирующих кожу, иопределение размеров наночастиц диоксида титана, имплантированных в кожу,которые наиболее эффективно ослабляют излучение УФ-диапазона.Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:1разработанчисленныйметодрасчетараспространениясверхкороткого лазерного импульса в среде с сильнымсветорассеянием;2исследована возможность регистрации параметров рассеянного впереднее полупространство импульса в зависимости от оптическихсвойств и геометрических параметров среды, а также отдлительности зондирующего импульса;3исследовано распределение интенсивностей баллистического идиффузного компонентов рассеянного импульса по кратностирассеяния, а также распределение интенсивностей поглощенного ирассеянного внутри среды излучения при различных оптическихпараметрах этой среды;4изучена возможность использования сверхкоротких лазерныхимпульсов для диагностики сред с сильным рассеянием на примересреды, имитирующей кожу с разной концентрацией глюкозы;определеныпараметрырассеянногоимпульса,наиболеечувствительные для мониторинга изменений содержания глюкозыв физиологическом диапазоне концентраций;5исследована возможность применения наночастиц для измененияоптических свойств сред с сильным рассеянием на примере частицдиоксида титана в коже;6разработана методика определения размеров наночастиц, наиболееэффективно ослабляющих УФ-излучение при его распространениив среде, имитирующей кожу человека, а также метод расчетапропускания, отражения и поглощения света в среде снаночастицами.Научная новизна работы:6впервые показана возможность использования сверхкороткихлазерных импульсов для диагностики сред с сильнымсветорассеянием на примере детектирования содержания глюкозыв средах, имитирующих ткани человека;7впервые показано, что наиболее чувствительной к изменениюуровня глюкозы в физиологическом диапазоне является энергияимпульса при детектировании излучения, рассеянного в заднееполупространство;8впервые разработана методика, позволяющая оценить размерчастиц, наиболее эффективно ослабляющих излучение на примеренаночастиц диоксида титана, имплантированных в верхний слойкожи, и падающего УФ-излучения.Практическая значимость работы состоит в том, что проведенныеисследования расширяют возможности неразрушающей оптической диагностикисильнорассеивающих (в частности, биологических) сред с использованиемсверхкоротких лазерных импульсов; повышают эффективность существующихметодов и открывают новые возможности изменения оптических свойств такихсред при имплантации наночастиц.Достоверность представленных научных результатов обусловлена тем,что они получены на основе апробированных и аттестованных Государственнойслужбой стандартных справочных данных (ГСССД) методик расчета иподтверждаются соответствием результатам, которые получены другимиисследователями и опубликованы в мировой научной литературе.Положения, выносимые на защиту:1.

Сверхкороткие лазерные импульсы могут быть эффективныминструментом диагностики изменения содержания глюкозы в средах,имитирующих человеческие ткани, причем наиболее чувствительнымпараметром импульса являются его энергия при детектированииизлучения, рассеянного в заднее полупространство.2. Размер наночастиц, наиболее эффективно ослабляющих излучение приего распространении в среде, определяется положением максимумазависимости безразмерного сечения экстинкции, отнесенного кдиаметру, от размера частиц.3. При равномерном распределении наночастиц диоксида титана размером25-200 нм с объемной концентрацией 1% в 1-мкм приповерхностномслое среды, моделирующей роговой слой кожи (полная толщина – 20мкм), основной вклад в ослабление излучения в роговом слое во всемУФ-диапазоне вносит поглощение.Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывалисьавтором на следующих научных конференциях: Международная конференциястудентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» (Москва,Россия, 2002, 2003), European Workshop on Biomedical Optics “Biophotonics”(Ираклион, Греция, 2002), Saratov Fall Meeting (Саратов, Россия, 2002, 2003,2004), Northern Optics (Хельсинки, Финляндия, 2003), Advanced LaserTechnologies (Крэнфилд, Великобритания, 2003), Российско-финский семинар пофотонике и лазерам (Саратов, Россия, 2003), Topical Meeting on Optical Sensingand Artificial Vision (Санкт-Петербург, Россия, 2004), Photonics West (Сан-Хосе,США, 2004, 2005, 2006), Optics Days (Турку, Финляндия, 2004), Advanced LaserTechnologies (Рим, Италия, 2004), Photonics North (Оттава, Канада, 2004), Финскороссийский семинар по фотонике и лазерам (Каяни, Финляндия, 2005),Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO/LAT(Санкт-Петербург, Россия, 2005), European Conference on Biomedical Optics(Мюнхен, Германия, 2005), Advanced Laser Technologies (Тяньцзинь, Китай,2005).Публикации.