Автореферат (Световоды с активно формируемыми характеристиками для генерации сверхкоротких световых импульсов и флуоресцентного зондирования), страница 6

Параметры волоконного эндоскопа: сердцевина ρ = 9 мкм,NA = 0.16, сбор оболочкой с ρ = 60 мкм, NA = 0.6. Коэффициент рассеянияµS ≈ 11 мм-1 для лазерного излучения 532 нм и µS ≈ 6 мм-1 для 1064 нм.го была построена экспериментальная схема, обеспечивающая последовательное однофотонное и двухфотонное возбуждение модельного люминофора –флуоресцентных маркеров на основе частиц алмаза с дефектами типа «азотвакансия». Для накачки использовалось излучение лазеров на длине волны 1040нм и 532 нм. В качестве волоконных зондов использовались стандартное телекоммуникационное волокно с диаметром сердцевины 9 мкм, МС волокно с диаметром сердцевины 2.5 мкм и числовой апертурой 0.6 и телекоммуникационноеволокно с диаметром сердцевины 9 мкм, имеющее возможность сбора излученияпри помощи оболочки диаметром 120 мкм.Для количественной оценки уменьшения характерной глубины сбораволоконно-оптического зондирования в режиме двухфотонного поглощения21были, аналогично однофотонному случаю, построены зависимости функции,характеризующей локальность и эффективность сбора, от координат.

Расчётывыполнялись как в случае отсутствия рассеяния, так и для сильно рассеивающей среды. В результате было показано, что, несмотря на большой диаметрсердцевины, по которой осуществляется возбуждение, и оболочки, собирающей флуоресцентный отклик, достигается сильное ограничение области сбораволоконно-оптического зондирования.

Таким образом, двухфотонное возбуждение флуоресценции позволяет существенно повысить локальность волоконнооптического зондирования. Было также выполнено сравнение расчётных данныхс экспериментом.По результатам проведённых исследований была показана возможностьобъединения в одном микроструктурированном волокне преимуществ, обусловленных малым диаметром сердцевины и высокой числовой апертурой.

Микроструктурированные световоды с двойной оболочкой обеспечивают дополнительный выигрыш эффективности волоконного сбора флуоресцентного сигнала всхемах линейной и нелинейной флуоресцентной микроскопии без потери локальности оптического возбуждения и пространственного разрешения.Во втором параграфе описывается оптическая система для проведенияспектро-, микро- и эндоскопии когерентного комбинационного рассеяния светана базе лазерного генератора сверхкоротких импульсов, использующая оптическое волокно с активно формируемыми характеристиками для их доставки к цели.

Отличительной особенностью этой системы является возможность использования как спектрально ограниченных, так и модулированных по фазе импульсовбез изменения других параметров.В исследованиях по фемтосекундной микроспектроскопии комбинационного рассеяния света длина волны накачки составляла 824 нм, а стоксово излучение перестраивалось в диапазоне от 1040 до 1200 нм.

При использованииспектрально ограниченных испульсов длительностью около 160 фс был реализован классический подход сканирования стоксовой волны по частоте. В такомслучае спектральное разрешение методики не лучше 100 см-1 , что не позволяетдостоверно различать спектры близких по химическому составу веществ.При использовании модулированных по фазе импульсов длительность импульсов накачки и стокса составляла, соответственно, 3.7 и 3.2 пс.

Оба импульса имели одинаковый чирп 2.9 пс-2 , сформированный с помощью решёточных стретчеров. Изменяя расстояние между дифракционными решётками, можно управлять наведённым линейным чирпом, таким образом подстраивая спектральное разрешение как под задачи быстрой визуализации веществ с широкимилиниями, так и спектрального разделения компонент с перекрывающимися резонансами. Спектральное разрешение при этом, при условии идеальной линейноймодуляции, составляет 6.1 см-1 .

Таким образом, аккуратное управление фазойимпульсов позволило повысить его приблизительно в 17 раз со 100 см-1 до 6 см-1 ,что позволяет достоверно различать такие схожие материалы, как полистирол итолуол, отличающиеся всего одним атомом углерода, по ВКР-спектру (рис. 8а).22Интенсивность, отн.ед.10.80.60.40.202 8002 9003 0003 100Спектральный сдвиг, см−1(а)(б)Рис. 8: (а) ВКР-спектры высокого разрешения полистирола (зеленая линия) и толуола (синяя). Погрешность измерений мала по сравнению с масштабом графика.

(б) Экспериментально измеренные относительные концентрации химическихвеществ по спектру ВКР. Восстановленные по спектрам (заполненные кружки)и ожидаемые (полые кружки) относительные концентрации компонент смесей.За счёт столь высокого спектрального разрешения методики появляетсявозможность дискриминации компонент в смеси ацетона, толуола и изопропанола, комбинационные спектры которых перекрываются на частотах около 2900см-1 . Для этого записываются опорные спектры составляющих веществ и спектры смесей. Восстановление концентраций осуществлялось по методу анализаглавных компонент.

Полученные в результате значения восстановленных концентраций имеют отклонения от ожидаемых не более чем на 4% при объёме смеси всего 16 фемтолитров (рис. 8б).Также был выполнен анализ границ чувствительности методик КАРСи ВКР-микроскопии. Предельно малую концентрацию вещества, которую ещёможно зарегистрировать, можно оценить из соотношения сигнал-шум S/N ≡ 1,где S = i2sig - квадрат тока полезного сигнала в системе регистрации, N =222σbg+ σT2 + σsh– дисперсия тока вследствие флуктуации фона σbg, а также тепло22вого σT и дробового σsh шумов детектора.

Главным ограничением чувствительность методики КАРС являются шумы лазера, которые транслируются в шумыгенерирующегося нерезонансного фона. Оценка предельной чувствительностиметодики даёт 2 мМ (ммоль/л).С другой стороны, методика ВКР-спектроскопии с использованием модулированной по амплитуде на радиочастоте одной из волн накачки практическисвободна от фона, что позволяет проводить измерения, ограниченные только шумами детектирующей аппаратуры.

В этом случае предельная чувствительностьпри визуализации белков и липидов, насыщенных СН-группами, находится науровне 6 µМ и около 40 µМ при исследовании спектров молекул в области от23печатков пальцев. Эти результаты, однако, не учитывают фон, связанный с двухфотонным поглощением. Он ограничивает чувствительность микроскопии ВКР,что можно учесть в расчётах в виде обладающего шумами лазера фона. Эти шумы в биотканях могут на два порядка превышать внутренние шумы системы детектирования и ограничивают предельную чувствительность на уровне 350 и 500µМ при зондировании группы СН-колебаний и резонансов области отпечатковпальцев, соответственно.Выполненные исследования демонстрируют высокое спектральное разрешение предложенной лазерной системы при использовании управляемых по фазе широкополосных импульсов, достигающее значений не хуже 10 см-1 .

Подобная точность позволяет различать вещества, химические формулы которых отличаются только одним атомом углерода. Также становится возможным восстановление концентраций составных частей смесей крайне малых объёмов с отклонением от точного значения, не превышающим 4%.

Кроме того, была определена предельная чувствительность КАРС- (2 мМ) и ВКР-микроспектроскопии призондировании группы CH-колебаний (350 µM) и резонансов области отпечатковпальцев (500 µM).В заключении приведены основные результаты работы, которые заключаются в следующем:1. На основе результатов численного моделирования распространения лазерного излучения с центральной длиной волны в среднем инфракрасном диапазоне длин волн в фотонно-кристаллическом халькогенидномволокне и последующей компенсации нелинейного набега фазы с помощью нелинейного кристалла CaF2 показано, что солитонные режимы спектрально-временного преобразования световых импульсов в подобных волокнах позволяют осуществить солитонную компрессию импульсов до длительностей около одного периода поля.

Для импульсовдлительностью порядка 100 фс субкиловаттного уровня пиковой мощности в диапазоне длин волн 3.4 – 3.7 мкм после сжатия были полученыимпульсы длительностью около 10 фс.2. Проведён теоретический анализ селективного возбуждения, когерентное управление и спектрохронографический анализ аттосекундной динамики 6р-подоболочки атома ксенона за счёт использования световыхимпульсов со сверхшироким спектром и активно формируемой фазой,перекрывающих диапазон длин волн от 140 до 970 нм.3. По результатам проведённых исследований была показана возможность объединения в одном микроструктурированном волокне преимуществ, обусловленных малым диаметром сердцевины и высокой числовой апертурой.

Микроструктурированные световоды с двойной оболочкой обеспечивают дополнительный выигрыш эффективности волоконного сбора флуоресцентного сигнала в схемах линейной и нелинейнойфлуоресцентной микроскопии без потери локальности оптического возбуждения и пространственного разрешения.244. Выполнен теоретический расчёт характерной глубины сбора люминесцентного отклика в условиях рассеивающей и не рассеивающей среды,показавший отсутствие влияния этого свойства на возможность адресоваться к предельно малым областям, в которых характерный размер области сильно меньше длины рассеяния.