Диссертация (1025280), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Разработка экспериментального комплекса для исследованиятерагерцовых диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivoДля исследования терагерцовых диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo разработан экспериментальный комплекс, включающий портативный терагерцовый импульсныйспектрометр, оснастку для позиционирования и визуализации исследуемого образца, а также программное обеспечение, реализующее новый многоканальный метод решения обратной задачи терагерцовой импульсной спектро-101скопии.Принципиальная схема экспериментального комплекса представлена наРис. 3.1.
Так как биологические ткани, в том числе ткани организма человекаin vivo, характеризуются существенным поглощением терагерцового излучения, измерение диэлектрической проницаемости образца осуществляется наоснове анализа параметров отраженного от его поверхности излучения. Всоответствии с результатами выбора оптимальных комбинаций генератораи детектора для построения импульсного спектрометра (таблица 2), предназначенного для исследования спектральных характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo, в рассматриваемой системегенерация импульсов терагерцового излучения осуществляется в фотопроводящей антенне на базе LT-GaAs, а когерентная регистрация ҫ в электрооптическом детекторе на основе кристалла ZnTe.
Источником ультракороткихлазерных импульсов оптического диапазона, длительность которых составляет 80, 0 фс, а частота следования ҫ 50, 0 МГц, является волоконный Yb-лазер,работающий на второй гармонике (λ ≃ 800 нм). Подобная схема терагерцового импульсного спектрометра описывалась в работах [67, 69, 70, 74].Как показано на Рис. 3.1, пучок излучения фемтосекундного лазера,падая на светоделитель, разделяется на две части ҫ пучок накачки и пробный пучок, причем пучок накачки имеет большую интенсивность. Ультракороткие импульсы пучка накачки фокусируются оптической системой надиэлектрической подложке фотопроводящей антенны.
Каждый оптическийимпульс участвует в генерации соответствующего ему импульса терагерцового излучения. Частота следования тергерцовых импульсов совпадает с частотой фемтосекундных импульсов, при этом оптический импульс имеет существенно меньшую длительность по сравнению с терагерцовым. Терагерцовоеизлучение модулируется огибающей с частотой ∼ 100 кГц за счет переменного напряжения питания фотопроводящей антенны. Пучок терагерцовогоизлучения проходит через измерительную кювету спектрометра и фокусируется на поверхности образца позади опорного окна. Отраженное от образцаизлучение попадает в ячейку Поккельса электрооптического детектора набазе кристалла ZnTe одновременно с импульсами пробного лазерного пучка,прошедшими механическую ветвь задержки и поляризатор.
При распространении линейно поляризованного оптического излучения через электроопти-102ФСДЗз1З1Ф( )З1З5З2THz BeamЗ4( )З7З6ЭЗ3( )Ф 1f’in vivoЗ10Ф 2λ/4ГnSОЗ2З9З82Рис. 3.1. Схема экспериментального комплекса для исследований терагерцовых диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo:ФС лазер ҫ фемтосекундный волоконный лазер, СД ҫоптический светоделитель, ТГЦ СД ҫ терагерцовый светоделитель из высокорезистивного кремния (HRFZ-Si),ФПА ҫ фотопроводящая антенна, Л1 и Л2 ҫ оптические линзы, ТГЦ Л ҫ терагерцовая линза из полиметилпентена (TPX), З1ҫЗ10 ҫ плоские золотые зеркала,ПЗ1 и ПЗ2 ҫ внеосевые параболические зеркала, П ҫ поляризатор оптического излучения.
Области (а), (б) и (в)иллюстрируют процесс регистрации сигналов Em , Er и Esческий кристалл одновременно с терагерцовым излучением наведенное терагерцовым полем двулучепреломление приводит к преобразованию линейнойполяризации оптического излучения в слабо эллиптическую.Четвертьволновая пластинка (λ/4) позволяет преобразовать слабоэллиптическую или линейную (в случае отсутствия терагерцового поля) поляризацию лазерного излучения в эллиптическую или циркулярную, соот-103ветственно.
Призма Волластона служит для пространственного разделениядвух ортогонально поляризованных компонент оптического излучения. Излучение с различными поляризациями детектируется балансной схемой фотодетекторов, при этом разность между интенсивностями двух ортогонально поляризованных компонент оптического излучения пропорциональна напряженности электрического поля терагерцового излучения в момент времени, соответствующий текущей задержке пробного фемтосекундного импульса относительно фемтосекундного импульса накачки. Так как частотаследования фемтосекундных лазерных импульсов высока по сравнению с постоянной времени фотодетекторов, то оптическое излучение можно считатьквази-непрерывным.
За счет задержки пробного оптического импульса относительно оптического импульса накачки в механической ветви задержки, аследовательно, и относительно детектируемого терагерцового импульса можно осуществлять стробирование терагерцового поля в различные моментывремени, регистрируя временной профиль напряженности поля E (t).Внешний вид портативного программно-аппаратного комплекса показан на Рис. 3.2. Система состоит из двух основных компонент: 1 ҫ портативного терагерцового импульсного спектрометра zOmega microZ и 2 ҫ оснастки для измерения образцов сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo.
Необходимо отметить, что в отличие от принципиальной схемыпрограммно-аппаратного комплекса в спектрометре zOmega microZ ветвь механической задержки пробного лазерного пучка основана на вращающемсязеркальном барабане, позволяющем регистрировать сигналы образца с частотой до 400 Гц. Рабочий спектральный диапазон системы простирается от0, 1 до 2, 5 ТГц. Спектральное разрешение составляет 0, 02 ТГц.На Рис. 3.3 представлены трехмерная модель и фотографии оснасткидля позиционирования исследуемого образца сильно поглощающей среды ибиологической ткани in vivo.
В ходе измерений образец прислоняется к опорному окну из высокоомного кристаллического кварца. Приставка позволяетфиксировать исследуемый образец относительно спектрометра, причем граница раздела между опорным окном и образцом совпадает с фокальной плоскостью терагерцового пучка (Рис. 3.1 и 3.3). Приставка оснащена видеокамерой (Рис. 3.3 (4)), позволяющей регистрировать изображения исследуемогообъекта в видимой области спектра, а также оптическим лазерным маркером10412Рис. 3.2.
Фотография экспериментального комплекса для исследования терагерцовых спектральных характеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo:1 ҫ портативный терагерцовый импульсный спектрометрzOmega MiniZ; 2 ҫ оснастка для позиционирования исследуемого образца(Рис. 3.3 (7)), указывающим оператору область фокусировки терагерцовогопучка на задней поверхности опорного окна (Рис. 3.3 (2)). Оптические осипучка излучения лазерного маркера, терагерцового пучка и пучка камерыпоказаны на Рис.
3.3 (б) и (в) и отмечены римскими цифрами I, II и III. Осипересекаются на задней поверхности опорного окна в фокусе терагерцовогопучка.Наличие лазерного маркера позволяет оператору системы совмещатьфокус терагерцового пучка с поверхностью исследуемого образца, что облегчает процесс исследования комплексной диэлектрической проницаемости малоразмерных объектов сильно поглощающих сред и биологических тканей in1054( )536IIIIII5652( )IIII II17( )Рис. 3.3. Трехмерная модель (а) и фотографии (б), (в) оснастки экспериментального комплекса: 1 ҫ терагерцовых импульсный спектрометр, 2 ҫ опорное окно, 3 ҫ проекционныйобъектив видеокамеры, 4 ҫ видеокамера, 5 ҫ винты угловой и продольной юстировок положения опорного окна,6 ҫ светодиоды белого света, 7 ҫ лазерный маркерvivo, например, пигментных невусов кожи.
Оптическая видеокамера, установленная на приставке, используется, с одной стороны, для точного позиционирования исследуемого объекта в фокусе терагерцового пучка и, с другой стороны, для регистрации оптических изображений тканей. Синхронная регистрация терагерцовых диэлектрических характеристик и оптических изображений исследуемого образца особенно важна при проведении исследований вспециализированных медицинских учреждениях. Для равномерной подсветки исследуемого образца на приставке установлены светодиоды белого света(Рис. 3.3 (6)). Светодиоды работают непрерывно, тогда как лазерный маркерактивен только в процессе наведения на исследуемый объект и выключен вмомент регистрации терагерцовых сигналов и оптического изображения об-106разца.Программное обеспечение системы написано на языке программирования C# и позволяет оператору позиционировать исследуемый объект в фокусе терагерцового пучка и одновременно визуализировать оптические изображения тканей, регистрировать сигналы образца и опорные сигналы, а такжесохранять экспериментальные данные в текстовые файлы.
Интерфейс программного обеспечения показан на Рис. 3.4. Предобработка сигналов спектрометра и решение обратной задачи с использованием оригинального многоканального метода восстановления терагерцовой комплексной диэлектрической проницаемости образца, осуществляется в дополнительном программном обеспечении, реализованном на языке программирования MATLAB.1324Рис. 3.4. Интерфейс программного обеспечения экспериментального комплекса: 1 и 2 ҫ область визуализации сигналов︀ (ν); 3 ҫ областьспектрометра E (t) и их фурье-спектров Eвывода изображения с оптической камеры с целью позиционирования объекта исследования в фокусе терагерцового пучка; 4 ҫ область управления экспериментальнымкомплексом и сохранения данных107На Рис.
3.5 представлены три сигнала импульсного спектрометра,зарегистрированные с помощью макетного образца программно-аппаратногокомплекса и формирующие начальные условия для решения обратнойзадачи на основе предложенного метода. Кривые (а), (б) и (в) соответствуютсигналам Em , Er и Es , причем сигнал Es на (в) соответствует терагерцовомуполю, отраженному от тканей здоровой кожи на руке человека. Все трисигнала содержат первый импульс (область I на Рис. 3.5), отраженный отпередней поверхности опорного окна, второй импульс (область II на Рис. 3.5),отраженный от границы раздела между опорным окном и зеркалом, воздухом или исследуемой средой, а также третий импульс (область III наРис.
3.5) ҫ первый импульс спутник, появившийся в результате двухкратногопрохождения излучением плоско-параллельного опорного окна.I000IIIII(а)(б)(в)1020t, пс30Рис. 3.5. Сигналы терагерцового импульсного спектрометра: (а),(б) и (в) соответствуют Em , Er и Es . Римскими цифрамина рисунке отмечены составляющие трех сигналов: I ҫимпульс, отраженный от передней поверхности опорногоокна; II ҫ импульс, отраженный от границы раздела между (а) опорным окном и металлом, (б) опорным окном ивоздухом или (в) опорным окном и исследуемой средой;III ҫ первый импульс-спутник1083.2.
Методика предобработки сигналов экспериментального комплексаПредобработка сигналов экспериментального комплекса необходимадля повышения устойчивости восстановления терагерцовых диэлектрическиххарактеристик к негативным факторам, выявленным в ходе исследованияустойчивости многоканального метода решения обратной задачи. Она заключается в снижении уровня шумов во временных сигналах спектрометраи программной компенсации трансляций опорного окна под действиемисследуемого образца.Вейвлетное подавление шумов в сигналах спектрометраКак показано выше, для корректного восстановления терагерцовой диэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологическихтканей in vivo необходимо обеспечить уровень шумов в сигналах спектрометра с СКО σN < 0, 2 %. Перспективным путем решения данной проблемыявляется использование современных высокоэффективных методов подавления шумов ҫ методов вейвлетной фильтрации сигналов.Вейвлетный анализ является обобщенным методом спектрального анализа сигналов [276], отличительной особенностью которого является локальность ядер преобразования как во временной, так и в частотной областях[277].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
