Автореферат (1103410), страница 5
Текст из файла (страница 5)
(е – з)Изображения срезов головного мозга мыши, полученные методом КАРС-микроспектроскопии:желудочек (е), соматосенсорная кора (ж), панорамное изображение соматосенсорной коры (з).- 15 -Алмаз является уникальным физическим объектом, используемым во многих областяхоптики и фотоники. Алмазная решетка обладает сильным электрон-фононнымвзаимодействием, проявляющимся в большом сечении процесса комбинационного(рамановского) рассеяния света на оптических фононах решетки. Диагностику такихматериалов очень удобно проводить по спектрам рамановского рассеяния света.
Методикикогерентного комбинационного рассеяния позволяют радикально повысить чувствительностьрегистрации, тем самым открывая путь к экспресс диагностике макроскопических объектов смикроскопическим пространственным разрешением. В параграфе 3.4 продемонстрировановозбуждение оптических фононов в искусственной алмазной пленке толщиной 20 мкм,сформированной методом химического газофазного осаждения (CVD), с использованиемтехники КАРС-микроспектроскопии (рис.6.а, б), что может служить удобным протоколом длясчитывания фононного возбуждения в устройствах оптической памяти, основанных наалмазоподобных материалах.
Техника фемтосекундной КАРС-спектроскопии позволяетизмерять амплитуду, время дефазировки и параметры оптической нелинейности оптическихфононов в синтетических алмазных пленках (рис.6.в). Показано, что измерения параметровоптических фононов синтетического алмаза на основе методик КАРС-спектроскопии такжепозволяет контролировать локальное качество пленок синтетического алмаза, а такжетехнологию их роста (рис.6.г, д).Параграф 3.5 посвящен применению КАРС-микроскопии для визуализацииспецифических компонент биотканей, таких как липиды, в срезах мозга лабораторной мыши.Как и почти любая биологическая ткань, мозг содержит большое количество липидов, которыеиграют важнейшую роль в функционировании нейронов, и их можно поделить на различныефункциональные классы, такие как фосфолипиды, сфинголипиды, гликосфинголипиды ихолестерин. Визуализация распределения различных разновидностей липидов в ткани живогоживотного является актуальной задачей биомедицины, которую помогают решать методымногофотонной микроскопии.
Особенность химического строения липидов в том, что ихмолекулы содержат длинные цепи углеводородов, формируя большое количествофункциональных групп CH2 и СН3, обладающие мощными комбинационно-активными модамиколебаний с частотой около 2900 см-1. Микроскопия на основе когерентного комбинационногорассеяния отлично подходит для безмаркерной визуализации тканей головного мозга, вчастности распределения липидов, что было продемонстрировано нами при помощикомпактной лазерной системы на базе лазера на кристалле Cr:forsterite, МС световодов инелинейных кристаллов.
Спектральная компрессия импульсов накачек в кристаллах PPLN иLBO в процессе удвоения оптической частоты повышает эффективность и химическуюселективность микроспектроскопии на основе когерентного комбинационного рассеяния света.На рисунках 6.е – 6.з представлены изображения срезов головного мозга лабораторной мыши,полученные методом КАРС-микроспектроскопии, в частности, показаны изображенияжелудочка (рис.6.е) и небольшой области соматосенсорной коры головного мозга (рис.6.ж ирис.6.з). Таким образом, в главе 3 продемонстрированы различные методики повышенияэффективности и качества спектроскопии когерентного комбинационного рассеяния светаобъектов органической природы, с упорядоченной кристаллической структурой, жидкостей.В Главе IV представлены результаты по развитию подходов удаленного зондированияатмосферы на базе когерентных методик спектроскопии комбинационного рассеяния света и- 16 -техники когерентного взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с колебательновращательными степенями свободы молекул в среднем ИК диапазоне частот.(б)3Интенсивность, отн.
ед.Частота c x10 , см5 432-111,00,80,60,40,20,0234567891011Длина волны, мкм(в)Рис.7.(а) Схема экспериментальной установки для генерации и характеризации сверхкороткихимпульсов среднего ИК диапазона. (б) Область перестройки фемтосекундных импульсов в среднем ИКдиапазоне от 3 до 11 мкм. (в) Спектрохронограмма XFROG на базе ЧВВ в воздухе, записанная дляимпульса на 5.1 мкм с накачкой на p = 810 нм.
На панели представлены восстановленные поспектрограмме XFROG огибающая интенсивности импульса и временная фаза (вверху), спектр испектральная фаза (справа).Рис.8. Спектрограммы XFROG в логарифмическом масштабе ИК импульса, испытывающего сильныеискажения временного профиля при распространении по трассе 150 см в атмосферном воздухе надлине волны, попадающей в область поглощения углекислого газа (4.25 мкм, a –d) и паров воды (6.2 мкм,e, f): (a, c, e) эксперимент и (b, d, f) численный расчет.- 17 -В параграфе 4.1 проведен теоретический анализ возможных геометрий взаимодействиявстречных пучков (один из которых является пучком атмосферного лазера и распространяетсянавстречу наблюдателю) для осуществления фазово-согласованного процесса когерентногоантистоксова рассеяния света в атмосфере. Рассмотрены принципиальные физические условиядля реализации генерации сигнала КАРС, распространяющегося в направлении близком кобратному по отношению к возбуждающему излучению.
Анализ, проведенный в нашихисследованиях, демонстрирует реалистичные схемы для осуществления дистанционной КАРСспектроскопии газовых сред. Спектроскопия ВКР-усиления/ослабления позволяет реализоватьгеометрию строго противоположно направленных пучков, что является неоспоримымпреимуществом перед схемами КАРС-спектроскопии для дистанционного зондированияокружающей среды, что было теоретически и экспериментально исследовано в параграфе 4.2.Нами были проведены теоретические исследования, на основании которых выявлены базовыезакономерности мощности регистрируемого сигнала от длительности лазерных импульсов ипараметров фокусировки излучения в геометрии встречных пучков, а также проведен анализэкспериментальных данных, полученных в ходе реализации методики дистанционнойспектроскопии на основе процесса вынужденного комбинационного рассеяния света вовстречных пучках.Многие характеристические колебательно-вращательные переходы молекул газов лежатв среднем инфракрасном диапазоне, зондирование которых методами однофотонноговозбуждения излучением соответствующей частоты гораздо эффективнее, чем методикаминеупругого комбинационного рассеяния света в оптическом диапазоне.
Одновременнуюдиагностику широкой полосы таких молекулярных резонансов возможно осуществить спомощью сверхкоротких импульсов, обладающих широким спектром. Параграфы 4.3 и 4.4посвящены разработке методики импульсной спектроскопии колебательно-вращательныхпереходов в молекулах газов с использованием сверхкоротких импульсов среднегоинфракрасного диапазона, при этом важной частью реализуемого подхода являетсяхарактеризация импульсов со сложным временным профилем в длинноволновой областиспектра 3 – 15 мкм.В параграфе 4.3 продемонстрирована методика измерения спектрально-временныхпараметров сверхкоротких лазерных импульсов среднего ИК диапазона от 2.7 мкм до 11 мкм набазе оптического стробирования с разрешением по частоте на основе четырехволновоговзаимодействия ωFWM = ωp + ωp – ωd в слабодиспергирующей газовой среде, где ωp – частотакороткого (менее 50 фс) эталонного импульса на 800 нм, ωd – частота измеряемого импульса всреднем ИК диапазоне (рис.7).
Использование кросс-корреляционной методики на основе ЧВВпроцесса позволяет отобразить всю область генерации сверхкоротких лазерных импульсовшириной более двух октав в среднем ИК диапазоне (3 – 15 мкм) в спектральную областьшириной около 50 нм в видимой части спектра. Предложенный и реализованный подходизмерения огибающей интенсивности импульсов со сложным временным профилем и ихвременной/спектральной фазы позволяет анализировать и следить за искажениемэлектромагнитного пакета сверхкороткой длительности в среднем ИК диапазоне привзаимодействии с молекулярными колебательно-вращательными модами газов (рис.7).В параграфе 4.4 продемонстрировано, что благодаря объединению техникиформирования сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона и методавосстановления временного профиля излучения, подходы импульсной (время-разрешенной)спектроскопии могут быть расширены на средний инфракрасный диапазон частот для- 18 -проведения метрологии фундаментальных движений молекул.
Модуляция спектрасверхкоротких импульсов в этом диапазоне частот, обусловленная резонансными колебательновращательными модами молекул, приводит к интерференции «темных» волн во временномпредставлении, анализ которых удобно проводить техникой полной характеризациисверхкороткого импульса, описанной в параграфе 4.3. При распространении ИК импульса вобласти поглощения углекислого газа по воздушной трассе на длине волны 4.25 мкмпроисходит искажение его временного профиля, что отражается в записанныхспектрохронограммах XFROG.
Продемонстрировано возникновение во временном профиле наразличных масштабах времен молекулярно-специфических временных структур и пиков,резонансно связанных с колебательно-вращательными модами молекулы (рис.8). Два видаспецифических особенностей характеризуют различные аспекты внутреннего движениямолекулы углекислого газа. С одной стороны, хорошо различимые эхо-сигналы,проявляющиеся в спектрохронограммах ИК импульсов на масштабах времен 10 – 20 пс,предоставляют количественную информацию о молекулах как о квантовых ротаторах (рис.8.c,d). С другой стороны, интерференционные структуры, наблюдаемые на субпикосекундноммасштабе, являются удобным инструментом для анализа целого ансамбля молекулярныхротаторов и осцилляторов, например, позволяя следить за температурным термодинамическимраспределением населенности по квантовым колебательно-вращательным состояниям (рис.8.a,b). Так же проведен анализ искажения формы импульса широкой полосой поглощенияизгибной моды H-O-H молекул водяного пара в воздухе (рис.8.e, f).В Заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы,которые перечислены ниже:1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
