Диссертация (1103411), страница 15
Текст из файла (страница 15)
В случае изолированной рамановской моды, конец вектора E двигается попрактически круговой траектории (рис. 3.1.2.б). Когда вклад в сигнал вносится болеечем одной рамановской линией, траектория описываемая концом вектора Eстановится сложной, каждая комбинационная мода приводит к появлению петли натраектории (рис. 3.1.5.б, 3.1.5.г). Для ацетонитрила такие особенности проявляютсяна задержках τ1 4.0 пс и τ1 5.0 пс, которые отмечены цифрами на рисунка 3.1.5.а и3.1.5.б. В случае полистирола наблюдаются четыре петли на задержках τ1 3.2, τ2 5.2, τ3 8.6 и τ4 10.3 пс (рис. 3.1.5.в, 3.1.5.г), соответствующие четыремкомбинационным модам.Продемонстрированное выше визуализирование на комплексной плоскостиизменение амплитуды и фазы полного КАРС-сигнала при варьировании временнойзадержки между импульсами накачки является развитием известного подхода канализу вкладов в нелинейный сигнал резонансной, нерезонансной и полнойвосприимчивостей χ(3)(ωpu–ωst) = χ(3)nr + χ(3)r при изменении разности частот междунакачкой ωpu и стоксом ωst, который был предложен в работах С.А.
Ахманова, Н.И.Коротеева и Ж.П. Тарана в 1981 году [1,211]. В 2010 году научной группой подруководством Х.Л. Офферхауса был продемонстрирован аналогичный подход киллюстрациифазыКАРС-сигналасиспользованиемспектральноузкихпикосекундных импульсов накачки [212], что приводит к полному повторениюдиаграмм предложенных в 1981 году, с целью донести до читателя идеюпредложенной и реализованной ими новой методики микроскопии когерентногокомбинационного рассеяния, чувствительной к фазе когерентно рассеянногоантистоксова сигнала [213], позволяющей подавить нерезонансный фон и разделятьперекрывающиеся резонансы различных веществ.
Как показывают наши расчеты иэксперименты,правильноприготовленные(линейночирпированные)широкополосные импульсы также могут быть использованы для проведениифазочувствительной методики КАРС-спектроскопии.Таким образом, чтобырасширить функционал уже собранного нами КАРС-спектрометра и проводитьчувствительные к фазе антистоксова сигнала измерения, требуется лишь добавитьлокальный осциллятор на антистоксовой частоте.- 73 Рамановская отстройка, см-132210,1Im(E ), отн. ед.Интенсивность, отн.
ед.2880 2720 2560 2400 2240 20801010,011E-31E-40123456789Временная задержка , пс(а)211010(б)0112Re(E), отн. ед.Рис.3.1.6. Зависимость мощности КАРС-сигнала измеренного в эксперименте(заполненные кружки) от задержки между импульсами , при уменьшенном значениичирпа импульсов 2,6 рад пс-2 для увеличения спектрального разрешения испектроскопии слабой линии на 2289 см-1. Сплошной и пунктирной кривыми (напанелях (а) и (б)) представлены теоретические зависимости КАРС-сигнала приналичии двух комбинационных (рамановских) линий (2248 см-1 и 2289 см-1) и толькоодной слабой линии на 2248 см-1. Фазовая траектория, описываемая концом вектораполя нелинейного сигнала.
Числами отмечены комбинационные резонансы.Большинство существующих на сегодняшний день КАРС-методик основаны надетектировании главного пика в сигнале комбинационного рассеяния, тогда какэксперименты, представленные здесь, предлагают производить запись всего сигнала,включая «темный сигнал» деструктивной интерференции (рис. 3.1.5.а, 3.1.5.в),которыйпомогаетизвлечьполезнуюинформациюизкогерентногофона.Эксперименты показывают (рис. 3.1.5.а), что деструктивная интерференция междукогерентным комбинационным и нерезонансным сигналами может почти полностьюубрать излучение в области интерференционного провала линии Фано, позволяяосуществитьспектроскопиюслабойкомбинационно-активнойлинии.Вэкспериментах были проведены измерения слабой моды на Ω2/2πc = 2289 см-1 спомощью чирпированных импульсов в описанной ранее схеме, но с меньшим чирпом =2.6 рад пс-2. В данном эксперименте импульсы обладали более слабой вариациейчастоты по времени, что позволяет разрешить узкие комбинационные линии.
Вэксперименте рамановский резонанс на частоте Ω2/2πc = 2289 см-1 детектируется нафоне полного нелинейного сигнала со значением соотношения “сигнал-шум” около- 74 110 (рис.3.1.6.а). Измерение выбранной рамановской моды с таким большимконтрастом полезного сигнала над шумом становится возможным благодарядеструктивной интерференции когерентного отклика мощной рамановской моды наΩ1/2πc = 2248 см-1 и нерезонансного излучения (рис.
3.1.6.а и 3.1.6.б). Безкомбинационной лини Ω1, мода Ω2 проявляется в нелинейном сигнале КАРС какслабая дисперсия общего фона с низким контрастом – 6 (пунктирная кривая нарис.3.1.6.а). Как показывает теоретический расчет, контраст сигнала на моде Ω1может быть улучшен еще в 1.5 раза при точной подстройке чирпов возбуждающихимпульсов.Одна из целей диссертационной работы связана с развитием техники КАРСмикроспектроскопии биологических объектов. Когерентная природа нелинейнооптического сигнала КАРС накладывает ограничения на диаграмму направленностиисточника,котораяопределяетсяусловиямифазовогосогласованиядлягенерирующийся волны. В случае плоских волн накачек, распространяющихся водном направлении, формирование нелинейного сигнала происходит в направлениинакачек.
Соответственно, детектирование КАРС-сигнала в обратном направлениичерез фокусирующий в исследуемый объект объектив связано с большойсложностью. Основным механизмом, позволяющим наблюдать сигнал КАРС вобратномнаправлении,являетсялинейноерассеяниесветанаоптическихнеоднородностях образца. Для образцов биологических тканей толщиной несколькосотенмикрометровусловиемногократностирассеяниясветаслегкостьювыполняется, что позволяет уверенно собирать фокусирующим объективом идетектировать сигнал в обратном направлении. Более того, при исследованииживотных в режиме in vivo запись сигнала в обратном направлении являетсяединственно возможной.
Для развития потенциала разработанной схемы лазернойсистемы на базе чирпированных импульсов накачек, была проведена модернизациярегистрирующей части КАРС-спектрометра и осуществлены эксперименты стестовыми рассеивающими образцами. Эффективно собрать сигнал возможно толькос использованием микроскопных объективов с большой числовой апертурой (NA) ибольшим полем зрения. В наших экспериментах для возбуждения и сбора сигналаКАРС был использован объектив Olympus с увеличением x20 и числовой апертуройNA = 0.4. Для проведения тестовых экспериментов были выбраны следующие- 75 объекты: рассеивающий полимерный материал - полиметилметакрилат (ПММА)(рис.3.1.7.а) и сильно рассеивающая взвесь алмазных наночастиц размером около 0.3мкм в этаноле (рис.3.1.7.б).-1-11,0250027002900Рамановская отстройка, см3100КАРС сигнал, отн. ед.КАРС сигнал, отн.
ед.Рамановская отсторойка, смCH2 - ss0,8CH3 - ss0,6CH3 - as0,40,20,0105(а)0-5-10Время, пс1,0 2800 3000 3200 3400 36000,8 CH - ss30,6CH2 - asCH2 - ssCH3 - as0,4OH колебания0,20,05(б)0-5-10-15Время, пс-20-25Рис.3.1.7. Записанные в обратном направлении КАРС-спектры от пластины изПММА (а) и раствора алмазных наночастиц в этаноле (б).Полученные профили спектральной мощности излучения от задержки обладаютспектроскопическойгенерирующийсяизинформациейПММАобобъекте(рис.3.1.7.а),исследования.позволяетСигналКАРС,идентифицироватьдведеформационные моды колебаний группы CH3 (частоты 2810 см-1 и 2990 см-1), и однумоду группы CH2 (2850 см-1). Высокое спектральное разрешение записанных спектровговорит о сохранении фазовых соотношений между возбуждающими импульсаминакачки, что позволяет использовать методики фазового контроля для проведениянелинейной спектроскопии сильнорассеивающих объектов.Вторым тестовым объектом являлся раствор алмазных наночастиц диаметромоколо 0.3 мкм в этаноле.
При взбалтывании такой смеси в растворе образовываласьнепрозрачная взвесь наночастиц. Природа КАРС-сигнала, генерирующийся отмолекул этанола и регистрируемый в обратном направлении, связана с сильнымрассеянием излучения на частицах субмикронного размера.
Алмазные наночастицыне обладают комбинационными резонансами в выбранном нами в экспериментахдиапазоне частот около 3000 см-1, поэтому регистрируемый сигнал обладаетспектроскопической информацией о самой жидкости. Записанный спектр такогораствора подтверждает данную гипотезу и демонстрирует три характерные дляэтанола мощные линии на 2880, 2930 и 2974 см-1 (рис.3.1.7.б). Оказалось, что помимо- 76 этанола в жидком растворе присутствовала вода в большом количестве, чтопроявилось в виде сильной моды деформационной моды колебаний OH-группы начастотах 3000-3400 см-1. Спектральное разрешение записанных спектров оцениваетсяне хуже чем 18 см-1 (ширина резонанса ассиметричной моды колебаний CH3 вэтаноле), что всего в два раза хуже, чем для спектров, записанных для прозрачныхобразцов в геометрии на просвет. Энергии, необходимые для уверенной регистрациисигнала в этих экспериментах, составляли 30 нДж для импульсов на 650 нм и 10 нДжна 800 нм, а интенсивность в фокусе достигала 3×1010 Вт/см2Такимобразом,былопродемонстрировано,чтоуправлениевременнойогибающей оптических импульсов накачек позволяет реализовать фазовый контрольпроцесса когерентного комбинационного рассеяния, в частности когерентногоантистоксова рассеяния света.
В измерениях с линейно чирпированными импульсамифазовый контроль может быть визуализирован через интерференцию когерентногорезонансногокомбинационногосигналаснерезонанснымфоном.Такаяинтерференция приводит к формированию профиля Фано в зависимости общегосигнала КАРС от задержки между возбуждающими импульсами. Когерентноекомбинационного рассеяние с использованием фазового контроля может сильноизменить нелинейную динамику взаимодействия сверхкоротких импульсов, а такжепомочь повысить эффективность и спектральное разрешения метода.
Проведенныеэкспериментыпоказаливозможностьиспользоватьметодикифазовогомодулирования импульсов накачки для осуществления КАРС-спектроскопии сильнорассеивающих сред с высоким спектральным разрешением.§3.2 Волоконные компоненты доставки сверхкоротких лазерных импульсовдля спектроскопии КАРС и оптической хирургии биологических тканейДоставка лазерного излучения к объекту исследования является одной изважнейших задач для развития биомедицинских оптических технологий. Сложныесистемы, состоящие из множества объемных оптических элементов и формирующиетракт распространения излучения от лазерного источника к объекту исследования, не- 77 дают необходимого удобства и гибкости в решении данного вопроса. Использованиеволоконных средств доставки излучения представляется очень перспективным из-заих компактности, надежности и гибкости [214,215].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
