Диссертация (1104775), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Данные волокна были выбраны для выявленияособенностей, вносимых высокой числовой апертурой сердцевины (второе волокно), и сбором при помощи дополнительной оболочки (третье волокно). Алмазныечастицы различных размеров с дефектами типа азот-вакансия (NV-центры) быливыбраны в качестве удобных модельных флуоресцентных маркеров, а также благодаря их высокой биосовместимости и широкому применению в качестве флуоресцентных меток.На рис.
4.6 представлена схема эксперимента для сравнения однофотонногои двухфотонного возбуждения флуоресценции алмазных маркеров. Данная установка была собрана и использована для сравнения локальности при однофотонном и двухфотонном режиме зондирования для различных волоконных компонент. Лазерное излучение заводилось в сердцевину волокна и доставлялось к образцу.
Дихроичные зеркала были выбраны таким образом, чтобы обе длины волны могли заходить в волокно без внесения изменений в схему заведения и регистрации.Флуоресцентный отклик NV-центров алмаза собирался тем же волоконнымзондом и доставлялся в обратном направлении к системе регистрации, состоя-81СПМ, отн.ед.10.80.60.40.20550 600 650 700 750 800 850Длина волны, нм(а)(б)Рисунок 4.7: Спектры однофотонной (зеленая линия) и двухфотонной (краснаялиния) флуоресценции NV-центров алмаза, измеренные через оптоволокно с числовой апертурой N A ≈ 0.1. Погрешность измерения спектральной плотностимощности составляет примерно 0.005 отн.
ед. (а) Фотография алмазной частичкис поднесенным к ней волокном (б).щей из отделяющих накачку оптических фильтров и волоконного спектрометраOceanOptics4000. Программа автоматизации интегрировала часть спектра, соответствующую свечению NV-центров, а также управляла трансляционной подачкой, за счет которой алмазная частица двигалась относительно торца волокна.Были использованы три типа волоконно-оптических зондов. Первый состоял изкоммерческого одномодового телекоммуникационного волокна с числовой апертурой сердцевины N A = 0.16, радиусом сердцевины 4.5 мкм и радиусом оболочки 60 мкм. Помимо этого на волокне присутствовала дополнительная пластиковаяоболочка с более высоким показателем преломления, которая способствовала эффективному выводу и дальнейшему рассеянию излучения из первой оболочки.На втором зонде была счищена внешняя пластиковая оболочка.
Таким образом,он обеспечивал захват люминесценции первой оболочкой с эффективным радиусом 60 мкм и числовой апертурой N A = 0.6. Третий зонд представлял собоймикроструктурированное волокно с радиусом сердцевины 1.25 мкм и числовойаппертурой N A = 0.6.Однофотонное и двухфотонное возбуждение NV-центров в алмазе приводитк практически идентичным флуоресцентным спектрам, как показано на рис. 4.7а,где красной линией представлен спектр двухфотонной флуоресценции, а зеленойлинией – спектр однофотонной люминесценции NV-центров алмаза. Спектры были измерены через оптоволокно с числовой апертурой N A ≈ 0.1. Чтобы исследо-82вать локальность оптического зондирования, достигаемую с помощью стандартного волоконного зонда, и ее зависимость от различных параметров волокна испособа возбуждения флуоресценции, мы использовали отдельный алмаз с NVцентрами и измеряли мощность P флуоресцентного отклика, доставляемого через волокно на детектор, как функцию расстояния между алмазной частичкой иволоконным зондом.
Микрофотография данного измерения, проделанного в воздухе, представлена на рис. 4.7б. Для экспериментов использовались кристаллыалмаза диаметром 500-1200 мкм. Для того, чтобы не учитывать форму частички,волокно подводилось перпендикулярно одной из граней, определяемых кристаллографическими осями алмаза.Типичные результаты данных измерений, совершенные с варьируемым расстоянием между торцом волокна и кристаллом алмаза представлены на рис.
4.8.По оси y отложена мощность флуоресцентного отклика, собранного волокном,(нормированная на максимум для каждой кривой), а по оси x – расстояние междувыходным торцом волокна и кристаллом алмаза. Для всех измеренных волоконвидно заметное уменьшение области зондирования.Так как флуоресцентный отклик в режиме двухфотонного возбуждения заметно слабее, чем сигнал однофотонной флуоресценции, эффективный сбор волокном сигнала в первом случае становится критичным для реализации двухфотонного протокола волоконного зондирования. Из уравнений (2.29) и (2.30) видно,что сбор флуоресцентного отклика волокном контролируется параметром (частотой отсечки) v = 2πρN A/Λ, где ρ – радиус сердцевины волокна и λ – длина волныизлучения и изменяется как v 2 в случае малых N A/n0 .
Этот результат понятен иожидаем: в зависимости v2 изменяется полное число пространственных мод, поддерживаемых волноводной структурой.Для экспериментальной проверки этого утверждения сравнивались два заявленных выше волоконных зонда (волоконный зонд 1 и волоконный зонд 2). Такой выбор волоконных зондов позволил наглядно продемонстрировать влияниевторой оболочки, так как все параметры доставки излучения были полностьюидентичными, а сбор некогерентного флуоресцентного отклика был существенно увеличен за счет большой площади оболочки (ρ = a2 ) и высокой числовойапертуры N A.Счищенная внешняя пластиковая оболочка при минимизации контакта волновода с элементами его крепления в экспериментальной схеме обеспечивалазахват люминесценции с эффективным радиусом 60 мкм и числовой апертурой831Мощность, отн. ед.Мощность, отн.
ед.10.80.60.40.200.80.60.40.200100200300Расстояние, мкм(а)50100150Расстояние, мкм(б)Рисунок 4.8: Результаты экспериментов (точки) и их сравнение с теоретическимрасчетом (линии) локальности волоконно-оптического зондирования в случаедвухфотонного (красный цвет) и однофотонного (зеленый цвет) возбуждения флуоресценции. (а) Накачка доставляется по сердцевине диаметром 9 мкм и числовойапертурой 0.16, а для сбора флуоресцентного отклика используется та же сердцевина диаметром 120 мкм и числовой апертурой 0.6. (б) верхние кривые - накачкадоставляется по сердцевине диаметром 9 мкм и числовой апертурой 0.16, а длясбора используется та же сердцевина; нижние кривые - накачка доставляется посердцевине диаметром 2.5 мкм и числовой апертурой 0.6, для сбора флуоресцентного отклика используется та же сердцевинаN A = 0.6.
Полное увеличение эффективности сбора сигнала, обеспечивающееся этой схемой по отношению к первоначальной схеме сбора только сердцевиной(ρ = a1 ), составляет (a2 /a1 )2 (N A2 /N A1 )2 ≈ 2.5 · 103 . Это выражение хорошосогласуется с увеличением эффективности сбора сигнала, достигнутого в экспериментах с использованием первого и второго волоконных зондов.Полученные результаты наглядно демонстрируют увеличение локальностиволоконно-оптического зондирования в режиме двухфотонной флуоресценции. Всамом деле, так как мощность флуоресценции, возбуждаемой за счет двухфотонного поглощения, зависит квадратично от мощности лазерного излучения накачки, спад мощности накачки с расстоянием от торца волокна транслируется в болеебыстрый спад флуоресцентного отклика. Таким образом, область, которая вносит84вклад в собранный волокном флуоресцентный отклик, становится заметно больше ограничена по пространству вблизи выходного торца волокна.815040200−50X, мкмZ, мкмZ, мкмZ, мкм60100500−10 −5 0 5X, мкм5(а)(б)20(г)5−4 −2 0 2 4X, мкм(в)8Z, мкмZ, мкмZ, мкм400X, мкм20150−54106006100500−10 −5 0 5X, мкм642010(д)−4 −2 0 2 4X, мкм(е)Рисунок 4.9: Карты функции ψm (r,z) для (а), (б), (в) однофотонного и (г), (д), (е)двухфотонного оптического зондирования тканей мозга с помощью волоконногоэндоскопа со следующими параметрами.
Длина волны накачки (а), (б), (в) 532 нми (г), (д), (е) 1064 нм. Параметры волноводов (а), (г) диаметр сердцевины 9 мкм;N A = 0.1, сбор осуществляется сердцевиной; (б), (д) диаметр сердцевины 9 мкм,N A = 0.1, сбор осуществляется оболочкой диаметром 120 мкм; (в), (е) диаметрсердцевины 2.5 мкм, N A = 0.6, сбор осуществляется сердцевиной.Для количественной оценки увеличения локальности волоконнооптического зондирования в режиме двухфотонного поглощения были исследованы свойства функции отклика многофотонной флуоресценции ψm (r,z),возникающей под интегралом в уравнении (2.30):ψm (r,z) = φ(r,z)[f (r,z)]m .(4.1)Эта функция представляет собой вклад физически малого объема внутри исследуемой области с центром с координатами r и z, к полному сигналу m-фотонной85флуоресценции, собранному волоконным зондом.
Для оптического волокна с круговым поперечным сечением трехмерная карта функции ψm (r,z) аксиально симметрична с осью z, выступающей в качестве оси симметрии, и проходящей через центр волокна перпендикулярно выходному торцу. На рис. 4.9 представлены двумерные карты функции ψm (r,z) в плоскости xz, рассчитанные для различных волоконных зондов в случае однофотонного и двухфотонного волоконнооптического зондирования. Хорошо видно, что в случае двухфотонного возбуждения объем оптического зондирования гораздо сильнее прилегает к выходномуторцу оптоволокна, а флуоресцентный отклик спадает на характерной шкале порядка 10 мкм от торца волокна. В режиме однофотонного возбуждения типичныедлины спада функции ψm (r,z) как минимум в три раза больше.Как видно из результатов расчетов, уменьшение характерной областиволоконно-оптического зондирования достигается, несмотря на большой диаметр сердцевины, по которой осуществляется возбуждение (9 мкм) и оболочки,собирающий флуоресцентный отклик (120 мкм), что приводит одновременнок существенному увеличению и локальности, и эффективности сбора некогерентного сигнала.
Таким образом, именно в случае двухфотонного возбужденияфлуоресценции можно по праву использовать те преимущества, которые предоставляет возможность cбора сигнала оболочкой, не теряя при этом разрешения пооси z. Проведенные эксперименты согласуются с теоретическим моделированиеми демонстрируют, что двухфотонное возбуждение может существенно повыситьлокальность волоконно-оптического зондирования.Одним из самых востребованных приложений волоконно-оптической эндоскопии является регистрация сигнала в сильно рассеивающих тканях головногомозга.
Сам волоконный зонд служит для преодоления проблемы регистрации оптического сигнала в условиях сильного рассеяния. В этой работе проведено исследование влияния рассеяния на локальность как в однофотонном, так и в двухфотонном случае.В наших экспериментах в качестве флуоресцентных объектов использовались помещенные в мозг мыши частицы алмаза с дефектами типа азот-вакансия(NV центры).
Для накачки использовалось излучение иттербиевого лазера с центральной длиной волны 1064 нм, длительностью 200 фс и частотой повторения100 МГц. В качестве волоконного зонда для доставки излучения накачки вглубьсильно рассеивающей среды и для сбора флуоресцентного отклика использовалось стандартное телекоммуникационное волокно с диаметром сердцевины 986Рисунок 4.10: Схема экспериментальной установки. «532» – Nd:YAG непрерывный лазер с внутререзонаторным удвоением частоты; «1064» – Yt фемтосекундный лазер; М1 и М2 – узкополосные зеркала, отражающие 1064 нм и 532 нм соответственно; DM – дихроичное зеркало, отделяющее флуоресценцию от излучения накачки; d – расстояние между торцом волокна и кристаллом алмаза с NVцентрами; OceanOptics – волоконный CCD спектрометр; PC – персональный компьютер с программой автоматизации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
