Диссертация (1104775), страница 18
Текст из файла (страница 18)
На вставке (a) показано как флуоресцентное излучение захватывается оболочкой волокна, но потом выходит во внешнеепластиковое покрытие и рассеивается; на вставке (b) показано как захваченноеоболочкой излучение без потерь распространяется в обратном направлениимкм, микроструктурированное волокно с диаметром сердцевины 2.5 мкм, а такжетелекоммуникационное волокно с диаметром сердцевины 9 мкм и счищеной пластиковой оболочкой, имеющее возможность сбора излучения при помощи оболочки. Эксперименты проводились на тканях мозга лабораторных мышей линииC57Bl. Мозг извлекался до проведения эксперимента.На рис.
4.10 представлена схема эксперимента для сравнения однофотонного и двухфотонного возбуждения флуоресценции алмазных маркеров. Даннаяустановка была собрана и использована для исследования локальности зондирования в мозге мыши, обладающем большим коэффициентом рассеяния. 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 волоконным871Мощность, отн. ед.Мощность, отн.
ед.10.80.60.40.200.80.60.40.20100 200 300 400Расстояние, мкм(а)500100 200 300 400Расстояние, мкм500(б)Рисунок 4.11: Результаты экспериментов (точки) в воздухе (а), в тканях мозга(б) и их сравнение с теоретическим расчетом (линии) локальности волоконнооптического зондирования в случае двухфотонного (красный цвет) и однофотонного (зеленый цвет) возбуждения флуоресценции.
Накачка доставляется по сердцевине диаметром 9 мкм и числовой апертурой 0.16, а для сбора флуоресцентного отклика используется оболочка диаметром 120 мкм и числовой апертурой 0.6.Эксперимент проводился (а) в воздухе, где µS = 0 мм-1 и (б) в тканях мозга, гдеµS = 6 мм-1 для длины волны накачки 1064 нм и µS = 11 мм-1 для длины волнынакачки 532 нм.зондом и доставлялся в обратном направлении к системе регистрации, состоящей из отделяющих накачку оптических фильтров и волоконного спектрометраOceanOptics2000. Программа автоматизации интегрировала часть спектра, соответствующую свечению NV-центров, а также управляла трансляционной подачкой, за счет которой алмазная частица двигалась относительно торца волокна.Типичные результаты данных измерений, совершённые с варьируемым расстоянием между торцом волокна и кристаллом алмаза, заполненным либо воздухом, либо тканями мозга, представлены на рис.
4.11. По оси y отложена мощность флуоресцентного отклика, собранного волокном, нормированная на максимум для каждой кривой, а по оси x – расстояние между выходным торцом волокна и кристаллом алмаза. В обоих случаях, как в тканях мозга (рис. 4.11б), так и ввоздухе (рис. 4.11а), видно уменьшение мощности собранного волокном флуоресцентного отклика с увеличением расстояния d между торцом волокна и кристаллом алмаза с NV-центрами. В общем случае данное поведение мощности флуо-88150150100100Z, мкмZ, мкмресцентного сигнала при измерениях с переменным воздушным зазором объясняется дифракцией лазерного излучения на выходе волоконного зонда и затуханиемфлуоресценции с увеличением расстояния до кристалла алмаза.
Разница в скоростях уменьшения мощности флуоресценции P , проявляющаяся при проведенииэкспериментов с тканями мозга и без тканей мозга в зазоре между волокном иалмазом (рис. 4.11а и рис. 4.11б), определяется рассеивающими свойствами ткани. Это предположение было проверено расчетами с использованием описаннойвыше модели (уравнение (2.32)), которые показали соответствие между теоретическими данными и экспериментальными результатами для всех случаев.
Нарис. 4.11 данные теоретической модели представлены сплошными линиями.500−10 −5 05X, мкм500−10 −5 05X, мкм101086420(б)Z, мкмZ, мкм(а)−4 −2 0 2X, мкм(в)1041086420−4 −2 0 2X, мкм4(г)Рисунок 4.12: Карты функции ψm (r,z) для (а), (в), однофотонного с длиной волной накачки 532 и (б), (г) двухфотонного (m = 2) с длиной волной накачки 1064оптического зондирования тканей мозга без учёта рассеивания с помощью волоконного эндоскопа. Параметры волоконного эндоскопа (а), (б) сердцевина ρ = 9мкм, NA = 0.16, сбор оболочкой с ρ = 60 мкм, NA = 0.6; (в), (г) сердцевина ρ = 6мкм, NA = 0.6, сбор осуществлялся той же сердцевиной.89150150100100Z, мкмZ, мкмСтоит также отметить, что, хотя коэффициент рассеяния для излучения сдлиной волны 1064 нм почти в два раза ниже, чем в случае использования излучения с длиной волны 532 нм, зависимость мощности флуоресцентного откликаот расстояния от кристалла алмаза до торца волокна Pd , измеренная в двухфотонном эксперименте с тканями мозга (красная линия, рис.
4.11б), спадает заметнобыстрее, чем Pd , измеренная в однофотонном эксперименте с длиной волны накачки 532 нм (зеленая линия, рис. 4.11б). Этот результат наглядно демонстрируетувеличение локальности волоконно-оптического зондирования в режиме двухфотонной флуоресценции.500−10 −5 05X, мкм500−10 −5 05X, мкм101086420(б)Z, мкмZ, мкм(а)−4 −2 0 2X, мкм(в)1041086420−4 −2 0 2X, мкм4(г)Рисунок 4.13: Карты функции ψm (r,z) для (а), (в) однофотонного с длиной волнойнакачки 532 и (б), (г) двухфотонного (m = 2) с длиной волной накачки 1064 оптического зондирования тканей мозга с учётом рассеяния с помощью волоконногоэндоскопа. Параметры волоконного эндоскопа (а), (б) сердцевина ρ = 9 мкм, NA= 0.16, сбор оболочкой с ρ = 60 мкм, NA = 0.6; (в), (г) сердцевина ρ = 6 мкм, NA= 0.6, сбор осуществлялся той же сердцевиной. Коэффициент рассеяния µS ≈ 11мм-1 для лазерного излучения 532 нм и µS ≈ 6 мм-1 для 1064 нм.90Для 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 (2.32):ψm (r,z) = φ(r,z) [f (r,z)Tp (r,z)]m Tf (r,z).(4.2)Эта функция представляет собой вклад физически малого объема внутри исследуемой области с центром с координатами r и z к полному сигналу m-фотоннойфлуоресценции, 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, черезцентр волокна перпендикулярно выходному торцу.На рис. 4.12а и 4.12б представлены двумерные карты функции ψm (r,z) вплоскости xz, рассчитанные для параметров наших экспериментов по однофотонному и двухфотонному волоконно-оптическому зондированию тканей мозга.Параметры волокна: ρ = 60 мкм и N A = 0.6. Данные карты наглядно визуализируют объем оптического зондирования в режимах однофотонного (рис.
4.12а)и двухфотонного (рис. 4.12б) возбуждения флуоресценции. Также был проделанрасчет карт функции ψm (r,z) для других параметров волоконного зонда, отличных от использовавшихся в наших экспериментах.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 в схемах нелинейной флуоресцентной микроскопии без потери локальности оптического возбуждения и пространственного разрешения.4.2Волокна для доставки импульсов в задачах КАРС-спектроскопии.На основании идей, изложенных в главе 2, была предложена оптическая система для проведения спектро-, микро- и эндоскопии когерентного комбинационного рассеяния света на базе лазерного генератора сверхкоротких импульсов,91использующая оптическое волокно с активно формируемыми характеристикамидля их доставки к цели.
Экспериментально были показаны пределы спектрального разрешения при использовании спектрально ограниченных и управляемыхпо фазе чирпированных импульсов. Также были получены практические границычувствительности методики. Помимо этого, были продемонстрированы примерыпрактического применения оптической системы для идентификации отдельныхвеществ и относительных долей жидкостей в растворе.Оптическая система для проведения спектроскопии, микроскопии и эндоскопии когерентного комбинационного рассеяния света была реализована на базелазерного генератора сверхкоротких импульсов Mira HP (Coherent) на кристаллеTi:sapphire. Перестраиваемые в диапазоне длин волн от 700 до 920 нм импульсыобладали длительностью 150 фс и энергией до 40 нДж.
Бо́льшая часть мощностигенератора использовалась для синхронной накачки параметрического генераторасвета (ПГС) (рис. 4.14), сигнальная волна которого перестраивается в диапазонеот 1000 нм до 1500 нм. Оставшееся излучение задающего генератора и сигнальная волна ПГС служили волнами накачки и стокса реализованных методик когерентной спектроскопии комбинационного рассеяния. В оптические плечи каждойволны устанавливались телескопы и регулируемые линии оптической задержкидля аккуратного совмещения импульсов во времени и пространстве. Управлениефазой импульсов осуществлялось при помощи индивидуальных стретчеров, собранных из двух пар дифракционных решеток (1200 штрихов на миллиметр).
Припомощи нескольких откидывающихся зеркал (FM на рис. 4.14) была реализованавозможность проводить эксперименты со спектрально ограниченными импульсами, минуя стретчеры. Заметим, что всевозможные комбинации спектрально ограниченных и модулированных по фазе импульсов накачки и стоксовой волны былисинхронизованы по времени. Автоматизация процесса измерения кросскорреляционных зависимостей импульсов осуществлялась при помощи моторизированной оптической задержки (MOD на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
