Диссертация (1104775), страница 20
Текст из файла (страница 20)
4.16в, (г)). Отклонение измеренной девиации частоты от линейной (сплошные красные линии на рис. 4.16в, (г)) для импульса накачки (стокса) не превышает 0.8 пс-1 (0.5 пс-1 ) при полном изменении частоты за длительность импульса21.4 пс-1 (18.5 пс-1 ). Как видно, аккуратное управление фазой импульсов позволило повысить спектральное разрешением приблизительно в 17 раз cо 100 см-1 прииспользовании спектрально ограниченных импульсов (рис.
4.15а) до 6 см-1 прифазовомодулированных импульсах накачки (рис. 4.17), что позволило достовер-96480Длина волны, нмДлина волны, нм480475470465460−5 0000Время, фс475470465460−5 0005 0000.020.00−0.02−6−4−2 0 2 4 6Время, пс(в)−0.04Интенсивность, отн.ед.0.0410.80.60.40.200.020.00−0.02−4 −2 0 2Время, пс4Отклонение частоты, фс−110.80.60.40.205 000(б)Отклонение частоты, фс−1Интенсивность, отн.ед.(а)0Время, фс(г)Рисунок 4.16: Спектрохронограммы XFROG ((а), (б)), временные огибающие идевиации мгновенной частоты (синие сплошные линии и зеленые пунктирные на(в), (г)) и идеальный линейный чирп (сплошные красные линии на (в), (г)) импульсов накачки (а), (в) и стокса (б), (г).но различить такие схожие материалы как полистирол и толуол по ВКР-спектру,отличающиеся всего одним атомом углерода по химической формуле.Как было отмечено ранее, ВКР-сигнал линейно зависит от концентрацийкомбинационно-активных молекул.
Высокое спектральное разрешение реализованной методики позволило провести дискриминацию компонент в смеси ацетона, толуола и изопропанола, комбинационные спектры которых сильно перекрываются на частотах около 2900 см-1 . В проведенном эксперименте жидкости смешивались в различных долях в кварцевой кювете. Были записаны как опорные97Интенсивность, отн.ед.10.80.60.40.202 800 2 850 2 900 2 950 3 000 3 050 3 100 3 150Спектральный сдвиг, см−1Рисунок 4.17: ВКР-спектры высокого разрешения полистирола (зеленая линия) итолуола (синяя).
Погрешность измерений мала по сравнению с масштабом графика.ВКР-спектры каждой жидкости по отдельности (ацетон – синяя штрихпунктирная линия, толуол – зеленая штриховая линия, изопропанол – розовая пунктирнаялиния на рис. 4.18а), так и спектры смесей. Восстановление концентраций составных частей осуществлялось при помощи методики анализа главных компонент(PCA, principal component analysis) [132; 133], основанной на поиске минимуманормы minc ∥Σ ∗ C − SRS∥, где С – искомые концентрации компонент смеси,Σ – матрица, составленная из опорных спектров компонент смеси, SRS – спектрсмеси, и результаты которой приведены на ternary plot (рис.
4.18б). Значения восстановленных концентраций (закрашенные кружки на рис. 4.18б) были полученыиз объема жидкости всего 16 фемтолитров и имеют отклонения от ожидаемых(полые кружки на рис. 4.18б) не более чем 4%, что может быть объяснено плохимперемешиванием веществ, частичным испарением жидкостей, наличием остатковпредыдущих смеси при приготовлении новой. На рисунке рис.
4.18а представленизмеренный спектр смеси жидкостей (черные кружки), взятых с соотношением3:1:2 (ацетон:толуол:изопропанол), и восстановленный по опорным спектрам сотносительными концентрациями 3.03:1:1.96 (красная линия).98Интенсивность, отн.ед.10.80.60.40.202 8502 9002 9503 0003 050Спектральный сдвиг, см−1(а)(б)Рисунок 4.18: Экспериментально измеренные относительные концентрации химических веществ по спектру ВКР.
(а) ВКР-спектры ацетона (синяя штрихпунктирная линия), толуола (зеленая штриховая линия), изопропанола (розовая пунктирная линия) и их смеси (черные заполненные кружки), красная сплошная линия – результат восстановления соотношения концентраций составных компонент смеси. Погрешность измерений мала по сравнению с масштабом графика. (б)Восстановленные по спектрам (заполненные кружки) и ожидаемые (полые кружки) относительные концентрации компонент смесей.Для практического применения методик КАРС- и ВКР-микроскопии призондировании биологических тканей необходимо определить границы чувствительности техник.
Предельно малую концентрацию вещества, которую еще можно зарегистрировать, можно оценить из соотношения сигнал-шум S/N ≡ 1 дляразличных методик когерентной рамановской спектроскопии, где S = i2sig - квадрат тока полезного сигнала в системе регистрации, N = σ2bg + σ2T + σ2sh – дисперсия тока вследствие флуктуации фона σ2bg , а также теплового σ2T и дробовогоσ2sh шумов детектора.
Главным ограничением чувствительности методики КАРСпри регистрации фотоэлектронными умножителями, обладающие малыми дробовыми и тепловыми шумами, заключается в шумах лазера ε, которые транслируются в шумы генерирующегося нерезонансного фона, что приводит к выражению()2(S/N )CARS = ε−2 χ′ /χN R , где χ′ = Re(χR ) – действительная часть резонансного вклада, χN R – нерезонансная восприимчивость, ε – уровень относительных шумов средней мощности лазерного излучения. Принимая во внимание, что колеба-99тельные линии молекул в области отпечатков пальцев имеют χ′ /χN R ≈ 5, а современные лазерные генераторы с синхронизацией мод весьма стабильны ε ≈ 1%,то оценка предельной чувствительности методики дает 2 мМ (ммоль/л).С другой стороны, методика ВКР-спектроскопии с использованием модулированной по амплитуде на радиочастоте одной из волн накачки практическисвободна от фона, что позволяет проводить измерения, ограниченные только шумами детектирующей аппаратуры: (S/N )SRS = 4K 2 PR Ppu /σ2T + σ2sh , где K =0.5 А/Вт – характерная чувствительность широко используемых кремниевых фотодиодов, Ppu – средняя мощность детектируемой волны, в наших экспериментах( dσ )1 λ3stволны накачки, PR = Ppu Ist 2hcn∆νdΩ L, где n – концентрация(комбинационно)dσактивных молекул с дифференциальным сечением рассеянием dΩ, Ist – интенсивность стоксовой волны, ∆ν – ширина резонанса, h – постоянная Планка, с –скорость света, λst – длина волны стокса, L – длина взаимодействия, τ – длительность стоксового импульса, σ2T = 4kT ∆f /R, где k – постоянная Больцмана, T =300 К – температура приемника, ∆f = 0.35Tc−1 – ширина частот электрическогосигнала, определяемая временем записи сигнала одного пикселя изображения, R= 50 Ом – омическая нагрузка детектора, σ2sh = 2eKPpu ∆f , где e – элементарныйэлектрический заряд.
Были рассчитаны уровни полезного и шумового сигнала дляпараметров, соответствующих проведенным экспериментам Ppu = Pst = 10 мВт,∆f = 10 кГц, d = 7 мкм – размер пятна. Оценки вкладов шумовых компонентдетектора σT = 1.8 нА и σsh = 4 нА оказались одного порядка, следовательно,уменьшение средней мощности попадающего на диод света ниже 2 мВт, что возможно при исследовании сильно рассеивающих тканей, приводит к ограничениюпредельной чувствительности тепловыми шумами. Ток полезного сигнала в условиях фемтосекундного эксперимента при зондировании группы CH-колебаний c( dσ )шириной ∆ν/c = 100 см-1 и dΩ≃ 10−30 см2 при концентрации N = 3 · 1022 cм-3равен 720 мкА, а в случае зондирования менее интенсивных линий области отпе( dσ )чатков пальцев молекул (∆ν/c = 20 см-1 и dΩ≃ 10−31 см2 ) пикосекунднымиимпульсами ток равен 102 мкА.
Следовательно, можно ожидать предельную чувствительность при визуализации липидов и белков, насыщенных CH-группами,на уровне 6 µM и около 40 µM при исследовании спектров молекул в областиотпечатков пальцев [134].В действительности, при экспериментальной реализации ВКР-микроскопиичасто присутствует фон, связанный с двухфотонным поглощением (ДФП) фотонов накачек. Искажения пучков из-за наведенной линзы можно подавить, выби-100рая коллиматор и фотодетектор большой числовой и пространственной апертуры. При зондировании биотканей сложно избежать проявления двухфотонногопоглощения, широкое исследование которого было инициировано развитиемметодики многофотонной автофлуоресцентной микроскопии белков, присутствующих в клетках: эластин, кератин, НАДФ, ретинол и ряд флавинов.
Нелинейнооптическая модуляция излучения за счет ДФП ограничивает чувствительностьмикроскопии ВКР, что будет учтено в расчётах в виде обладающего шумами√лазера ε фона: σbg ≡ σT P A − 2εK PT P A Ppu где PT P A = Ppu (Ist λst /2hc) nσ(2) L,σ(2) = 0.01 ГМ (1 ГМ = 10-50 см4 с) – характерное значение сечения двухфотонного поглощения для ряда белков, присутствующих в биотканях с концентрациейдо n = 50 мM [135]. Фон, связанный с вкладом ДВП в ток в фемтосекундномслучае равен 50 мкА, а шум соответствует лазерному ε = 1% – 0.50 мкА, дляпикосекундного режима фон и шум получаются 5 мкА и 0.05 мкА, соответственно. Видно, что шумы фона ДФП в биотканях могут на два порядка превышатьвнутренние шумы системы детектирования и ограничивают предельную чувствительность на уровне 350 µM и 500 µM ВКР-микроскопии при зондированиигруппы CH-колебаний и резонансов области отпечатков пальцев, соответственно.Выполненные исследования демонстрируют высокое спектральное разрешение предложенной лазерной системы при использовании управляемых по фазеширокополосных импульсов, достигающее значений не хуже 10 см-1 .
Подобнаяточность позволяет различать вещества, химические формулы которых отличаются только одним атомом углерода. Также становится возможным восстановление концентраций составных частей смесей крайне малых объёмов с отклонениемот точного значения, не превышающим 4%. Кроме того, была определена предельная чувствительность КАРС- и ВКР-микроспектроскопии при зондированиигруппы CH-колебаний и резонансов области отпечатков пальцев.101Заключение1.
На основе результатов численного моделирования распространения лазерного излучения с центральной длиной волны в среднем инфракрасном диапазоне длин волн в фотонно-кристаллическом халькогенидномволокне и последующей компенсации нелинейного набега фазы с помощью нелинейного кристалла CaF2 показано, что солитонные режимыспектрально-временного преобразования световых импульсов в подобных волокнах позволяют осуществить солитонную компрессию импульсов до длительностей около одного периода поля. Для импульсов длительностью порядка 100 фс субкиловаттного уровня пиковой мощностив диапазоне длин волн 3.4 – 3.7 мкм после сжатия были получены импульсы длительностью около 10 фс.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
