Исследование эффекта бимодальности временных распределений лазерных импульсов, прошедших через сильнорассеивающую биологическую среду

• Автор: Пьянов, Иван Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 112 с. : ил.

Глава 1. Взаимодействие оптического излучения с сильнорассеивающим биологическим веществом
1.1. Прохождение оптического излучения через среду
1.2. Определение оптических характеристик биологических сред
1.3. Экспериментальные системы для определения оптических характеристик сильнорассеивающих биологических сред
1.4. Выводы
Глава 2. Описание прохождения лазерного излучения через однородную сильнорассеивающую среду
2.1. Уравнение переноса излучения для однородной СРС
2.2. Описание баллистических фотонов с помощью УПИ
2.3. ^-приближение УПИ
2.4. Диффузионное приближение УПИ
2.5. Приближение "рассеяние прямо назад" УПИ
2.6. Нестационарная осевая модель переноса излучения
2.7. Выводы
Глава 3. Экспериментальное исследование эффекта бимодатытости временных распределений ультракоротких лазерных импульсов, прошедших через однородную сильнорассеивающую среду
3.1. Экспериментальная установка
3.2. Режим регистрации одиночных фотонов с временной корреляцией
3.3. Выделение баллистических фотонов
3.4. Коррекция влияния аппаратной функции
3.5. Получение экспериментальных бимодальных временных распределений
3.6. Метод определения коэффициентов поглощения и рассеяния и
фактора анизотропии сильнорассеивающих биологических сред
3.7. Экспериментальное исследование зависимости оптических характеристик сильнорассеивающих биологических образцов
от концентрации рассеивателя и длины волны лазерного излучения
3.8. Выводы
Заключение
Список использованных сокращений
Список литературы

Актуальность работы
Одной из важных задач физики конденсированного состояния является изучение процесса распространения оптического излучения, в частности ультракоротких лазерных импульсов, в сильнорассеивающих средах (СРС), к которым принадлежат и биологические ткани. Практическое значение этих исследований состоит в том, что без углублённого анализа физических процессов в СРС не могут разрабатываться и развиваться новые оптические методы неинвазивного и информативного исследования биологических тканей, в частности, фотометрия рассеивающих сред и трансмиссионная оптическая томография. Разработка таких перспективных методов связана с рядом принципиальных проблем, основной из которых является сложность описания процесса взаимодействия оптического излучения с веществом, в особенности, процесса рассеяния оптического излучения в биологических тканях. Исследование этих процессов практически выделилось в отдельное научное направление.
В случае фотометрии рассеивающих сред возможно получение дополнительной информации об исследуемом образце за счёт одновременного определения нескольких оптических характеристик, основными среди которых являются коэффициент поглощения, коэффициент рассеяния и фактор анизотропии.
Обычно при определении оптических характеристик биологических образцов делают предположение о чисто поглощающей среде, в которой отсутствует рассеяние, т.е. определяют только коэффициент поглощения. При этом можно использовать источник постоянного во времени излучения. Для определения рассеивающих характеристик необходимо использовать импульсное излучение и регистрировать временные распределения прошедших через рассеивающий образец лазерных импульсов. При этом уже необходимо одновременно определить два коэффициента - поглощения и рассеяния. Кроме того, существует третья важная характеристика рассеивающей среды - фактор анизотропии. Для его определения известна методика, использующая несколько временных распределений при разной концентрации одного и того же рассеивателя. Этот подход требует больших затрат времени и дополнительных предположений.
Существует особая форма временного распределения - так называемое бимодальное временное распределение. До настоящего времени эффект бимодальности временных распределений лазерных импульсов, прошедших через рассеивающий слой, был изучен недостаточно. В то же время теоретическое и экспериментальное изучение основных закономерностей, лежащих в его основе, даёт возможность создать новые методы одновременного определения основных оптических характеристик сильнорассеивающих биологических образцов, что, в свою очередь, позволит получить дополнительную информацию об исследуемых объектах. Таким образом, исследование эффекта бимодальности временных распределений ультракоротких лазерных импульсов, прошедших через однородную сильнорассеивающую биологическую среду и определение на его основе оптических характеристик рассеивающих образцов является актуальной задачей физики конденсированного состояния.

Целью работы являлось исследование эффекта бимодальности временных распределений ультракоротких лазерных импульсов, прошедших через
однородную сильнорассеивающую биологическую среду и разработка, на его основе, метода одновременного определения коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния и фактора анизотропии рассеивающих образцов.
Научная новизна работы
1. Экспериментально найдено соотношение между толщиной слоя
конденсированной рассеивающей среды и концентрацией рассеивателя, определяющее область существования бимодальной формы временного распределения ультракороткого лазерного импульса, прошедшего через
исследуемый образец.
2. Впервые определены коэффициент поглощения, коэффициент рассеяния и фактор анизотропии рассеивающей среды по одному бимодальному временному распределению ультракороткого лазерного импульса после его прохождения через однородный рассеивающий слой.
3. На основе исследования эффекта бимодальности временных распределений ультракоротких лазерных импульсов предложен метод одновременного определения коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния и фактора анизотропии рассеивающей среды.
Научная и практическая ценность работы
1. Разработанная экспериментальная установка с режимом регистрации одиночных фотонов с корреляцией по времени может быть использована для изучения распространения оптического излучения в рассеивающих средах.
2. Найденное соотношение между толщиной слоя рассеивающей среды и концентрацией рассеивателя может быть использовано для нахождения экспериментальных условий, при которых достигается эффект бимодальности, временного распределения ультракороткого лазерного импульса, прошедшего через исследуемый образец.
3. Предложенный метод одновременного определения коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния и фактора анизотропии рассеивающей среды может быть использован при лабораторных исследованиях биологических тканей, а также других рассеивающих свет образцов.
4. Предложенный новый тип фотометра может быть использован для определения оптических характеристик рассеивающей среды.
5. Результаты исследования прохождения ультракоротких лазерных импульсов через сильнорассивающие биологические среды могут быть использованы для создания новых типов фотометрических приборов.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Эффект бимодальности временных распределений ультракоротких лазерных импульсов при их прохождении через слой рассеивающей среды обеспечивает возможность одновременного определения трёх оптических характеристик рассеивающих образцов - коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния и фактора анизотропии.

методы коррекции экспериментально полученных временных распределений. В качестве такой коррекции может применяться методика поиска оптимальной аппаратной функции измерительной системы. В качестве жидкой модельной биологической СРС может быть использован раствор рассеивателя в растворителе (чистой воде). Плавное изменение концентрации рассеивателя позволяет изменять рассеивающие свойства среды.
Существенный практический интерес представляет одновременное наблюдение баллистических и рассеянных фотонов (т.е. бимодальность ВР), способное дать дополнительную информацию об объекте исследования. Для непосредственного наблюдения бимодального ВР необходимо установить диапазон значений концентраций рассеивателя, при котором возможно такое наблюдение; выявить зависимость диапазона значений концентрации рассеивателя от толщины исследуемого образца.
Для исследования зависимости интенсивности баллистических фотонов в диапазоне концентрации рассеивателя, когда в прошедшем через СРС излучении преобладают рассеянные фотоны, возможно использование экспериментальных методов выделения баллистических фотонов.
На основе эффекта бимодальности ВР ультракоротких лазерных импульсов возможна разработка метода одновременного определения оптических характеристик сильнорассеивающих биологических образцов.
В основу разрабатываемого метода одновременного определения оптических характеристик СРС по одному бимодальному временному распределению может быть положена нестационарная осевая модели, позволяющая описывать и баллистические, и рассеянные фотоны, содержащиеся в бимодальных ВР.
Исследования прохождения импульсного оптического излучения через сильнорассеивающую среду и наблюдение эффекта бимодальности проводились с помощью экспериментальной установки, блок-схема которой приведена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 - источник излучения -фемтосекундный импульсный лазер; 2 - входной светофильтр; 3 - переменный аттенюатор; 4 - модельная сильнорассеивающая биологическая среда; 5 - выходной светофильтр; 6 - микроканальный ФЭУ; 7 - предусилитель сигнала с выхода МФЭУ; 8 - устройство управления предусилителем и микроканальным ФЭУ; 9 - устройство обработки данных; 10 - персональный компьютер; 11 - источник питания лазера;
12 — светозащитный модуль