CC BY
116
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЭЛЕМЕНТАМИ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ И БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
А.В. Беликов, А.Б. Веселовский, В.Б. Карасев, А.В. Лендяев, В.В. Назаров, О.А. Смолянская, В.А. Тарлыков, Г.Д. Фефилов, Л.В. Хлопонин, И.Г. Ходус,
В.Ю. Храмов
Впервые исследована температурная динамика пропускания и ИК спектров поглощения липидов. Обнаружены спектральные особенности, отвечающие термостимулированному переходу липидов из а-полиморфной формы в более стабильную р-форму. Разработана модель дифракции лазерного излучения на агрегированных эритроцитах, получена связь степени агрегации с координатой первого минимума функции рассеяния. Лазерная дифрактометрия на двух длинах волн использована для измерения показателя преломления сферулированных эритроцитов. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили применимость лазерной дифрактометрии для измерения показателя преломления эритроцитов. Отмечена роль волоса и такого его параметра, как поперечный размер, который является важным для диагностирования различных патологий как самого волоса, так и состояния живого организма в целом. Показана перспективность дифракционного способа измерения поперечного размера волоса. Предложен способ оптимального преобразования сигнала в дифрактометрии, основанный на пространственно-временной фильтрации, позволяющий существенно снизить влияние аддитивной и параметрической помехи. Проведено исследование оптических свойств динамического градиентного отражателя (ДГО), построенного на основе модифицированного интерференционного отражателя, в конструкции которого использован НПВО-затвор. В результате численной оптимизации показано, что использование ДГО в качестве полностью отражающего зеркала в плоскопараллельном резонаторе моноимпульсного твердотельного лазера может увеличить яркость выходного излучения примерно в 1,5 раза по сравнению с резонатором, использующим градиентное или традиционное выходное зеркало.
Успешное применение источников когерентного и некогерентного излучения в биологии и медицине стимулирует дальнейшее развитие научных исследований в этой области. В медицинской практике развиваются методы, основанные на хорошо контролируемом по температуре, времени и пространству нагреве человеческих тканей и органов инфракрасным излучением. Данные методы для достижения лечебного эффекта очень часто используют комбинированное воздействие ряда факторов. Так, например, одновременно с воздействием световым излучением биологические ткани нагревают или охлаждают. Обычно в эти процессы вовлекаются ткани различного типа, в том числе и жировая ткань. Для применения подобного рода технологий знание оптических свойств ткани является крайне необходимым. Однако в современной литературе эта информация носит далеко не полный характер.
В биологии, медицине, биофизике, биохимии и т.д. широко применяются оптические методы измерения, основанные на рассеянии излучения. В биологии и медицине, где одним из основных объектов исследования являются форменные клетки крови, данные методы могут использоваться для нахождения их геометрических и физических параметров
Идентификация клеток с использованием стандартных методов биохимического анализа, как правило, занимает много времени. Оптические же методы в большинстве случаев являются более удобными и позволяют при минимальных затратах труда и времени идентифицировать клетки и получить информацию об их важнейших характеристиках. Основными достоинствами оптических методов являются неконтактность, малое время измерения, высокая точность и т.д.
При исследовании крови одними из основных объектов исследования является эритроциты, которые, с одной стороны, является отличными индикаторами всех процессов, происходящих в организме, с другой стороны - очень удобными объектами исследования в силу их сравнительно больших размеров.
Изменение формы эритроцита, как правило, сопровождается изменением его объема и, как следствие, внутреннего содержимого. Поэтому основными параметрами кон-
троля являются его геометрические размеры, а в качестве физического параметра - показатель преломления, характеризующий изменение состава и концентрации внутреннего содержимого. Информационным параметром эритроцитов является также их способность объединения в группы - агрегация.
В настоящей работе представлены результаты фундаментальных исследований, направленных на изучение взаимодействия оптического излучения с элементами лазерных систем и биологическими объектами.
1. Исследование температурной динамики оптических свойств липидов
Как известно, основными компонентами жировой ткани являются триацилглице-риды. Фазовое поведение триацилглицеридов хорошо известно [1-3]. Кристаллические триацилглицериды, как и жирные кислоты, могут кристаллизоваться в различные кристаллические модификации, называемые полиморфными формами. Эти формы существенно различаются по структуре и параметрам кристаллической решетки, по температуре плавления, плотности и другим физическим свойствам, но, в отличие от позиционных изомеров, дают идентичную жидкую или газообразную фазы [2]. Способность к полиморфным превращениям весьма свойственна соединениям жирного ряда с длинной цепью и в их числе триацилглицеридам природных жиров. Главными модификациями являются гексагональная, орторомбическая и триклинная формы (их обозначают а, в' и в, соответственно). В гетерогенных системах фазовые переходы могут быть энантиотропными, т.е. осуществляться обратимо в обоих направлениях без расплавления при повышении или понижении температуры системы, или монотропными, которые необратимы, протекают с потерей свободной энергии в направлении более устойчивой формы и для обратного получения нестабильной полиморфной формы требуют промежуточного расплавления [1]. Для триацилглицеридов характерны главным образом монотропные фазовые переходы. Кристаллическая структура смесей триацилгли-церидов также может относиться к а, в' и в модификациям, однако их фазовое поведение очень сложно. Направление полиморфных превращений и образование тех или иных форм зависят от температуры нагревания, давления, скорости кристаллизации, наличия или отсутствия растворителя, содержания примесей [1-3]. Следовательно, о кристаллических, термических и других физических свойствах отдельного триацилгли-церида в определенных условиях среды можно говорить только после определения полиморфной формы, в которой находится в данный момент это соединение. Экспериментальных данных по термооптике смесей триацилглицеридов и природных жиров очень мало [4, 5]. Известно, что они могут образовывать множественные твердые растворы и микрогетерогенные эвтектические смеси. Существенно, что их фазовые превращения в значительной степени зависят от термической истории образца.
В рамках настоящей работы изучалась температурная динамика ИК и видимого спектров жира путем анализа интенсивности прошедшего света в диапазоне температур от 1°С до 50°С. Для каждой температуры был снят спектр поглощения жира в ИК и БИК областях спектра, и был зафиксирован спектр полос. Исследовалась связь пропускания света жировой тканью с ее температурой. Фиксировались полосы поглощения в спектрах, и изучалась связь между температурой, полосами поглощения в спектрах и агрегатным состоянием жира. Особое внимание обращалось на характер поведения вышеописанных потоков вблизи температур, соответствующих изменению фаз состояния жировой ткани. Таким образом, исследовалась температурная динамика потока света, прошедшего через образец человеческого жира in vitro.
ИК фурье-спектры регистрировались с помощью спектрометра Perkin-Elmer 1760X c MCT приемником по методике НПВО, с разрешением 4 см-1 и усреднением 150-200 сканирований. Для получения спектров использовался элемент многократного
НПВО из германия с углом падения 45°. Спектры регистрировались относительно спектра элемента НПВО. Для того чтобы учесть увеличение интенсивности спектров за счет растекания (при плавлении) жира по элементу НПВО, интенсивности полос нормировались на интенсивность поглощения метиленовых групп у^СН (~2920 см-1), так как считается, что коэффициент поглощения уа8СН2 слабо зависит от температуры. Интенсивность этой полосы может изменяться за счет изменения площади контакта образца (жира) и элемента НПВО при растекании жира. Температура повышалась в интервале от +5°С до +50°С с помощью элемента Пельтье. Температура регистрировалась термопарой, помещенной внутрь образца. Измерительная головка термопары располагалась на расстоянии не более 2±0.5мм от границы наблюдаемой области.
Спектры в видимой и ближней ИК (БИК) области регистрировались в режиме пропускания с помощью спектрофотометра ЬашЬёа-9 (Регкт-Б1шег) при скорости сканирования 240 нм/мин и щелевой программе 2 нм с пустым каналом сравнения. Спектр фона (электрический ноль) регистрировался в присутствии кварцевого окна в канале образца. Образец представлял собой тонкий срез свиного жира (порядка 100 мкм), сделанный при комнатной температуре и зажатый между двумя кварцевыми окнами. Температура менялась от 24 °С до 50 °С, затем 20 °С, 15 °С и 10 °С. При интерпретации спектров учитывалось, что при 1670 нм, 1190 нм и 860 нм в приборе происходит смена фильтров, что может привести к появлению артефакта в спектрах. Обзорные спектры представлены на рис .1.1 (для видимой и ближней ИК области) и рис .1.2 (для ИК области).
Длина волны, нм
Рис.1.1. Видимый и ближний ИК спектр поглощения жировой ткани in vitro
Анализ спектров поглощения жира в видимом, БИК и ИК диапазонах при различных температурах позволяет заключить, что при +26 °С начинается переход триацилг-лицеринов из а-полиморфной формы в более стабильную в-форму, об этом свидетельствует коротковолновый сдвиг полосы с 8.5 на 8.46мкм . Кроме того, начиная с +26 °С, в спектрах появляется новая полоса 835 см-1, характерная для в-формы триглицеридов. При нагреве жировая ткани до +30 °С в спектре жировой ткани пропадают два пика 7,96 мкм и 10,26 мкм, что может быть объяснено испарением некоторых компонент жировой ткани. При температурах (+38)-(+45) °С наблюдается следующий (после перехода +26 °С) фазовый переход жира в состояние, для которого характерно изменение вязкости, об этом свидетельствует прекращение изменения отношения интенсивностей полос поглощения асимметричного и симметричного колебания метиленовых групп.
В экспериментах по исследованию пропускания в качестве источника излучения была взята галогеновая лампа. Образец помещался на прозрачную подложку и вместе с последней фиксировался на предметном столике микроскопа. Толщина образца состав-
ляла 1±0,1 мм. Температура регистрировалась термопарой, помещенной внутрь образца. Измерительная головка термопары располагалась на расстоянии не более 2±0.5 мм от границы наблюдаемой области. Регистрация светового потока, прошедшего через образец, осуществлялась с помощью ССБ-видеокамеры. После камеры изображение передавалось на персональный компьютер для обработки и хранения.
Длина волны, нм 0,5
0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 -0,1
vC -O
YC H2
2
4
6
8 10 12 14
Поглощение, отн. ед. Рис.1.2. ИК спектр поглощения жировой ткани in vitro.
Образец можно было нагревать или охлаждать. Для нагревания использовался элемент Пелтье, соединенный с прозрачной подложкой. Охлаждение осуществлялось с помощью воздушно-капельного потока газа (фреон) из баллона (Fiber Instrument Sales Inc., New York) направляемого на прозрачную подложку. Экспериментальная установка позволяла в один и тот же момент времени записывать значение температуры жировой ткани и компьютерную фотографию (в виде *.bmp файла) обращенной к объективу микроскопа стороны образца.
В результате исследований было установлено, что при увеличении температуры образца жировой ткани от +5 оС до +50 оС возрастает интенсивность светового потока, локализованного в области малых углов (коллимированная составляющая) и уменьшается интенсивность светового потока, локализованного в области больших углов (диффузная составляющая). Интенсивность диффузно-рассеянной компоненты света, прошедшего слой жировой ткани толщиной 1 мм, уменьшается в 1,5 раза. Интенсивность коллимированной компоненты света увеличивается в 3 раза. Наиболее сильные изменения происходят при температуре +(26-28) оС.
2. Лазерная дифрактометрия степени агрегации эритроцитов
Агрегационная способность эритроцитов - одно из основных реологических свойств крови. Образование агрегатов («монетных столбиков» эритроцитов) в кровотоке происходит непрерывно и определяет их роль в газообмене. Необратимая агрегация эритроцитов способствует нарушению микроциркуляции в органах и тканях.
В процессе агрегации в образце наблюдаются как свободные эритроциты, так и монетные столбики. При исследовании дифракции лазерного излучения на биологических частицах в качестве модели объекта будем использовать его теневое сечение. Монетный столбик представляет из себя совокупность эритроцитов, соединенных друг с другом по плоскости. Форму каждого одиночного эритроцита в поперечном сечении в этом случае можно рассматривать как частицу, состоящую из прямоугольника и двух полудисков, а
монетный столбик - как их совокупность (рис. 2.1) [6-8]. Для определения влияния реальной формы эритроцитов на вид дифракционного распределения рассматривались модели: прямоугольник, описанный вокруг монетного столбика, вписанный в него, и прямоугольник среднего размера (проходящий через середину выступов). Интегральные сечения дифракционных картин монетного столбика и прямоугольника практически идентичны. Это, вероятно, связано с тем, что соотношение площадей прямоугольника и полудиска: с пд _<< 1. За теневое сечение такого объекта можно принять прямоугольник.
с
пр
г
I
Рис. 2.1. Модель монетного столбика в виде прямоугольников и полудисков
При исследовании агрегации в образце наблюдаются хаотически расположенные монетные столбики и свободные эритроциты.
Была разработана модель дифракции на агрегированных эритроцитах. Поскольку в рассматриваемой модели существует два типа объектов: свободные эритроциты (кружочки) и монетные столбики (прямоугольники), то в формировании дифракционного распределения участвуют три основных размера: длина монетных столбиков (И), их ширина (Ь) и диаметр свободных эритроцитов ($). В эксперименте монетные столбики в камере Горяева расположены и ориентированы случайным образом как по углу, так и на плоскости.
Были построены модели для различных степеней агрегации - от 0% до 100% с шагом 5% . Общее число эритроцитов для всех моделей было фиксировано и равно 500. Высота всех монетных столбиков была одинакова и соответствовала 10 эритроцитам. Дисперсность по ширине и высоте монетных столбиков и размеру свободных эритроцитов не учитывалась.
В силу случайного расположения и ориентации по углу большого числа однотипных объектов на плоскости распределение интенсивности в дифракционной картине имеет кольцевую структуру. В результате моделирования было выявлено, что за формирование характерных точек функции рассеяния и интенсивности центрального лепестка отвечает ширина монетных столбиков.
Предполагается, что диапазон изменения координаты первого минимума связан со степенью агрегации. В случае нулевой агрегации (все эритроциты свободны, что возможно в №С1) координата минимума и соответствует положению дифракционного минимума круглой частицы (1,22п). В случае полной агрегации координата минимума и соответствует ширине монетного столбика (п). Результат моделирования подтвердил данное предположение. В реальных популяциях агрегированных эритроцитов наблюдаются монетные столбики различной длины и ширины. Дисперсность по ширине и длине монетных столбиков оказывает влияние в первую очередь на контраст ДК, равный
где 10, 1осн - соответственно амплитуды модуля нулевой и основной гармоник фурье-спектра выровненной ДК. Величина контраста для одинаковых объектов составляет 85%. Наличие разброса монетных столбиков по ширине практически не приводит к из-
менению вида функции рассеяния. Разброс монетных столбиков по длине приводит к понижению контраста ДК до 75 % .
Для всех образцов исследование агрегационной способности эритроцитов осуществлялось двумя методами - микроскопическим и методом лазерной дифрактометрии. Приготовление образцов крови осуществлялось одинаково для обоих методов. В основу методов положена способность аутологичной плазмы «фиксировать» фрагменты агрегатной структуры крови.
В ходе эксперимента фиксировалось распределение интенсивности и размера дифракционной картины (первого и второго колец).
Под наблюдением находилось 17 больных с множественной миеломой (ММ) (женщин 10, мужчин 7) в возрасте от 53 до 76 лет с длительностью заболевания от 6 месяцев до 12 лет. Кровь брали из локтевой вены человека с помощью инъекционной иглы в сухую центрифужную пробирку. В качестве стабилизатора в пробирки добавлялся гепарин (100 МЕ гепарина на 1 мл крови) для предотвращения свертывания крови.
Агрегации эритроцитов доноров свойственно образование отдельно лежащих небольших монетных столбиков, в то время как в крови больного наблюдаются патологические изменения - образование более крупных конгломератов.
Рис. 2.2. Связь степени агрегации и координаты первого минимума, полученная
экспериментально
С целью определения связи степени агрегации эритроцитов и положения экстремальных точек ДК проведено измерение среднего радиуса совокупности агрегированных эритроцитов дифрактометрическим способом. Суспензию эритроцитов вводили в камеру Горяева и помещали в дифрактометр. ДК фиксировали на экране монитора. Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 2.2. Полученная зависимость хорошо аппроксимируется полиномом второго порядка:
Г(х)=а0 + а1х + а2х2.
В работе разработана модель дифракции лазерного излучения на агрегированных эритроцитах. Получена связь степени агрегации с координатой первого минимума функции рассеяния.
3. Измерение показателя преломления эритроцита
При исследовании биологических частиц рефрактометрический анализ проводят, используя светорассеяние. В большинстве работ по измерению показателя преломления биологических частиц получаемые теоретические и экспериментальные результаты интерпретируются на основе теории Ми.
Для определения показателя преломления биологических частиц в основном используется измерение интенсивности излучения, рассеянного под определенными уг-
лами. Согласно теории Ми, при дифракции плоской электромагнитной волны на однородной сфере интенсивность дифрагированного излучения зависит от дифракционного параметра р = кап (к=2п/Х - волновое число, X - длина волны, а - радиус частицы, ~ -комплексный показатель преломления, п = п - ¡% (п - вещественный показатель преломления, х - показатель поглощения).
В приведенных исследованиях авторы использовали модель гипоосмотического набухания эритроцитов [8-10].
Угловой размер дифракционного кольца (расстояние между одноименными минимумами интенсивности по обе стороны от центра ДК) по теории Ми является функцией показателя преломления и радиуса сфероцита, что и лежит в основе дифрактомет-рии показателя преломления эритроцита.
Согласно данным дисперсионной зависимости, показатель преломления эритроцита в пределах спектрального интервала 500-800 нм в основном зависит от концентрации гемоглобина и практически не зависит от длины волны излучения. Для уменьшения погрешности измерения, связанной с влиянием диаметра эритроцита и дисперсности размеров, в работе дифрактометрия проводилась на двух длинах волн. С уменьшением длины волны размер дифракционного кольца уменьшается; характер зависимости размера дифракционных колец от показателя преломления сохраняется. Чувствительность размера дифракционного кольца к показателю преломления и диаметру с уменьшением длины волны растет. Погрешность измерения относительного показателя преломления эритроцита
5п=(фном/^й) 5(ф),
где фном - номинальное значение размера дифракционных колец, 5(ф) - погрешность измерения размера дифракционных колец.
Анализ дифракционного распределения, выполненный для разных длин волн, показал, что целесообразно использовать излучение с длинами волн 0,63 и 0,53 мкм. На данных длинах волн наблюдается максимальный контраст дифракционной картины; дисперсность совокупности эритроцитов по диаметру оказывает минимальное влияние на относительный размер дифракционных колец. Относительные показатели преломления по данным дисперсионной зависимости на длинах волн 0,53 и 0,63 мкм отличаются на величину 0,0005 (0,05%).
Размер дифракционных колец линейно уменьшается с увеличением диаметра эритроцита. Точность линейной аппроксимации зависимости размера дифракционных колец от диаметра эритроцита в диапазоне 6,8-8 мкм для длин волн 0,63 и 0,53 мкм составляет 0,3-0,6%, что можно считать несущественным при погрешности измерения размера дифракционных колец 1-2%. Это позволяет составить систему параметрических уравнений для определения показателя преломления и диаметра эритроцита. Решением данной системы являются значения показателя преломления и диаметра эритроцита.
В качестве источников когерентного излучения использовались Не-Ые - лазер (Х=0,63 мкм) и УЛО:Ыё - лазер, работающий на второй гармонике (Х=0,53 мкм). Для регистрации дифракционной картины применялась ПЗС-линейка.
Для исследования показателя преломления эритроцитов было использовано 17 образцов крови больных множественной миеломой и 5 образцов крови доноров. Обеспечение сферической формы эритроцитов достигалось путем помещения их в гипоос-мотические растворы разной осмолярности. Показатель преломления эритроцитов отдельно измерялся на длинах волн 0,53 и 0,63 мкм, а также рассчитывался по предложенной модели измерения показателя преломления для двух длин волн. Показатель поглощения эритроцита на этих длинах волн достаточно мал и в данной модели измерения показателя преломления не учитывается.
При набухании эритроцита в гипотоническом растворе объем клетки увеличивается за счет поступления в нее воды, что приводит к уменьшению концентрации гемоглобина в эритроците и, соответственно, показателя преломления клетки.
Проведенные исследования показали, что излучение с длинами волн 0,53 и 0,63 мкм неодинаково воздействует на эритроцит, что приводит к изменению жесткости эритроцитарной мембраны и, как следствие, отражается в характере набухания сферу-лированного эритроцита. Необходимо учитывать поглощение лазерного излучения гемоглобином эритроцитов и структурные перестройки при облучении образца крови.
Абсолютные значения показателя преломления эритроцита менялись в пределах 1,027-1,062 (^=0,63 мкм) и 1,015-1,046 (^=0,53 мкм). Это, по-видимому, также связано с влиянием лазерного излучения. Также обнаружено повышенное значение жесткости эритроцитарной мембраны на длинах волн 0,53 и 0,63 мкм для больных с повышенным значением концентрации общего белка и парапротеина, и, как следствие, меньший характер изменения показателя преломления клетки при гипоосмотическом набухании.
Характерной особенностью использования метода двух длин волн является то, что на результаты измерения показателя преломления эритроцита не оказывает влияние диаметр клетки, и погрешность измерения показателя преломления эритроцита будет зависеть от погрешности линейной аппроксимации зависимости относительного размера дифракционных колец от диаметра эритроцита. Это позволяет измерять показатель преломления эритроцита с относительной погрешностью порядка 0,1%.
Средний показатель преломления эритроцита при гипоосмотическом набухании, найденный по методу «двух длин волн», коррелирует с показателем преломления эритроцита, найденным из полученных данных по концентрации гемоглобина в эритроците путем использования формулы Гладстона-Дейла (см. рис. 3.1).
Пдк-
1,07 1,061,051,04 1,03 1,02 1,01-
1,005
1,010
1,015
Рис. 3.1. Корреляция показателя преломления сфероцита с показателем преломления
гемоглобина в исследуемом образце крови
4. Лазерная дифрактометрия малоразмерных биологических объектов
протяженной формы
Одним из биологических объектов протяженной формы является волос, растущий на теле человека. Волосы выполняют ряд важных функций, они образуют теплоизоляционный покров, предохраняют кожу от потертостей, воспаления и инфекционного заражения. Пушковые волосы участвуют в осязании. Ресницы защищают глаза от чрезмерного воздействия света и от инородных тел (мелких частиц и насекомых), волосы в носу и ушах задерживают пыль. Волосы действуют как защитный барьер, предохраняя как отдельные органы, так и живой организм в целом от воздействия термических и
биологических факторов, таких как засорение, заражение, ранение, удар, сдавливание [11]. По форме волоса можно определить расовую принадлежность человека.
Анализ состояния волос - это еще один доступный метод определения состояния здоровья человека. Связь, существующая между внешним видом волос и здоровьем, огромна. Измерение поперечного размера волоса (толщина волос человека колеблется от 0,04 до 0,12 мм.) бесконтактным методом (используя лазерную дифрактомет-рию) позволяет получить дополнительную информацию о патологии как самого волоса, так и состояния живого организма в целом и будет существенным дополнением к используемым методам анализа для установления более достоверного диагноза различных заболеваний.
Сравнительный анализ основных характеристик дифракционных способов измерения объектов микронных размеров (чувствительности, диапазона измерения) показывает, что дифракционный способ, основанный на измерении интервала между экстремальными точками дифракционной картины, является оптимальным.
Исследование спектра измерительного сигнала и математическое моделирование воздействия аддитивной помехи на погрешность дифракционного метода показывает, что практическая ширина спектра сигнала, описывающего распределение интенсивности в ДК, в десятки раз превосходит основную частоту сигнала, это делает малоэффективной борьбу с аддитивными помехами традиционными способами.
Для решения указанной проблемы разработан способ оптимального преобразования сигнала, основанный на пространственно-временной фильтрации измерительного сигнала из дифракционной картины [12, 13], что позволяет в последующем эффективно подавлять аддитивные помехи и, кроме того, существенно уменьшить влияние параметрических помех [14, 15].
Амплитудная пространственно-временная фильтрация измерительного сигнала в лазерной дифрактометрии основана на изменении во времени по заданному закону интенсивности регистрируемой ДК, синхронно с ее сканированием и преобразованием во временной сигнал [12]. При этом на выходе анализатора изображения возникает изменяющийся во времени поток излучения, обладающий равномерной амплитудой. Изменение интенсивности ДК во времени происходит в результате синхронного изменения мощности излучения лазера, падающего на контролируемый объект.
В основу синтеза нелинейно изменяющегося напряжения, управляющего мощностью излучения лазера, положен метод кусочно-линейной аппроксимации [12, 16]. Для реализации метода кусочно-линейной аппроксимации воспроизводимая функция на всем интервале разбивается на N участков длиной /{=Х;+1-Х; и на каждом из них заменяется прямой линией. Число участков разбиения и их координаты определяются заданной погрешностью аппроксимации А.
Огибающая максимумов ДК одномерных изделий, таких, например, как щель, волос или микропроволока, неизменна во всем диапазоне изменения контролируемых размеров. Поэтому сигнал, управляющий оптико-электронным аттенюатором, неизменен во всем диапазоне изменения размеров измеряемых изделий и является жестким детерминированным воздействием, начало которого синхронизовано с началом сканирования ДК.
Применение метода кусочно-линейной аппроксимации для моделирования сигнала управления позволяет создавать адаптивные и перестраиваемые дифракционные измерительные системы.
Разработана схема реализации амплитудного пространственно-временного фильтра. Проведены экспериментальные исследования предложенного амплитудного пространственно-временного фильтра. Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических выводов.
5. Исследование динамического градиентного отражателя с целью увеличения
яркости выходного излучения
Одним из традиционных способов увеличить яркость генерируемого излучения является использование градиентных выходных отражателей в резонаторах твердотельных лазеров [17-19]. Наряду с использованием традиционных методик, определенный интерес представляет проведение фундаментальных исследований, направленных на разработку новых внутрирезонаторных оптических элементов, позволяющих улучшить пространственно-энергетические характеристики лазерного излучения. Одним из возможных оптических элементов может являться динамический градиентный отражатель (ДГО), у которого пространственное распределение оптических характеристик изменяется в течение импульса генерации.
В настоящей работе рассматривается возможность применения в качестве ДГО хорошо известных оптико-механических лазерных затворов, основанных на применении явления НПВО [20]. Известно, что в процессе переключения у этих затворов величина зазора между рабочими поверхностями является функцией не только времени, но и координат. Представляет интерес рассмотреть применение затвора НПВО в качестве одного из элементов интерференционного отражателя, который применяется в качестве полностью отражающего зеркала в резонаторе твердотельного лазера, что позволило получить устройство [21], сочетающее свойства модулятора и полностью отражающего зеркала, обеспечивающего неразъюстируемость резонатора [22]. Нетрудно показать, что эффективный коэффициент отражения Reff, связывающий интенсивности падающей на отражатель Im и отраженной обратно в резонатор Iout волн, зависит от коэффициента пропускания затвора T следующим образом:
Reff=I1n/Iout=4T(1-T).
На основании данных, устанавливающих взаимосвязь между коэффициентом пропускания затвора T и величиной зазора между пластинами затвора, были определены зависимости Reff от радиальной координаты r для различных моментов времени включения затвора t/4w. При этом радиальная зависимость величины зазора между пластинами аппроксимировалась параболой. Из рис 5.1 видно, что в процессе переключения затвора радиальная зависимость коэффициента отражения изменяется от квазигауссовой до зависимости, имеющей минимум коэффициента отражения в центре апертуры.
В ходе численных исследований влияния характеристик интерференционного отражателя с НПВО-затвором на пространственно-энергетические характеристики лазерного излучения производилось сравнение яркостей излучения, полученных для трех моделей резонатора моноимпульсного лазера: 1 - плоскопараллельный резонатор с активным элементом, задним отражателем в виде ДГО и традиционным выходным зеркалом; 2 - плоскопараллельный резонатор с активным элементом, обычным модулятором добротности и выходным зеркалом, имеющим супергауссов профиль коэффициента отражения; 3 - плоскопараллельный резонатор с активным элементом, обычным модулятором добротности и традиционным выходным зеркалом. Анализ полученных результатов показал, что яркость излучения генерации существенным образом зависит как от числа Френеля Fn, которое определялось апертурой активного элемента, установленного в резонаторе, и изменялось в пределах 1-50, так и от значения апертурного фактора Fap=rap/rmax (rap, rmax - радиусы апертур активного элемента и НПВО-затвора соответственно), который принимал значения 0.4, 0.6, 0.8. Коэффициент усиления слабого сигнала был равен g0=4 и g0=7. Результаты расчетов, приведенные на рис. 5.2, показывают, что в активных средах со значительным коэффициентом усиления (g0=7) использование динамического градиентного отражателя может увеличить яркость выходного излучения примерно в 1,5 раза по сравнению с резонатором, использующим градиентное или традиционное выходные зеркала.
Reff
1.0
1.0
r/rm
Рис 5.1. Зависимости эффективного коэффициента отражения Reff динамического градиентного отражателя (ДГО) от радиальной координаты, для различных моментов времени переключения ДГО t/tsw=0.5; 0.6; 0.7; 0.8; 0.9; 1.0 (кривые 1-6 соответственно), tsw - время полного переключения ДГО, rmax - радиус апертуры
В, отн.ед.
3.0 г
2.5 -
2.0 -
1.5 -
1.0 -
0.5
0.0
Fn
Рис. 5.2 Зависимость яркости пучка излучения В от числа Френеля Рп для моделей резонатора 1 (кривые 1, 1', 1"), 2 (кривая 2) и 3 (кривая 3) при значении коэффициента усиления слабого сигнала д0=7 и значениях апертурного фактора Рар=0.4 (кривая 1),
0.6 (кривая 1'), 0.8 (кривая 1")
Заключение
3
4
Полученные в работе результаты демонстрируют специфику взаимодействия оптического излучения с биологическими объектами (жировой тканью, эритроцитами, биологическими объектами протяженной формы) и элементами лазерной системы. Найденные закономерности и особенности поведения биологических тканей и эритроцитов человека при различных внешних воздействиях могут быть использованы при создании методик лечения различных заболеваний. Использование предложенного динамического градиентного отражателя резонатора позволяет увеличить яркость излучения в полтора раза, что очень существенно для практического применения.
Представленные в настоящей работе результаты получены в ходе выполнения госбюджетной темы № 10002 «Исследование физических процессов в объектах квантовой электроники и биомедицинской оптики», выполняемой на кафедре квантовой электроники и биомедицинской оптики.
Литература
1. А.Г. Верещагин. Биохимия триглицеридов. М.: Наука, 1972.
2. Б. Н.Тютюнников. Химия жиров. М.: Пищевая промышленность, 1974.
3. Garti N., Sato K. Crystallization and polymorphism of fats ant fatty acids. New York: Marcel Deccer, 1998.
4. Баграташвили В.Н., Баграташвили Н.В., Игнатьева Н.Ю., Лунин В.В., Гроховская Т.Е., Аверкиев С.В., Свиридов А.П., Шах Г.Ш. Структурные изменения в соединительных тканях при умеренном лазерном нагреве. // Квантовая электроника. 2002. Т.32. №10.
5. Антонов В.Ф., Смирнова Е.Ю., Шевченко Е.В. Липидные мембраны при фазовых превращениях. М.: Наука, 1992.
6. Бессмельцев С.С., Лендяев А.В., Тарлыков В.А., Ходус И.Г. Использование лазерной дифрактометрии для измерения степени агрегируемости эритроцитов / Тез. докл. конф. «Лазеры. Измерения. Информация», СПб, 2001. С. 68-69.
7. Bessmeltsev S.S., Lendiaev A.V., Tarlykov V.A., Hodus I.G. Use of laser diffractometry for erythrocytes aggregation estimation // Proceedings SPIE^ 2002. Vol. 4680. P. 177-180.
8. Bessmeltsev S.S., Lendiaev A.V., Moskaleva A.U., Tarlykov V.A., Hodus I.G. The measurement of the refractive index and aggregation of the erythrocytes by the laser diffracto-metry method // Proceedings SPIE. 2002. Vol. 4900. P. 1031-1038.
9. Лендяев А.В., Тарлыков В.А. Дифрактометрия показателя преломления эритроцита/ Тез. докл. конф. «Лазеры. Измерения. Информация», СПб, 2003. С. 49-50.
10. Лендяев А.В., Тарлыков В.А. Измерение показателя преломления биологических частиц / Тез. докл. конф. «Лазеры для медицины, биологии и экологии», СПб, 2001. С. 26-27.
11. http://www.hairclab.ru
12. Фефилов Г.Д. Дифракционный способ измерения линейного размера изделия и устройство для его осуществления / А.с. №1357701. Опубл. БИ №45, 1987.
13. Митрофанов А.С., Фефилов Г.Д. Использование пространственно-временной фильтрации дифракционной картины Фраунгофера при определении размеров изделий. / Материалы российской научно-практической конференция по проекту «Оптика и научное приборостроение» в рамках ФЦП «Интеграция», январь 2000. СПб: ИТМО (ТУ), 2000. С. 17.
14. Митрофанов А.С., Фефилов Г.Д. Оценка влияния положения контролируемого отверстия в гауссовом пучке на погрешность дифракционного метода измерения. Материалы российской научно-практической конференция по проекту "Оптика и научное приборостроение" в рамках ФЦП "Интеграция"/ январь 2000 г. С.Пб.: ИТМО (ТУ), 2000, с. 19.
15. Митрофанов А.С., Фефилов Г.Д. Влияние неравномерности распределения фазы поля на круглом отверстии на погрешность дифракционного метода измерения. / Научно-технич. вестник СПб ГИТМО (ТУ). Выпуск №4 (квантовая электроника, волновая оптика и лазерные технологии) / Под ред. В.Н. Васильева. СПб? СПбГИТМО (ТУ), 2002. С.74-80.
16. Смолов В.Б. Функциональные преобразователи информации. Л.: Энергоиздат, 1981. 248 с.
17. De Silvestri S., Laporta P., Magni V., Svelto O. // Opt. Commun. 1988. V.67. №3. Р.229-232.
18. De Silvestri S., Magni V., Taccheo S., Valentini G. // Opt. Lett. 1991. С. 16. №9. Р. 642-644
19. Bostanjoglo G., Weber H. // Laser und Optoelektronik. 1996. V. 28. №4. Р. 51-61.
20. Харрик М. Спектроскопия внутреннего отражения. М. Наука, 1970. 336 с.
21. Альтшулер Г.Б., Исянова Е.А., Карасев В.Б., Левит А.Л., Овчинников В.М. // Квантовая электроника. 1977. Т.4. №7. С. 1517
22. Парахуда С.Е., Корчагин А. А. Устройство для модуляции добротности резонатора. АС на полезную модель № 11630 от 16.10.99.
