Разработан новый метод исследования нелинейных оптических свойств веществ



Разработан новый метод исследования нелинейных оптических свойств веществ

Ученые Университета ИТМО в сотрудничестве с коллегами из Тайваньского государственного педагогического университета разработали новый высокочувствительный метод исследования нелинейных оптических свойств веществ. В отличие от работ других исследователей в этой области при возбуждении нелинейного отклика вещества они использовали коллимированный (несфокусированный) луч лазерного излучения. Это позволило уменьшить плотность мощности, подаваемую на образец, хотя и привело к уменьшению полезного сигнала. За счет специализированной процедуры записи цифровых голограмм и обработки изображений, а также разработанного алгоритма численного моделирования наблюдаемого явления, удалось оценить параметры оптически-нелинейных сред несмотря на слабый сигнал. Эта работа открывает новые возможности для диагностики нелинейных свойств у целого класса объектов, исследовать которые раньше не было возможности из-за присущего  им низкого оптического порога повреждения. Результаты работы представлены в журнале Optics Letters.

Исследование

В статье, опубликованной в Optics Letters, ученые уже показали, как с помощью автоматизированной обработки изображений можно извлекать и анализировать слабый нелинейный сигнал, вызванный прохождением лазерного излучения сверхкороткой  (много менее триллионных долей секунды) длительности через исследуемый образец. Используемый ими подход основывается на анализе и обработке зарегистрированных осевых цифровых голограмм – дифракционных картин фемтосекундного зондирующего импульса, распространяющегося в нелинейной среде под углом к возбуждающему оптически-нелинейные эффекты пучку накачки. Разработанный метод базируется на широко используемой учеными технологии «накачка-зондирование». Интенсивный лазерный импульс возбуждает физический процесс в исследуемом образце. В этом случае это эффект фоторефракции, вызывающий изменения показателя преломления под действием распространяющегося в веществе света, пропорционального его интенсивности. А низкоинтенсивный пробный (зондирующий) импульс направляется в образец сразу вслед за ним, точнее, с контролируемой временной задержкой, и испытывает искажения, обусловленные изменениями свойств среды под действием импульса накачки. В исследовании регистрировались и анализировались пространственные перераспределения энергии внутри пробного пучка.

Полученные сигналы обрабатывались с помощью специально разработанного для этого алгоритма, благодаря чему исследователям удалось выделить слабый, практически незаметный визуально на фоне помех сигнал и продемонстрировать чрезвычайно высокую чувствительность.

Авторы статьи в Optical Letters
Авторы статьи в Optical Letters

«Явления нелинейной рефракции света, как правило, являются на много порядков более слабыми в сравнении с более простыми эффектами линейной рефракции или другими линейными эффектами. Особенно сильно это проявляется в случае Керровского электронного механизма оптической нелинейности, вклад которого был преобладающим в рамках экспериментальных измерений в проведенном нами исследовании. Преодолеть это ограничение нам удалось за счет разработки специализированных алгоритмов дополнительной обработки экспериментальных данных, которые позволили значительно увеличить итоговую чувствительность измерений. В целом, возможность использования широких возможностей программной обработки является неотъемлемым достоинством методов цифровой голографии. В этом смысле грамотное использование принципов и возможностей цифровой голографии, в частности, за счет применения техник автоматизированной компьютерной обработки сигнала позволило в нашей работе получить уровень чувствительности при измерениях фазового запаздывания, приблизительно сопоставимый (по порядку величины) с известными нам работами мирового уровня, причем на основе более простой экспериментальной схемы. С другой стороны, чувствительность и другие количественные характеристики возможностей предложенного нами метода требуют дальнейшего уточнения, поскольку в работе нам пока удалось получить лишь приблизительные оценки этих и других величин», – отметил один из авторов статьи, сотрудник Лаборатории цифровой и изобразительной голографии Сергей Налегаев.

Международное сотрудничество

Научная работа ведется в сотрудничестве с коллегами из Тайваньского государственного педагогического университета. Исследования, реализуемые на Тайваньской стороне, нацелены на разработку и совершенствование динамических методов адаптивной цифровой голографической микроскопии и томографии с улучшенными техническими характеристиками, использующих в качестве анализируемого параметра линейную часть показателя преломления. Задача ученых из России более фундаментальна. Они должны с помощью разработки новых «щадящих объекты» высокочувствительных методов измерения оптических нелинейных свойств продемонстрировать, что эти свойства могут выступать в качестве не менее важных параметров при диагностике, чем, например, традиционно используемые в настоящее время эффекты (связанные, например, с различной способностью к поглощению излучения определенной длины волны).

Тайваньский государственный педагогический университет
Тайваньский государственный педагогический университет

Сотрудничество Университета ИТМО и Тайваньского государственного педагогического университета было официально закреплено между руководителями двух вузов три года назад, когда делегация из Тайваня посетила петербургский вуз. В ходе встречи представители вузов подписали рамочное соглашение о сотрудничестве в сфере образования и науки. До этого, в декабре 2013 года один из авторов статьи, руководитель Лаборатории цифровой и изобразительной голографии Николай Петровпосетил крупнейшую ежегодную конференцию по оптике и фотонике в Тайване, где познакомился с одним из ведущих ученых в области голографии, профессором Чао-Жень Чжэном. По возвращении петербургский ученый совместно с коллегами инициировал подписание соглашения об обмене студентами между кафедрой фотоники и оптоинформатики и Тайваньским институтом электро-оптических наук и технологий, которым в то время руководил профессор Чжэн. В июле 2014 года соглашение было подписано обеими сторонами. Первая совместная работа была представлена на конференции по оптике и фотонике в Тайване уже в декабре – спустя год после знакомства российских и азиатских исследователей.

Перспективы исследования

Сегодня существует большое количество методик диагностики свойств живых тканей, основанных на детектировании сигналов самой разной природы. Например, в классической оптической микроскопии регистрируемым сигналом является свет, который отражается от исследуемого образца. От свойств исследуемого объекта будет зависеть, как изменятся параметры сигнала. Изучая и анализируя закономерности изменения этих параметров, ученые разрабатывают новые методы определения свойств исследуемых сред.

В настоящее время для визуализации и изучения некоторых биологических объектов уже используются методы, основанные на нелинейных оптических эффектах, например, на двухфотонном возбуждении (нелинейная флуоресцентная микроскопия). Однако все эти эффекты являются резонансными, основанными на поглощении излучения. В научной работе ученых Университета ИТМО, результаты которой опубликованы в Optical Letters, исследуются параметры нерезонансного нелинейного оптического эффекта – изменения показателя преломления под действием интенсивных сверхкоротких импульсов.

Делегация из Тайваньского государственного педагогического университета в Университете ИТМО
Делегация из Тайваньского государственного педагогического университета в Университете ИТМО

«Насколько мы знаем, метода диагностики, основанного на фиксации нелинейного показателя преломления, не существует, потому что эти сигналы очень незначительны, их очень трудно увидеть или зарегистрировать в биологических образцах. Однако при исследовании таких объектов порой существующих методов диагностики не хватает, чтобы достаточно полно изучить протекающие в них процессы. Именно поэтому исследователи используют разные параметры от разных сигналов, это называется мультимодальной диагностикой: что не смогли определить с помощью детектирования одного сигнала, получится определить благодаря другому. Детектирование нелинейных характеристик объекта может позволить увеличить количество информации, получаемой об объекте. Хотя сейчас мы не можем точно сказать, какую именно новую информацию можно извлечь из распределения нелинейного показателя преломления в биологических объектах, так как находимся в самом начале исследований», – прокомментировал один из авторов статьи, сотрудник Лаборатории цифровой и изобразительной голографии Андрей Белашов.

В будущем такая диагностика, которая использует в качестве исследуемого параметра нелинейный показатель преломления, может позволить избежать некоторых нежелательных эффектов, которые наблюдаются при других методах, отмечают авторы. Например, в микроскопии часто используются люминесцирующие молекулы и полупроводниковые нанокристаллы, из-за чего могут возникать такие эффекты, как фотообесцвечивание и фототоксичность. Или, например, люминесцентные свойства и их коллоидная стабильность существенным образом зависят от ближайшего окружения нанокристаллов и могут меняться в зависимости от состояния различных молекул и ионов на их поверхности, что может приводить к некорректной диагностике.

Николай Петров
Николай Петров

Работа ученых в потенциале открывает новые возможности для регистрации оптических нелинейных свойств разнообразных исследуемых объектов. Хотя до широкого распространения предложенного нового подхода еще далеко, так как для этого необходимо научиться уверенно преодолевать важные физические ограничения, накладываемые, например, особенностями диагностики в медицине.

«Нелинейные оптические эффекты проявляются при высокой мощности лазерного излучения, то есть когда на объект воздействует большое количество оптической энергии. При диагностике биологических тканей мы не можем использовать высокоинтенсивное лазерное излучение, поскольку это может привести к их повреждениям в процессе измерения. Поэтому мы инициировали работы по разработке более чувствительных методов, в которых может использоваться меньшее количество оптической энергии», – пояснил один из авторов статьи, руководитель Лаборатории цифровой и изобразительной голографии Николай Петров.

Статья:  Time-resolved inline digital holography for the study of noncollinear degenerate phase modulation, N. V. Petrov, S. S. Nalegaev, A. V. Belashov, I. A. Shevkunov, S. E. Putilin, Y. C. Lin, and C. J. Cheng, Optical Letters, 2018.

Оригинал новости размещен на новостном портале Университета ИТМО