В институте прикладной физики РАН в 1997 году был разработан оптический когерентный томограф на основе волоконной оптики со сменным гибким торцевым многофункциональным эндоскопическим зондом (с диаметром 2,7 мм и длиной жесткой части 21 мм. Рисунок 2.15). Миниатюрный зонд совместим с различными эндоскопическими устройствами, биопсийный (инструментальный) канал которых используется для подведения зонда к исследуемой ткани. Создание гибкого зонда позволило разработать методики получения ОКТ-изображений структуры слизистых и серозных тканей внутренних органов человека. В 2005 году в России оптоволоконный оптический когерентный томограф с торцевым многофункциональным зондом был сертифицирован для медицинской диагностики. Однако прогресс в эндоскопическом оборудовании связан, в частности, с его миниатюризацией, что важно для улучшения состояния пациента при проведении эндоскопических исследований. В связи с этим неизбежно уменьшается и диаметр биопсийного (инструментального) канала. Макетные эксперименты позволили определить допустимое уменьшение габаритов жесткой части зонда (с уменьшением его диаметра от 2,7 до 2,4 мм и длины от 21 до 13 мм. Рисунок 2.15). Для сокращения размеров были существенно переработаны все составляющие части зонда – фокусирующая система, система сканирования. В частности, была исключена двухлинзовая фокусирующая система, позволяющая реализовать прямоугольное растровое изображение. Взамен была разработана фокусирующая система с той же апертурой на одной градиентной линзе. Прямоугольное отображение картины рассеяния при этом было заменено на секторное с программной коррекцией геометрических искажений. Были разработаны программные средства для управления сканированием с автоматической калибровкой и коррекцией движения на основе сохраняемой в зонде индивидуальной информации. Новый томограф, разработан для медицинской диагностики, не имеет аналогов в мировой практике.
Разработана модификация оптического когерентного томографа с новым сменным миниатюрным волоконно-оптическим торцевым эндоскопическим зондом, что расширяет возможность проведения медицинской диагностики методом оптической когерентной томографии за счет использования современных эндоскопических приборов с более узкими инструментальными каналами. Сокращение размеров зонда при сохранении числовой апертуры проведено за счет замены двухлинзовой системы фокусировки на однолинзовую и перехода от прямолинейного сканирования к угловому. Были разработаны новые программные средства для управления сканированием с индивидуальной калибровкой и коррекцией движения.
|
Рисунок 2.15.б. ОКТ изображения при прямолинейном и угловом сканировании
|
В 2006г. В ИПФ РАН был реализован скоростной метод оптической когерентной томографии (ОКТ) на основе спектрального анализа интерферирующего оптического поля, который позволяет более чем на порядок повысить скорость получения изображений внутренней структуры биологических сред. На первом этапе реализован метод спектральной ОКТ на основе волоконно-оптической схемы интерферометра Майкельсона для отработки методики спектрального анализа и программных средств. Проведено исследование влияния неэквидистантности отсчетов принимаемого оптического спектра на точность восстановления распределения сигнала рассеяния в глубину. Показано, что в случае цифровой коррекции искажений, вызванных неэквидистантностью спектральных отсчетов, время получения одной строки изображения в картине рассеяния обусловлено в основном вычислительными задачами. Для повышения скорости получения ОКТ изображений до видеостандарта в реальном времени (до 20 кадров в секунду) предложено использовать более быстрый аналоговый метод линеаризации спектральных отсчетов на основе призменного компенсатора (ПК). Анализ параметров ПК показал возможность реализации спектрально-обусловленного пространственного разрешения в глубину. На втором этапе исследования рассмотрена возможность реализации метода спектральной ОКТ на основе оптической схемы, содержащей интерферометры Физо и Майкельсона. Произведены оценки уровня шума и динамического диапазона системы и получено хорошее соответствие с экспериментальными результатами. Предложен способ оптимизации временных параметров системы в соответствии с предложенной моделью шумов.
Компенсация искажений, вызванных неэквидистантностью спектральных отсчетов
В спектральном методе ОКТ изображение формируется с помощью обратного Фурье-преобразования оптического спектра интерференции опорного и рассеянного объектом излучения. Для достижения заявляемых высоких скоростей [1] при восстановлении изображения используется быстрое Фурье-преобразование, предполагающее строгую эквидистантность спектральных отсчетов по аргументу (оптической частоте), что в реальных системах реализуется лишь с некоторой степенью точности. В спектрометре на дифракционной решетке неэквидистантность достигает нескольких процентов от полного спектрального диапазона (при величине спектрального диапазона около 100 нм). Подобная неэквидистантность приводит к существенному уменьшению продольного пространственного разрешения с глубиной (уширение в разы по отношению к спектрально ограниченному значению).
Неэквидистантность спектральных оптических отсчетов может быть устранена последующей цифровой обработкой [2-4], однако высокая вычислительная емкость численных методов передискретизации не позволяет реализовать прибор спектральной ОКТ работающий в режиме реального времени на вычислительной машине потребительского класса. В связи с этим был предложен метод аналоговой компенсцации неэквидистантности спектральных отсчетов с помощью оптической призмы с углом при основании α. В отличие от предложенной в [5] конфигурации, призма развернута под некоторым углом β к плоскости дифракционной решетки (Рисунок 2.16.)
|
Рисунок 2.16. Оптическая схема спектральной ОКТ на основе интерферометра Майкельсона с аналоговой компенсацией неэквидистантности оптических спектральных отсчетов .
|
Такая конфигурация спектрометра позволяет компенсировать неэквидистантность спектральных отсчетов с необходимой точностью в требуемом диапазоне длин волн подбором углов α и β. При этом для каждого угла α существует два угла β, при которых ширина восстанновленной функции принимает минимальное значение (Рисунок 2.17). Необходимо отметить наличие абсолютного минимума зависимости ширины восстановленной функции от параметров α и β. Как видно из Рисунка 2.17, существует некоторая ограниченная область параметров, в которой достигается компенсация неэквидистантности, близкая к минимальной. Была выделена область параметров, в которой достигается удовлетворительная компенсация. Показано, что размер этой области зависит от числа необходимых спектральных элементов и полной ширины принимаемого спектра излучения. Было также показано, что учет дисперсионных характеристик материала призмы приводит лишь к незначительной поправке для оптимальных углов и (около десятых долей градуса).
а)
|
б)
|
Рисунок 2.17. Зависимость остаточной неэквидистантности от параметров , (при источнике =1300 нм, =100нм): а) 3D - представление; б) положение локальных минимумов 1 и 2 – синие кривые, и соответствующие им значения относительной остаточной неэквидистантности спектральных отсчетов в % от полной щирины спектра источника света – красные кривые.
|
Экспериментальная апробация возможности компенсации неэквидистантности спектральных отсчетов была проведена на схеме спектральной ОКТ на основе интерферометра Майкельсона с офтальмологическим вариантом зонда, позволяющим строить изображение сетчатки глаза человека (λ = 830 нм). Внешний вид части оптической схемы - спектрометра приведен на Рисунке 2.18. На макете установки получены изображения со скоростью порядка 40 кадров 250х250 точек в секунду (Рисунок 2.19) в реальном времени, которые по качеству не уступают изображениям, полученным в ранних работах [4-6].
|
Рисунок 2. 18. Внешний вид спектрометра.
|
|
Рисунок 2. 19. Изображения сетчатки глаза человека в области желтого пятна.
|
В проекте был сделан анализ шумовых характеристик для схемы спектральной ОКТ на базе интерферометров Физо и Майкельсона (Рисунок 2.20), аналогичный тому, который был сделан для интерферометра Майкельсона [3,7,8]. Физическая возможность создания идентичных, взаимозаменяемых эндоскопических зондов заключается в использовании в качестве измерительного воздушный интерферометр Физо, а в качестве компенсирующего – интерферометр Майкельсона [9,10]. Интерферометр Физо, в котором одним из отражателей является оптическая поверхность выходного торца волокна зонда, а вторым – исследуемый объект, не содержит среды с материальной дисперсией (кроме объектива и исследуемого объекта), вследствие чего отпадает необходимость компенсации дисперсии материала оптического волокна зонда. Кроме того, оптические схемы с интерферометром Физо содержат общий оптический путь для опорной и сигнальной волн, который не вносит искажений в интерференционный сигнал. Отличительной особенностью схемы, использующей в качестве измерительного интерферометр Физо, является невозможность произвольного изменения мощности опорной волны, что, в свою очередь, накладывает существенные ограничения на возможность оптимизации параметров такой схемы. При анализе были сделаны общие выводы о природе основных шумов такой системы, о возможных путях оптимизации параметров системы и о наличии ограничений, связанных с конечным значением емкости принимающих фотоэлементов. В результате проведенных исследований было показано, что в условиях реального источника излучения, приемника и потерь излучения в оптическом тракте в спектральной ОКТ-системе на основе интерферометра Физо с компенсирующим воздушным интерферометром Майкельсона возможна реализация в дробовом пределе приема и отображения ОКТ-изображений со скоростью до 30 кадров в секунду с 256х256 элементами с динамическим диапазоном около 40 дБ (Рисунок 2.21).
|
Рисунок 2.20. Схема эксперимента. 1 – ширикополосный источник света, 2 – оптический изолятор, 3 – 3дБ ответвитель, 4 – воздушный дополнительный интерферометр Майкельсона, 5 – оптический циркулятор, 6 – сканер (базовый интерферометр Физо), 7 – спектрометр, 8, 11 – ахроматический дублет, 9 – дифракционная решетка, 10- компенсирующая призма, 12 – ПЗС-линейка, 13 – исследуемый объект.
|
|
Рисунок 2.21. Восстановленный сигнал от резкой границы, полученный в системе спектральной ОКТ –1; численная модель – 2.
|
2.6 Методы создания объемных наноструктурированных материалов за счет лазерного воздействия
Были изучены особенности формирования наночастиц золота в полимерной матрице под воздействием излучения ультрафиолетового и видимого диапазонов, выявлена значительная роль нагревания среды на процесс образования наночастиц золота. Исследовались пленки полиметилметакрилата и его сополимеров допированные золотохлористоводородной кислотой. Пленки получали из раствора методом полива или на центрифуге. Концентрация вводимой золотохлористоводородной кислоты варьировалась от трех до двадцати весовых процентов. Под действием УФ излучения происходит диссоциация кислоты на ионы Au3+ и Cl-, в дальнейшем происходит восстановление ионов золота. Атомы золота объединяются, образуя наночастицы золота размерами от (2-5) нм до 100нм. В работе установлено, что скорость формирования наночастиц золота зависит от температуры пленки. Процесс контролирования по измерению величины и характеру спектра поглощения пленки. Известно, что наночастицы золота обладают специфическим резонансным поглощением, положение максимума зависит от размера наночастицы, а величина поглощения – от их количества. Таким образом, процесс формирования наночастиц в полимерной пленке разбивали на два этапа: УФ инициирование и тепловое «выращивание» (Рисунок 2.22).
Рисунок 2.22. Спектроскопическое исследование процесса формирования золотых наночастиц в полимерной матрице.
На рисунке 2.22 слева показан исходный спектр поглощения пленки. Пик в районе 320нм соответствует поглощению прекурсора золота. После облучения этот пик пропадает. Отжиг приводит к появлению наночастиц золота, что видно по появлению пика поглощения в районе 550нм. Это поглощение соответствует плазменному резонансу в наночастицах золота. На рисунке 2.22 справа показан рост поглощения пленки при отжиге соответствующий увеличению количества наночастиц золота в образце.
Для определения размеров и распределения по размерам использовали методику малоуглового рентгеновского рассеяния. Показано, что сформированные наночастицы имеют сферическую форму и радиус частиц лежит в интервале от 1 нм до 40 нм.
Была разработана методика управляемого формирования наночастиц в полимерных пленках с заданными свойствами. Разделение процесса формирования наночастиц на этап генерации ионов Au3+ воздействием УФ излучения и этап ускоренного роста числа наночастиц золота за счет повышения температуры облученного полимера позволяет формировать пространственные структуры в полимере из наночастиц золота. Сканируя луч УФ лазера по поверхности пленки содержащей HAuCl4 можно создать нужную двухмерную структуру из ионов золота. Облучая образец УФ излучением через маску со специальным рисунком переносим его в пленку с наночастицами золота.
По такой методике была сформирована решетка из наночастиц золота с периодом 8 мкм. (Рисунок 2.23.) К шаблону с помощью специального устройства плотно прижималась полимерная пленка допированная HAuCl4 толщиной 2 мкм, нанесенная на стеклянную подложку. Шаблон представлял собой кварцевую пластину с нанесенным алюминевым покрытием со штрихами соответствующих размеров.
Для уменьшения дифракционного расплывания дифракционные решетки формировались в тонких (1.0-2.0) мкм пленках ПММА допированных HAuCl4 (20% вес). Облучение велось ртутной лампы (ДРП-400 ) через светофильтр УФС-1 или третьей гармоникой Nd-лазера (=355 нм). Мощность в пучке составляла 10 мВт/см2.
Существенно, что решетка прозрачна в ИК диапазоне. Предполагается, что решетка сформированная из наночастиц золота относятся к фазовым решеткам, в которых дифракция связана с периодическим изменением коэффициента преломления. Это реальное предположение, поскольку прямые измерения показали, что допирование ПММА наночастицами золота увеличивает показатель преломления с 1.48 до 1.54 0.02. Показатель преломления определяется концентрацией наночастиц Au. Облучение исходной пленки через шаблон обеспечивает в областях пропускания шаблона формирование наночастиц, в экранированных областях n не должно меняться. Эта ситуация легко контролируется по спектрам поглощения. Измерения спектров поглощения в области решетки и вне ее показали, что поглощение в области решетки меньше в отношении площади пропускания к экранированной площади.
Различие в содержании наночастиц в экспонированных и не экспонированных местах решетки хорошо видно из картины распределения наночастиц полученной с помощью атомно-силового микроскопа (Рисунок 2.24).
Таким образом, свойства наночастиц, сформированных в полимере увеличивать коэффициент преломления можно использовать для построения оптических элементов микронных размеров.
Рисунок 2.23. На рисунке представлена часть дифракционной решетки с периодом 8 мкм.
Рисунок 2.24. Изображение фрагмента дифракционной решетки полученное с помощью АСМ.
Начаты исследования одного из наиболее интересных направлений использования сканирующих зондовых микроскопов - создание на поверхности образцов при облучении лазерным излучением структур с нанометровыми размерами, которые могут быть использованы в качестве элементов памяти со сверхвысокой плотностью записи информации. В настоящем отчете излагаются экспериментальные результаты по наноструктурированию металлических пленок, полученные при облучения зонда атомно-силового микроскопа излучением лазера с фемтосекундной длительностью импульса. Применение фемтосекундных импульсов позволило исследовать влияние длительности импульса на образование наноструктур, что важно для выяснения механизма рассматриваемого явления. Кроме того, оказалось, что при воздействии фемтосекундного излучения удается создавать структуры в таких твердых и тугоплавких материалах.
Качественная схема эксперимента приведена на рисунке 2.25. В настоящем цикле экспериментальных исследований использовалось лазерное излучение со следующими параметрами: длина волны = 0,8 мкм, длительность импульса  100 фс, энергия в импульсе W 50 мкДж, которое фокусировалось линзой в пятно диаметром d 300 мкм.
Рисунок 2.25. Качественная схема эксперимента
В эксперименте использовался коммерческий атомно-силовой микроскоп (АСМ, модель «Смена» фирмы NT MDT) с кремниевыми зондами, покрытыми слоем из карбида вольфрама W2C толщиной 20–30 нм, радиус кривизны острия зонда составлял rз 30 нм, угол при вершине зонда = 11, длина зонда h 10 мкм. Образцами служили металлические пленки из золота, меди, индия и магнитного материала FeCr. Пленки наносились методом осаждения из паров на кремниевую подложку. Толщина пленок была 20–30 нм, шероховатость поверхности зависела от материала пленки и составляла несколько нанометров.
При превышении плотностью потока энергии некоторого порогового уровня, на поверхности образца происходило образование кратера. Типичный вид получающихся наноструктур приведен на рисунке 2.26 для пленки из FeCr, p-поляризации лазерного излучения и плотности потока энергии F = 95 мДж/см2. Характерный диаметр наноструктур вблизи порога составлял d = 20…50 нм, глубина h = 2…5 нм. По мере роста плотности потока энергии диаметр и глубина кратеров увеличивались. Как оказалось, пороговая плотность потока энергии коррелирует с температурой плавления материала: чем выше температура плавления, тем больше плотность потока энергии, при которой появлялись наноструктуры (рисунок 2.27.) Исследование зависимости порога появления наноструктур от поляризации лазерного излучения показало, что в случае p-поляризации величина порога для разных материалов в 1,5–2 раза ниже, чем для s-поляризации. Так, для FeCr в случае p-поляризации пороговая плотность потока энергии составила F = (75 10) мДж/см2, для s-поляризации F = (15015) мДж/см2, для пленки из золота F= (345) мДж/см2 и F= (6710) мДж/см2 соответственно. Также обнаружилось, что пороги образования наноструктур для наносекундных лазерных импульсов в несколько раз выше, чем при фемтосекундной длительности импульсов.
|
|
Рисунок 2.26. Вид наноструктуры, полученной на пленке из FeCr, p-поляризация, F = 95 мДж/см2
|
Рисунок 2.27. Зависимость порога образования наноструктур от температуры плавления материала образца
|
Обсудим теперь полученные экспериментальные результаты с точки зрения двух возможных механизмов образования наноструктур на поверхности образца, обсуждаемых в литературе. Один из них основан на абляции материала образца лазерным полем, которое претерпевает усиление около острия зонда АСМ. Другой обсуждаемый механизм связан с термическим удлинением зонда при поглощении лазерного импульса и механическим давлением, которое при этом оказывает зонд на образец.
Эффект усиления поля около острия зонда в абляционном механизме очень чувствителен по отношению к направлению поляризации лазерного излучения относительно оси зонда. Если для p-поляризации усиление интенсивности непосредственно под острием может достигать нескольких сотен раз, то для s-поляризации усиления поля практически не наблюдается. Степень же влияния поляризации излучения на нагрев зонда и его термическое удлинение в основном определяется зависимостью коэффициента поглощения излучения от поляризации и не превосходит 10%.
Изменение длительности импульса в разной степени сказывается на пороге появления наноструктур в рамках двух обсуждаемых механизмов. При абляционном механизме объем материала нагретый наносекундными импульсами превосходит объем нагретой области при фемтосекундном воздействии в  ~ 106…108 раз. Другими словами, для абляции материала образца наносекундными импульсами нужно значительно больше энергии, чем при фемтосекундной длительности лазерных импульсов.
Еще одно замечание по поводу влияния эффекта усиления поля около острия зонда на процесс наноструктурирования. Рассмотрим более внимательно структуру электрического поля в зазоре зонд – образец (рисунок 2.28). При характерном радиусе кривизны зонда в несколько десятков нанометров величина зазора в экспериментах составляла величину
|
Рисунок 2.28. Качественная структура электрического поля в зазоре между зондом и поверхностью образца
|
~1нм, то есть геометрия зазора близка к геометрии плоского конденсатора. При такой структуре поля в силу граничных условий поле ослабляется внутри образца в раз, здесь – диэлектрическая проницаемость материала образца. Для металлов в оптическом диапазоне 20...25, то есть интенсивность электромагнитного поля ослабляется внутри металлического образца в 2 = 400…600 раз.
Все эти факторы позволили нам сделать вывод о том, что основной причиной образования наноструктур на поверхности металлических образцов при лазерном облучении зонда АСМ является разогрев зонда поглощенным лазерным излучением и его механическое давление на образец при термическом удлинении. Как показал анализ результатов экспериментов, весьма вероятным представляется плавление материала образца в процессе модификации. |
