Введение к работе
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
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Предложенный новый тип фотометра может быть использован для определения оптических характеристик рассеивающей среды.
-
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
-
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.
-
Разработанная экспериментальная установка, реализующая режим регистрации одиночных фотонов с корреляцией по времени, позволяет определить диапазон значений экспериментальных параметров, в котором достигается раздельное расположение баллистического и рассеянного пиков временного распределения.
-
Предложенный метод обработки бимодальных временных распределений ультракоротких лазерных импульсов, прошедших через слой рассеивающей среды, позволяет одновременно определить коэффициент поглощения, коэффициент рассеяния и фактор анизотропии рассеивающих образцов.
Достоверность научных положений, результатов и выводов обеспечена их соответствием общепринятым теоретическим и экспериментальным фактам, хорошим совпадением результатов экспериментальных измерений при многократном их повторении, согласием экспериментальных и теоретических данных.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены: на XIV, XV, XVI, XVII, XVIII всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011); на Всероссийской молодёжной конференции «Электроника - 2007»; на XVIII, XIX, XX, XXII Международных научно-технических конференциях «Лазеры в науке, технике и медицине» (Сочи, 2007, 2008, 2009, 2011); на VIII Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир, 2008); на II Международной научно-практической конференции «Научная мысль информационного века - 2007» (Днепропетровск, 2007); на II (XXXIV) Международной научно-практической конференции «Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей» (Кемерово, 2007); на Международной научно-технической Школе-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2006); на Всероссийской научной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2007); на II, III, IV, V Московско-Баварских студенческих школах (Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School, Moscow, 2007, 2008, 2009, 2011); на 4, 5, 6, 7 Российско-Баварских конференциях по биомедицинской инженерии (4, 5, 6, 7 Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering, Moscow, 2008; Munich, 2009; Moscow, 2010; Erlangen, 2011); на III Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010» (Москва, 2010); на 1, 2 и 3 окружных научно-технических конференциях молодых учёных и специалистов (Москва, 2009, 2010, 2011), на научных семинарах кафедры биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ».
Работы по теме диссертации проводились в рамках грантов Министерства образования и науки РФ № 2006-РИ-19.0/001/733 (2006), №РНП.2.1.1.4553 (2006-2007), №РНП.2.1.1/493 (2009-2010), №ПЗ92 (2009-2011), №П1911 (2009-2010), №14.720.11.1221 (2011-2012), гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере №8099р/12728 (2010-2012) и грантов для аспирантов Национального исследовательского университета «МИЭТ» (2008, 2009, 2010).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, в том числе 5 статей: в журналах, рекомендованных ВАК ("Известия вузов. Электроника", "Медицинская техника", "Медицинская физика", "Российский биомедицинский журнал "), и в сборнике научных трудов «Биомедицинские электронные системы», а также получены 2 патента на изобретения и 1 патент на полезную модель.
Личный вклад автора
В основу диссертации легли результаты исследований, выполненных автором на кафедре биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ».
Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы, содержит 112 страниц текста, 48 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает 186 наименований.
Похожие диссертации на Исследование эффекта бимодальности временных распределений лазерных импульсов, прошедших через сильнорассеивающую биологическую среду
