WEB-ресурс научно-практических конференций

Ревзина Е.М., Скапцов А.А.

Национальный исследовательский Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, Российская Федерация

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ ЭКСПЕРИМЕНТА НА СПЕКТРЫ ОБРАТНОГО СВЕТОРАССЕНИЯ, ИЗМЕРЯЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОМЕТРОВ

Живые объекты нужно измерять (для диагностики и выбора параметров лазерного воздействия), они обладают рядом общих особенностей – сильная неоднородность и как следствие сильное светорассеяние, для диагностики измерение пропускания биотканей обычно невозможно, за редким исключением, поэтому особый интерес в этой связи вызывают методы регистрации обратно рассеянного излучения.

Волоконно-оптические приборы позволяют проводить измерения in vivo , что является необходимым при проведении многих биофизических исследований. В частности, спектры обратного светорассеяния информативны в ряде случаев при диагностике поверхностных новообразований.

Однако, если спектры коллимированного пропускания хорошо изучены, так как измерения проводятся на однотипных приборах, они имеют определенный вид для каждого типа биоткани, и для них накоплен большой фактический материал, то спектры обратного светорассеяния отличает значительная вариабельность, их вид определяется не только особенностями исследуемой биоткани, но и конструктивными особенностями прибора и геометрией эксперимента.

Регистрация спектров обратного светорассеяния при условии ограниченной диафрагмы источника и приемников излучения, расположенных на заданном расстоянии друг от друга приводит к значительной вариабельности спектральных зависимостей. Имеющиеся в литературе сведения по экспериментально полученным спектрам различных биотканей измерены обычно на уникальной спектральной аппаратуре, и даже для одних и тех же биотканей результаты разных авторов могут существенно различаться.

Целью данной работы является исследование закономерностей изменения регистрируемых спектров обратного светорассеяния в зависимости от структуры и оптических параметров исследуемых объектов, а также влияние геометрии эксперимента на результаты измерения. Анализ влияния геометрии эксперимента позволит выявить оптимальные условия измерения для той или иной задачи.

В основу систематического анализа влияния геометрии эксперимента в широком диапазоне параметров положен метод имитационного компьютерного моделирования рассеяния света методом Монте-Карло.

Расчеты выполнены для длины волны падающего света 800 нм, в качестве модельной рассеивающей системы взята система рассеивающих частиц диаметром 0.6 мкм с показателем преломления 1.44, погруженных в однородную среду с показателем преломления 1.33. Концентрация частиц подбиралась таким образом, чтобы .=20мкм ^-1 . Данное значение можно считать типичным для биоткани. Моделирование выполнено для различных расстояний между освещающим и приемными волокнами. При моделировании диаметр освещающего и приемного волокон принимался равным 200 мкм, что соответствует техническим характеристикам Лазерного электронного спектроанализатора (ЛЭСА). Общее количество фотонов при моделировании составляло 100000. Интенсивность обратно рассеянного излучения, регистрируемая приемником, сильно зависит от расстояния между приемным и освещающим волокном. Причем на вид данной зависимости оказывают влияние рассеивающие свойства исследуемого объекта. Ниже на рисунке 1 представлены примеры данных зависимостей, полученные на основе численного моделирования рассеяния света в системах мелких и крупных непоглощающих рассеивающих частиц.

Рис . 1. Зависимость числа зарегистрированных фотонов от расстояния между освещающим и приемным волокном. а) радиус рассеивателей 10 нм, б) радиус рассеивателей 300 нм. Расстояние от торца волокна до биоткани: 1) – 200 мкм, 2) – 300 мкм, 3) – 500 мкм и 4)- 1000 мкм

Как свидетельствуют результаты расчета, при увеличении расстояния от торца волокна до поверхности исследуемого объекта максимум регистрируемого сигнала наблюдается на более удаленном расстоянии от освещающего волокна. Для имеющейся конструктивной реализации прибора оптимальными являются измерения при расстояниях от поверхности не более 500 мкм. Этот вывод сделан на основе моделирования как для систем рассеивающих частиц диаметром много меньше длины волны, так и для систем более крупных рассеивающих частиц.

Вид спектральных зависимостей, регистрируемых волоконно-оптическим спектрометром обратного рассеяния, может сильно различаться в зависимости от геометрии эксперимента. Рассмотрим подробнее закономерности таких изменений на примере спектров рассеяния системы малых непоглощающих рассеивателей диаметром 20 нм. Спектральная зависимость сечения рассеяния такой частицы с показателем преломления 1.44, помещенной в водную среду, представлена на рисунке 2. На том же рисунке показан фактор анизотропии рассеяния данной частицы.

Рис . 2. Спектральные характеристики изолированной непоглощающей частицы диаметром 20 нм и показателем преломления 1.44. а) сечение рассеяния, б) фактор анизотропии рассеяния

Частицы такого малого размера рассеивают в соответствии с законом Рэлея, интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Фактор анизотропии рассеяния близок к нулю, рассеяние почти изотропно, однако для коротких длин волн превышение рассеяния вперед над рассеянием назад более выражено.

Спектры обратного светорассеяния в системах частиц определяются как спектральной зависимостью рассеяния входящих в эту систему частиц, так и особенностями многократного переоблучения, влияние которого увеличивается с ростом оптической плотности рассеивающей системы. Влияние таких эффектов многократного рассеяния анализировалось методом численного компьютерного моделирования. На рисунке 3 представлены результаты моделирования спектров обратного рассеяния при различных расстояниях от торца волокна до поверхности исследуемого объекта, а также при различных расстояниях между центрами освещающего и приемного волокон.

Рисунок 3. Модельные спектры обратного рассеяния системы непоглощающих частиц диаметром 20нм. Расстояние от торца волокна до поверхности образца: а) 100мкм, б) 300 мкм, в) 500мкм. Расстояние между центрами освещающего и приемного волокон: 1) 100мкм, 2) 150 мкм, 3) 200 мкм

Из рисунка 3 видно, что в зависимости от расстояния между волокнами и расстояния от торца волокна до поверхности объекта зависит не только интенсивность регистрируемого сигнала, но и вид регистрируемой спектральной зависимости. Наиболее информативным представляется сигнал, полученный с волокна, дающего максимальную интенсивность при заданной геометрии эксперимента. Данным условиям соответствуют кривые 1, 2 и 3 на рисунках а, б и в, соответственно. Качественно получаемые при этом спектральные зависимости похожи, но интенсивность регистрируемого сигнала несколько снижается при увеличении расстояния от торца волокна до поверхности объекта. Интенсивность рассеяния монотонно уменьшается с ростом длины волны, однако это уменьшение не такое резкое, как в спектральных характеристиках изолированной частицы, что связано с многократностью рассеяния. Можно сделать вывод, что по мере удаления торца волокна от поверхности объекта должно увеличиваться расстояние между освещающим и приемным волокном для регистрации «информативного сигнала». Если условие оптимума для расстояния между волокнами и торцом и поверхностью не выполняются, то регистрируемые спектральные зависимости носят качественно иной характер. В данном случае для рассеяния системы малых рассеивателей может наблюдаться монотонное повышение интенсивности регистрируемого рассеянного сигнала с ростом длины волны.