Задание по лабораторной работе

1. Оцените, плотность мощности от лазера 200 мВт с длиной волны 785нм, сфокусированного в пятно диаметром 1 мм.

2. Какие процессы в биоткане способна вызвать рассчитанная плотность мощности?

3. Верно ли вы сделали оценку? Данные для какой длины волны были взяты? В чём разница и как она скажется на процессах?

Вопросы для контроля

1. Перечислите основные процессы, происходящие в биоткани под действием лазерного излучения.

2. Какие процессы в биоткани относятся к необратимым?

3. Для чего используется процесс коагуляции?

4. Основные поглотители в кожи человека.

5. Каким образом можно менять плотность мощности лазера?

6. Какой процесс при фотоабляция приводит к взрывному выносу вещества из зоны облучения?

7. Какие условия нужны для фотоабляции?

8. Какие параметры позволяют уменьшить зону термического воздействия?

9. В каком диапазоне длин волн наблюдается наибольшее проникновение в биоткань?

10. В каком диапазоне длин волн наблюдается наибольшее поглощение в биоткани?

11. Какой из этих диапазонов предпочтительнее для хирургии?

Лабораторная работа №4: Вторичное излучение. Спектроскопия КР

Установка

Анализатором спектра комбинационного рассеяния служит высокоразрешающий цифровой спектрометр Shamrock sr-303i с встроенной охлаждаемой камерой DV420A-OE фирмы ANDOR, который модифицирован и дополнен рамановским пробником RPB785 фирмы InPhotonics и лазерным модулем LuxxMaster Raman Boxx фирмы PD-LD. Структурная схема представлена на рисунке 22.

Рисунок 22 – Структурная схема: 1 –объект; 2 – рамановский пробник RPB785; 3 - лазерный модуль LuxxMaster Raman Boxx; 4 – источник питания лазерного модуля; 5 - спектрометр Shamrock sr-303i; 6 - встроенная охлаждаемая камера DV420A-OE; 7 – компьютер; 8, 9, 10 – информационные электрические кабели; 11 – передающее оптоволокно; 12 – приёмное оптоволокно

Рабочая длина волны возбуждения СКР l_в выбрана из компромисса обеспечения глубины проникновения излучения вглубь кожного покрова ~ 4 мм, малой интенсивности свечения люминесценции кожных покровов и достаточной протяжённости области спектральной чувствительности спектрометра Shamrock sr-303i к спектрам стоксовой компоненты СКРС. Длинноволновая граница спектральной чувствительности входящей в состав стенда модификации спектрометра составляет 1200 нм. Наибольшие смещения по частоте относительно возбуждающего СКР излучения имеют стоксовы компоненты валентных колебаний растягивающих связей О–Н молекул воды, которая является естественным физиологическим растворителем биологических соединений и может служить своеобразным репером при анализе спектров СКРС растворов и биологических объектов [1]. Для них рамановский сдвиг составляет 3415 см^-1. В этом случае максимум спектральной линии СКРС валентных колебаний молекул воды придётся на l_р = 1072,5 нм, которая входит в область спектральной чувствительности спектрометра и расположена вблизи длинноволновой границы его чувствительности.

Особенностью СКРС [2] является низкий коэффициент преобразования возбуждающего потока излучения в поток рассеянного излучения 10^-6…10^-7, что предполагает использование лазерных источников возбуждения с мощностью излучения не менее 10 мВт. Лазерный модуль LuxxMaster Raman Boxx удовлетворяет и этому условию. Максимальное значение мощности излучения на выходном оптическом разъёме модуля составляет не менее 450 мВт с возможностью регулирования в пределах двух порядков от максимального значения под управлением с компьютера 7 через кабель 10 (рисунок 22). Внешний вид лазерного модуля LuxxMaster Raman Boxx вместе с источником питания представлен на рисунке 23.

Рисунок 23 - Лазерный модуль LuxxMaster Raman Boxx с источником питания: 1 - лазерный модуль LuxxMaster Raman Boxx; 2 – источник питания лазерного модуля; 3 – выходной оптический разъём; 4 – информационный кабель; 5 – силовой кабель

Управляющая программа (рисунок 24), позволяет управлять включением и выключением лазера, устанавливать выходную мощность излучения, а также индицировать текущие значения мощности излучения, тока и температуры лазера и температуры корпуса лазерного модуля.

Рисунок 24 – Окно управляющей программы лазерного модуля LuxxMaster Raman Boxx

Рамановский пробник RPB785 (рисунок 25) согласован с лазерным модулем LuxxMaster Raman Boxx как по рабочей длине волны 785 нм, так и по максимально допустимой мощности лазерного излучения 500 мВт, которую выдерживают без разрушения оптические элементы, входящие в его состав.

Рисунок 25 - Рамановский пробник RPB785: 1 – оптоволоконный жгут; 2 – блок фильтров; 3 – движок управления шторкой; 4 – тубус

Рамановский пробник RPB785 выполняет следующие функции: а) фильтрует зондирующее излучение от паразитных засветок; б) фокусирует лазерное излучение на объекте на расстоянии 7,5 мм от выходного окна тубуса 2; в) собирает рассеянное объектом излучение и преобразует его в параллельный пучок; г) подавляет упруго рассеянное объектом и коротковолновое по отношению к зондирующему излучения д) фокусирует отфильтрованное излучение на входной торец приёмного оптоволокна 12; е) перекрывает шторкой тубус, препятствуя при необходимости выходу лазерного пучка из пробника без отключения лазерного модуля. Оптическая схема пробника представлена на рисунке 26.

Рисунок 26 – Оптическая схема рамановского пробника RPB785: 1 – оптоволоконный жгут; 2 – приёмное оптоволокно; 3 – фокусирующая линза; 4 - отрезающий коротковолновое излучение светофильтр с оптической плотностью в полосе подавления не менее 6; 5 – поворотное зеркало; 6 – подвижная шторка; 7 – тубус; 8 – фокусирующая линза; 9 - исследуемый объект; 10 – передающее оптоволокно; 11 – коллимирующая линза; 12 - узкополосный пропускающий светофильтр на l_в = 785 нм; 13 – дихроичное зеркало; 14 – блок фильтров

Часть рассеянного объектом 9 излучения коллимируется линзой 8, его коротковолновая составляющая, включая l_в = 785 нм, подавляется не менее чем в 10⁶ раз дихроичным зеркалом 5 и отрезающим фильтром 4, фокусируется на входной торец приёмного оптоволокна 2, по которому транспортируется до входной щели спектрометра Shamrock sr-303i 1 (рисунок 27). Спектральные составляющие излучения фиксируются встроенной охлаждаемой камерой DV420A-OE 2. Файлы спектральных распределений оцифровываются, передаются в компьютер и сохраняются на его жёстком диске. Управление камерой и спектрометром, а также запись данных в файл осуществляется компьютером через USB-интерфейс. Питание спектрометра и камеры осуществляется через блоки питания 3 и 4 от стандартной электросети 220 В, 50 Гц. Программное обеспечение спектрометра и камеры поддерживают различные форматы сохраняемых файлов. Предпочтение отдано формату *.asc, т.к. он интерпретируется программной средой обработки результатов MathCad как двухстолбцовая матрица, в первом столбце которой фиксируются длины волн, а во втором – соответствующие значения потока излучения.

Рисунок 27 – Спектрометрический комплекс: 1 - спектрометр Shamrock sr-303i; 2 - встроенная охлаждаемая камера DV420A-OE; 3 - источник питания спектрометра; 4 – источник питания камеры

1. Энергетические характеристики:

- мощность лазерного излучения 50 – 450 мВт;

- шаг регулировки мощности излучения 1 мВт;

- длина волны лазерного излучения 785 нм с шириной линии 0.1нм;

2. Оптоволоконная сборка КР:

- кварцевые одномодовые волокна;

- спектральный диапазон пропускания канала облучения (лазер -> объект) – 785 ± 1 нм;

- спектральный диапазон пропускания канала регистрации (объект -> спектрометр) – 800..1100 нм;

- плотность мощности излучения в фокусе – не более 1,5 Вт/см².

3. Приемник излучения (спектрометр):

- спектральный диапазон 200-1200нм,

- погрешность измерения 0,05нм,

- время экспозиции 40мс-10с.