• разработка методов манипуляции микрообъектами посредством лазерного излучения
• диагностика сильнорассеивающих сред, в частности, биологических тканей

• Разработка методов манипуляции микрообъектами посредством лазерного излучения.

  Управление с помощью света нейтральными атомами, молекулами и микрочастицами является перспективной и бурно развивающейся задачей микротехнологии. Неинвазивное перемещение, как отдельных клеток, так и их органелл даст толчок в развитии биологии и генной инженерии.

  Для создания оптических манипуляторов с широкими возможностями представляет интерес исследование и разработка различных типов перемещений, включая поворот и движение по заданной траектории. Известно, что в общем случае угловой момент световых пучков состоит из двух частей “спиновой”, обусловленной циркулярной поляризацией и орбитальной, определяемой амплитудно-фазовым распределением светового поля. Представляется оправданным подход к формированию пучков с заданными пространственными свойствами с использованием оптики спиральных пучков. Эти пучки сохраняют форму при распространении и фокусировке и могут иметь весьма разнообразную структуру распределения интенсивности. Вихревой характер распространения световой энергии в пучках обуславливает то, что пучки обладают ненулевым орбитальным моментом количества движения. Простейшими типами спиральных пучков являются моды Лагерра-Гаусса. В ряде работ уже продемонстрировано вращение поглощающих частиц с помощью таких пучков. Для реализации пучков с ненулевым орбитальным моментом требуются методы и средства формирования пучков с заданным распределением интенсивности и орбитального момента. Работы по синтезу таких световых полей в течение ряда лет проводились в СФ ФИАН лаборатории когерентной оптики. Результаты этих исследований стали основой работ по созданию универсального лазерного манипулятора.

  В ходе работы была создана геометрооптическая модель взаимодействия сфокусированного лазерного пучка с прозрачными диэлектрическими частицами в форме сферы и эллипсоидов вращения. В основу расчёта положены представления о потоке импульса, переносимом световой волной, о сфокусированном гауссовом лазерном пучке, а так же френелевские формулы для коэффициентов отражения и преломления света на границе раздела двух сред. В рамках данной модели проведены расчеты по определению оптимальной для захвата моды лазера, найдены зависимости сил захвата от показателя преломления, диаметра частиц, параметров установки. Также выполнены расчёты передачи орбитального момента спирального пучка моды Лагерра-Гаусса полностью поглощающей сферической частице.

  Выполнен расчёт момента импульса вращения эллиптически поляризованного света, приходящегося на единицу энергии светового поля. Найден вращательный момент со стороны эллиптически-поляризованного света, действующий на поглощающую частицу. Разработан метод управления скоростью вращения частиц, захваченных в фокус лазера, в реальном времени. Управление осуществлено с использованием жидкокристаллического модулятора света, изменяющего степень эллиптичности света и управляемого низкочастотным генератором.

  Проведены эксперименты по захвату и вращению микроскопических частиц пучком с ненулевым орбитальным моментом, формируемым посредством дифракционного оптического элемента (ДОЭ) в виде вихревого аксикона, фокусирующего лазерное излучение в кольцо.

  При воздействии пучками с ненулевым орбитальным моментом в виде вихревых аксиконов с m=3, m=5, m=7 и спиральным пучком в виде треугольника на частицы, чей диаметр меньше диаметра пучка, наблюдалось движение частиц по линии распределения поперечной интенсивности пучка.

  ---

• Диагностика сильнорассеивающих сред, в частности, биологических тканей.

  Это направление возникло в 1995 году, в результате совместной работы с клиницистами Самарского государственного медицинского университета, работающих в области гепатологии Н. А. Лысовым и Е. Б.  Буньковой. На разных этапах исследованиями по этой теме занимались следующие сотрудники СФ ФИАН: С. П. Котова, Н. Л. Куприянов, А. М. Майорова, М. А. Рахматулин, В. М. Петропавловский, В. В. Якуткин.

  К тому времени к изучению возможностей использования низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) в медицине было обращено внимание многих клиницистов и исследователей. Клиническая практика показала, что лазерная светотерапия по эффективности нередко превосходит другие средства и способы лечения. Чаще всего лазеротерапия используется при болезнях, которые носят затяжной или хронический характер, стандартные лекарственные средства оказываются малоэффективными. Особенно большое распространение получили терапевтические аппараты на основе полупроводниковых лазеров, излучающих в красной и ближней ИК-областях. Их терапевтическая эффективность доказана на примере лечения больных самыми разнообразными заболеваниями, но из-за неясности механизма его действия до сих пор некоторые исследователи относятся к этому методу настороженно. Таким образом, можно было утверждать, что эмпирическое применение лазеров в медицине намного обогнало экспериментальное и теоретическое обоснование к их назначению. Для определения механизма терапевтического воздействия, научного обоснования методик лечения с целью повышения их эффективности, диагностики состояния биотканей, а также решения задачи дозиметрии при лазерном облучении важна информация о поведении светового поля в биотканях.

  Таким образом, первоначальной задачей наших исследований был расчет распределения поглощенного лазерного излучения в процедурах лазеротерапии, в частности, при облучении печени. Несмотря на то, что подобные расчеты проводились разными авторами, имеющаяся информация носила противоречивый характер.

  Забегая вперед, отметим, что наши расчеты показали, что непосредственно в печени не происходит поглощения лазерного излучения (оно просто не доходит до печени, поглощаясь в области подкожного жира). Однако, поглощение в кровенаполненных тканях составляет около 20 %. Это позволило клиницистам сделать предварительные выводы о механизмах терапевтической эффективности низкоинтенсивного лазерного излучения, которые реализуются как рефлекторно, так и через сеть капилляров, расположенных в поверхностных слоях кожи.

  При моделировании воздействия лазерного излучения мы использовали метод Монте-Карло, основанный на численном транспорте фотонов, поскольку, как показал анализ литературы, к началу исследований, да и на сегодняшний день этот метод является наилучшим способом, позволяющим предсказывать результаты экспериментов в случаях, когда важную роль играют как рассеяние низких порядков, так и многократное рассеяние; учитывать неоднородности образцов, их многослойность и конфигурацию, а также геометрию эксперимента (апертуры и числовые апертуры приемников и источников излучения, распределения интенсивности падающего на образец пучка). При этом биологическая ткань рассматривалась как случайно неоднородная сильнорассеивающая и поглощающая среда. Для описания распространения в ней оптического излучения необходимо знать оптические параметры: коэффициент рассеяния ms, коэффициент поглощения ma, параметр анизотропии g и показателем преломления n. Эти оптические параметры являются усредненными и описывают макроскопические свойства среды, которые полагаются однородными в пределах ее небольших объемов.

  

  На рисунке показано пространственное распределение поглощенного излучения и сечения вдоль и перпендикулярно оси волокна при радиусах воздействия 0.05, 0.1 и 0.2 мм. Рассматривалась трехслойная модель: кожа – подкожный слой, насыщенный капиллярами – слой, содержащий микрососуды.

  Такой подход не учитывает детали распространения излучения внутри отдельных клеток. Тем не менее, экспериментальные данные для большинства биотканей хорошо согласуются с расчетными, полученными при использовании данного подхода. Оптические коэффициенты различных биотканей приводятся в литературе, однако, для многих длин волн, в частности, из ближней ИК-области (0.7-1.5 мкм) они либо неизвестны, либо значения, полученные разными авторами, сильно отличаются и требуют уточнения. Кроме того, в большинстве случаев оптические параметры определены in vitro, хотя широко известно, что при коэффициенты, определенные in vivo и in vitro отличаются в несколько раз.

  Таким образом, в наших исследования были выделены два направления:

  • определение оптических параметров биологических тканей (в частности, печени белой крысы) и расчет распределения поглощенного излучения в них;
  • разработка неинвазивного (неразрушающего) метода, позволяющего определять оптические параметры сильнорассеивающих сред по обратно рассеянному излучению.

  К сильнорассеивающим средам наряду с биологическими тканями относятся, например, разнообразные эмульсионные и лекарственные растворы, многокомпонентные жидкости. Поэтому методы определения оптических параметров (как абсолютных значений, так и относительных изменений) по рассеянному назад излучению актуальны также для контроля многокомпонентных жидкостей, эмульсионных и лекарственных растворов, золей и гелей, контроля в пищевой промышленности.

На сегодняшний день можно выделить следующие основные результаты:

1. Определены оптические параметры печени белой крысы на длинах волн He-Ne (0.63 мкм) и инфракрасного излучения (0.84 мкм) и рассчитано распределение поглощенного излучения при прямом воздействии лазерными терапевтическими аппаратами на печень белой крысы. Показано, что инфракрасное излучение на длине волны 0.84 мкм проникает в биоткань в 1.5 раза глубже излучения на длине волны 0.63 мкм. Разработан алгоритм расчета распределения поглощенного излучения в сеансах лазерной терапии. В частности, показано, что при чрескожным (многослойная модель) облучении печени человека He-Ne лазером поглощение излучения в кровенаполненных тканях составляет около 20 %.
2. Определены оптические параметры порошковых металл-полимерных композиций (МПК), применяющихся при селективном лазерном спекании. Поскольку МПК являются сильнорассеивающими средами, то для нас они служили модельными средами, на которых отрабатывались методика определения оптических параметров. С другой стороны определить параметры этих сред было важно с точки зрения разработки согласованной модели обработки металл-полимерных композиций лазерным излучением.
3. Методом Монте-Карло исследовано влияние анизотропии на распределение интенсивности обратно рассеянного света. Показано, что в методиках определения оптических параметров биотканей по пространственному распределению рассеянного назад излучения (проекционной методики и методики с использованием волокон для доставки и приема излучения) необходимо пользоваться анизотропным приближением. То есть, если приемники излучения имеют ограниченную апертуру, то рассеивающую среду необходимо описывать тремя оптическими параметрами: коэффициентом поглощения, коэффициентом рассеяния и параметром анизотропии рассеяния.
4. Предложен, теоретически обоснован и экспериментально подтвержден метод определения оптических параметров по рассеянному назад излучению, суть которого заключается в определении оптических параметров путем наложения экспериментально полученного профиля рассеянного назад излучения на построенный заранее модельный массив R(r, ma, ms, g). Разработаны алгоритмы и программные средства определения оптических параметров по известному профилю рассеянного назад излучения. Данный метод позволяет определять с высокой точностью (около 10 %) оптические параметры сред с альбедо < 0.98.

Подробные результаты исследований по этой теме отражены в публикациях:

1. Иванова А. М., Котова С. П., Коваленко А. А., Куприянов Н. Л., Петропавловский В. М. «Определение оптических характеристик сильнорассеивающих сред с использованием метода Монте-Карло» // Труды XXIV школы-симпозиума по когерентной оптике и голографии. Ярославль, 1997 с.  26-34.
2. Бунькова Е. Б., Иванова А. М., Котова С. П., Лысов Н. А., Петропавловский В. М. «Распределение поглощенной энергии при воздействии низкоинтенсивного лазерного излучения на печень крысы» // Труды XXV школы-симпозиума по когерентной оптике и голографии. Ярославль, 1997, с. 213-217.
3. Иванова А. М., Котова С. П., Куприянов Н. Л., Петров А. Л., Тарасова Е. Ю., Шишковский И. В. «Физические особенности селективного лазерного спекания порошковых металл-полимерных композиций» // Квантовая электроника , 1998, 25, № 5, с. 433-438.
4. Бунькова Е. Б., Иванова А. М., Котова С. П., Лысов Н. А. «Распределение поглощенной энергии низкоинтенсивного лазерного излучения в биотканях при лазерной терапии» // Сборник тезисов докладов I-ой Поволжской научно-практической конференции «Лазеры в медицине и экологии», Самара, 1998, с. 119-121.
5. Ivanova A. M., Kotova S. P., Kupriyanov N. L., Rakhmatulin M. A. «Estimation of possibility of multiple scattering medium optical parameters determination by backscattered light!» // Proc. of SPIE, 1999, v. 3726, p. 334-341.
6. Жуков Б. Н., Лысов Н. А, Котова C. П., Бунькова Е. Б., Иванова А. М., Кириченко Н. Д. «Экспериментальное обоснование применения инфракрасного лазерного излучения в гепатологии» // Лазерная медицина, т. 3, вып. 1, 1999, с. 29-32.
7. Майорова А. М., Котова С. П., Петропавловский В. М., Рахматуллин М. А. «Анализ возможности определения оптических параметров биотканей по пространственным характеристикам рассеянного назад света» // Материалы Второй Байкальской школы по фундаментальной физике, Иркутск, 1999, т. 2, с. 400-410.
8. Майорова А. М., Котова С. П., Якуткин В. В. «Методика определения оптических параметров сред по профилю рассеянного назад излучения» // Препринт ФИАН № 35, 2002.
9. Мayorova A. M., Kotova  S. P., Rakhmatulin M. A., Jakutkin V. V. «Fiber-optic backscattering profile measurements for determination of turbid media optical coefficients» // Journal of Russian Laser Research, 2003, т. 24, № 1, с. 1-13.
10. Котова С. П., Майорова А. М., Якуткин В. В. «Определение оптических параметров среды по профилю рассеянного излучения»// Оптика и спектроскопия, т. 95, № 1, с. 125-130.