Χρονικά αναλυόμενες μελέτες διάδοσης φωτός σε ισχυρά σκεδαστικά μέσα
Authors: Ζαχαράκης Ιωάννης 
Published: January 2014

Στη διατριβή αυτή παρουσιάζονται χρονικά αναλυόμενες μελέτες της διάδοσης του φωτός μέσα από ισχυρά σκεδαστικά υλικά. Δύο είναι οι περιπτώσεις οι οποίες μελετώνται. Στην πρώτη η κυρίαρχη διαδικασία είναι η σκέδαση, με αμελητέα απορρόφηση, ενώ η δεύτερη αφορά σε υλικά τα οποία ταυτόχρονα σκεδάζουν και ενισχύουν το φώς. Η διάδοση του φωτός και στις δύο περιπτώσεις χαρακτηρίζεται από τη θεωρία διάχυσης. Παρόλα αυτά κάποια πολύ ενδιαφέροντα φαινόμενα συμβαίνουν στη δεύτερη. Το φως που εκπέμπεται από ένα ισχυρά σκεδαστικό μέσο μπορεί να έχει ιδιότητες που χαρακτηρίζουν το φως λέιζερ. Το φαινόμενο αυτό το οποίο ονομάζεται random laser έχει προκαλέσει μεγάλο ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα. Ο τελικός σκοπός της έρευνας είναι η μελέτη της πιθανής χρήσης της διάδοσης και της εκπομπής φωτός από τέτοια υλικά για την βελτίωση των τεχνικών οπτικής βιοψίας και απεικόνισης. Στο εισαγωγικό τμήμα της διατριβής παρουσιάζονται οι πιο κοινές καλοήθεις και κακοήθεις παθήσεις του γυναικείου μαστού, όπως και μια σύνοψη των τεχνικών απεικόνισης. Μετά γίνεται μια εισαγωγή για τη διάδοση του φωτός διαμέσου ισχυρά σκεδαστικών υλικών ενίσχυσης και το τεράστιο αριθμό εφαρμογών τους. Στη συνέχεια περιγράφονται θεωρητικά οι διαδικασίες που χαρακτηρίζουν τη αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη. Τα υλικά με ιδιότητες σκέδασης και ενίσχυσης χαρακτηρίζονται από τη θεωρία διάχυσης και τη θεωρία της ακτινοβολίας λέιζερ. Οι ιδιότητες συμφωνίας του φωτός που εκπέμπεται από τα random laser εξετάζονται επίσης και ταυτόχρονα δίνεται μια σύνοψη των σύγχρονων θεωριών. Για τη χρονικά αναλυόμενη μελέτη της διάδοσης του φωτός μέσα από σκεδαστικά υλικά όπως ο ιστός από γυναικείο μαστό, χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα λέιζερ Ti:Sapphire το οποίο εκπέμπει παλμούς με διάρκεια 200 fs στα 800 nm με μέση ισχύ ~1 W και με επαναληψιμότητα 82 MHz. Η ανίχνευση γίνεται με streak camera με χρονική διακριτική ικανότητα 2 ps. Τα δείγματα ιστού λαμβάνονταν από εγχειρήσεις αφαίρεσης όγκου και από εγχειρήσεις βιοψίας και αφορούσαν φυσιλογικό κιπώδη και ινώδη ιστό. Η θεωρητική ανάλυση της χρονικής διασποράς του διαδιδόμενου παλμού λέιζερ παρέχει τις οπτικές ιδιότητες του υπό εξέταση υλικού. Η μελέτη των δειγμάτων με μεγάλες διαστάσεις όπως είναι τα δείγματα βιοψίας στη μέθοδο της ανάλυσης των πολυονύμων Laguerre. Τελευταία κατέστη δυνατόν να μελετηθεί και καρκινικός ιστός για την ολοκλήρωση της μελέτης. Τα αποτελέσματα είναι σε πλήρη συμφωνία με τα αντίστοιχα από την ιστολογική ανάλυση και γι’ αυτό πολλά υποσχόμενα για την πιθανή χρήση της μεθόδου για οπτική βιοψία. Όσων αφορά στα υλικά με ιδιότητες σκέδασης και ενίσχυσης του φωτός, χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικά συστήματα λέιζερ ανάλογα με τον επιλεγμένο τρόπο διέγερσης, σε συνδυασμό με την ίδια ανιχνευτική διάταξη, η οποία περιλαμβάνει ένα σύστημα φασματογράφου – streak camera για την ταυτόχρονη καταγραφή της φασματικής και της χρονικής πληροφορίας. Η χρονική διακριτική ικανότητα είναι 2 ps, ενώ η αντίστοιχη φασματική 1 nm. Για την διέγερση των υλικών με ένα φωτόνιο χρησιμοποιήθηκε ένα λέιζερ χρωστικών κατανεμημένης ανάδρασης (distributed feedback dye laser) το οποίο εκπέμπει παλμούς 500 fs στα 496 nm με ενέργεια 50 μJ, το οποίο αντλούνταν από ένα λέιζερ διεγερμένων διμερών XeCl στα 308 nm. Για τη διέγερση με δύο φωτόνια χρησιμοποιήθηκε η διάταξη ενίσχυσης της εξόδου του συστήματος λέιζερ Ti:Sapphire το οποίο εκπέμπει παλμούς 200 fs στα 800 nm με επαναληψιμότητα 1 KHz και μέση ισχύ 500 mW. Τα δείγματα παρασκευάστηκαν αναμιγνύοντας διάφορες χρωστικές με μικροσφαιρίδια TiO₂ διαστάσεων ~400 nm σε υγρά ή στερεά υποστρώματα, παρέχοντας έτσι τις απαραίτητες ιδιότητες σκέδασης και ενίσχυσης. Το φως που εκπέμπεται από τέτοια υλικά έχει τις χρονικές και φασματικές ιδιότητες της εκπομπής λέιζερ. Παλμοί με διάρκεια μερικών picosecond και πλάτους μερικών nanometers (στα διακριτικά όρια του ανιχνευτικού συστήματος) ανιχνεύονται όταν η ενέργεια διέγερσης των δειγμάτων είναι πάνω από ένα καλά καθορισμένο κατώφλι. Αυτή η οπτική έκρηξη παρέχει μια πηγή φωτός σαν φάρο, η οποία θα μπορούσε να βελτιώσει τις τεχνικές ανίχνευσης και απεικόνισης. Ειδικά η διέγερση με δύο φωτόνια υπέρυθρου μήκους κύματος παρέχι το απαραίτητο βάθος διείσδυσης μέσα σε ισχυρά σκεδαστικά υλικά, ενώ ταυτόχρονα ελαχιστοποιεί τη φωτοδιάσπαση και τη φωτοτοξικότητα του ιστού εξαιτίας της χαμηλής ενέργειας των φωτονίων. Η μη γραμμική συμπεριφορά εξασφαλίζει ότι το φαινόμενο περιορίζεται στην περιοχή εστίασης με αποτέλεσμα τη βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας. Η πιθανή χρονική συμφωνία της εκπομπής λέιζερ μελετήθηκα χρησιμοποιώντας τη διάταξη ενίσχυσης της εξόδου του συστήματος λέιζερ Ti:Sapphire στα 800 nm αφού διπλασιαστεί η συχνότητά του. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις single photon counting για τη δημιουργία των στατιστικών κατανομών οι οποίες χαρακτηρίζουν το εκπεμπόμενο φως. Το σύμφωνο φως υπακούει στη κατανομή Poisson ενώ το μη σύμφωνο φως υπακούει στην κατανομή Bose-Einstein. Τα πειραματικά δεδομένα υπέδειξαν ότι ανάλογα με τις ιδιότητες σκέδασης του υλικού και του τρόπου διέγερσης, το εκπεμπόμενο φως αποτελείται σε διαφορετικό βαθμό από σύμφωνες και μη σύμφωνες συνιστώσες. Παρόμοιες μελέτες πραγματοποιούνται όταν διάφορες φωτοχρωστικές ουσίες εμβαπτίζονται σε βιολογικό ιστό. Ο τελικός στόχος είναι η εκμετάλλευση του φαινομένου random laser για μια πιο εντοπισμένη χωρικά και φασματικά δράση στη φωτοδυναμική θεραπεία επιφανειακών αλλοιώσεων. Πολλά υποσχόμενη είναι η κατασκευή λεπτών γαζών με διάφορες χρωστικές, οι οποίες θα εφαρμόζονται απ’ ευθείας πάνω στην αλλοίωση και θα επιτρέπουν την επιλογή του κατάλληλου μήκους κύματος χρησιμοποιώντας την ίδια πηγή λέιζερ για διέγερση. Μερικές από τις άλλες εφαρμογές είναι το μαρκάρισμα για ανιχνευτικούς σκοπούς (φωτονικοί κώδικες, αποστολές διάδοσης, μαρκάρισμα επικίνδυνων υλικών), αντικατάσταση των κοινών ενεργών υλικών στα λέιζερ χρωστικών και η ώθηση της εκπομπής των LEDs και των διοδικών λέιζερ στην μπλε περιοχή του φάσματος (σε συνδυασμό με electro-luminescent πολυμερή). Μεγάλη προσπάθεια καταβάλλεται επίσης για τη μελέτη φωτονικών κρυστάλλων που εμπεριέχουν χρωστικές και του φωτός που εκπέμπεται από ένα υλικό που συνδυάζει την τάξη (κρυσταλλική δομή) με την αταξία (τυχαίες πορείες φωτονίων).