Скоростная визуализация микрообъектов посредством активных сред лазеров на парах металлов в условиях засветки

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Природные алмазы России / Под ред. В.Б. Кваскова. - М.: По-лярон, 1997. - 304 с.

2. Anthony TR, Banholzer W.F., Fleiseher T.F., et al. Thermal diffusi-vity of isotopically enriched 12C diamond // Phys. Rev. B. - 1990. -V. 42. - № 2. - P. 1104-1111.

3. Моряков О.С., Квасков В.Б., Горбачев В.В., Зезин Р.Б., Храб-рова Т.В. Природные алмазы в полупроводниковой электронике // Обзоры по электронной технике. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. - 1988. - В. 4 (1342). - 36 с. - М.: ЦНИИ «Электроника».

4. Моряков О.С. Алмазные теплоотводы в конструкции полупроводниковых приборов // Обзоры по электронной технике.

Сер. 2. Полупроводниковые приборы. - 1982. - В. 1 (857). -46 с. - М.: ЦНИИ «Электроника».

5. Баранов В.В., Паращук В.В., Рябцев Г.И. и др. Особенности микромонтажа мощных лазерных диодов // Проблемы проектирования и производства РЭС: Сб. матер. V Междунар. науч-но-техн. конф. (Новополоцк, 29-30 мая 2008). - ПГУ, 2008. -С. 40-44.

6. Рябцев ГИ., Батай Л.Е., Паращук В.В. и др. Теплоотводы на основе искусственных алмазов для мощных лазерных диодов // Lithuanian Journal of Physics. - 1999. - V. 39. - № 4-5. -P. 389-394.

Поступила 08.10.2009 г.

УДК 621.373.826

СКОРОСТНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ МИКРООБЪЕКТОВ ПОСРЕДСТВОМ АКТИВНЫХ СРЕД ЛАЗЕРОВ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ В УСЛОВИЯХ ЗАСВЕТКИ

Г.С. Евтушенко1, Ф.А. Губарев1-2, В.Б. Суханов2, Д.В. Шиянов2, С.Н. Торгаев1-2, М.В. Тригуб1-2

Томский политехнический университет 2Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск E-mail: trigub@tpu.ru

Представлен анализ возможности создания и использования активных оптических систем для визуализации макро- и микрообъектов, в условиях внешней (либо собственной) засветки, в том числе в режиме реального времени. Представлены результаты разработки и тестирования макета такой системы с использованием активной среды высокочастотного лазера на парах бромида меди. Визуализирован процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Проведен ряд экспериментов по визуализации биообъектов, в том числе в условиях внешней засветки.

Ключевые слова:

Лазеры на парах металлов, активная оптическая система, высокоскоростной лазерный монитор, лазерный микроскоп.

Key words:

Metal-vapor lasers, active optical system, high-speed resolution laser monitor, laser microscope.

Введение

В настоящее время все более востребованными становятся оптико-электронные системы, способные визуализировать быстропротекающие процессы, в том числе экранированные от наблюдателя слоем плазмы. Такие процессы протекают в зоне взаимодействия мощных потоков энергии (лазерное излучение, электронный пучок и т. д.) с веществом, например, при создании наноразмерных структур, лазерной обработке материалов, само-распространяющемся высокотемпературном синтезе. Для наблюдения подобных явлений целесообразно использовать высокоскоростные лазерные мониторы, в которых в качестве оптического усилителя применяются лазеры на самоограниченных переходах металлов, в частности, лазер на парах меди. Выбор данного типа лазеров обусловлен следующими особенностями: работа в видимой области спектра, высокая спектральная яркость, однородность среды, большое усиление и высокая частота следования импульсов генерации [1].

Оптические системы с усилителями яркости

Для создания активных оптических систем

(АОС) необходимо применение квантового усилителя, который должен удовлетворять следующим

требованиям:

1. Оптическая среда квантового усилителя должна быть оптически однородной для того, чтобы усилитель не вносил искажений в передаваемую информацию.

2. Высокое усиление среды, что позволяет работать без резонатора (режим сверхсветимости).

3. Геометрические размеры и угловая апертура усилителя должны обеспечивать прохождение световых пучков без потерь оптической информации.

4. Выходная мощность усилителя должна быть достаточной для практического применения (визуальный контроль).

5. Работа активной среды в импульсном режиме. Впервые активные среды газовых лазеров для

создания АОС применены в работе [2], в которой

использовали гелий-неоновый лазер и пары однократно ионизированной ртути в полом катоде. Использование активных сред лазеров на парах металлов в качестве усилителей яркости предложено в работе [3]. Создание усилителя яркости на парах меди стало возможным после того, как в работе [4] был предложен метод саморазогрева, суть которого заключается в использовании для нагрева рабочей зоны активного элемента энергии того же импульса, что используется для накачки лазера.

В работе [5] представлено устройство, позволяющее получать увеличенное и усиленное по яркости изображение объекта на большом экране. Оптический усилитель выполнен на основе лазера на парах меди, работающего в режиме сверхсветимости, с частотой повторения импульсов накачки 10 кГц. Упрощенная схема такого устройства, получившего название лазерного проекционного микроскопа, приведена на рис. 1.

Наблюдение объектов в условиях сильной фоновой засветки

В работе [6] приведены оценки предельных условий, при которых зондирующий луч может пройти через слой плотной высокотемпературной плазмы и сформировать без заметного искажения оптическое изображение объекта. Эффект запирания зондирующего излучения определяется плазменной частотой и проявляется при плотности электронов

>1021 см-3. Поэтому при использовании излучения видимой области спектра, плазма остается оптически тонкой в широком диапазоне параметров [6].

С использованием АОС произведен ряд исследований зон взаимодействия мощного излучения с графитом и пирографитом [7-9]. Выявлен ряд особенностей, которые было бы невозможно обнаружить другими средствами наблюдения. Следует отметить, что в работе [9] наблюдение процесса осуществлялось в режиме реального времени, благодаря еще одному достоинству этого класса лазеров

- импульсно-периодическому режиму генерации коротких импульсов. В результате было создано устройство, названное авторами «лазерный монитор», рис. 2.

Для наблюдения процессов в режиме реального времени с помощью лазерного монитора необходимо увеличивать временное разрешение системы, т. е. увеличивать частоту работы оптического усилителя и использовать высокоскоростные регистраторы. В работах [7-9] максимальная частота следования импульсов накачки лазера на парах меди составляла 16 кГц, что обеспечивало временное разрешение 62,5 мкс.

Для наблюдения ряда процессов, таких как получение наноразмерных структур, анализ саморас-пространяющегося высокотемпературного синтеза и др., требуются более скоростные системы визуализации.

6

Рис. 2. Схема лазерного монитора: 1) наблюдаемый электрод; 2) линза; 3) усилитель яркости; 4, 5) линзы, формирующие изображение на экране; 6) экран; 7) скоростной регистратор

Активные среды

Характеристики АОС (временное разрешение, усиление и др.) во многом определяются характеристиками используемой активной среды. Сегодня на смену стандартным лазерам на парах металлов приходят лазеры с модифицированной кинетикой [10]

- это лазеры, активная среда в которых модифицирована введением активных примесей, что существенно улучшает генерационные характеристики.

В работе [11] представлены усилительные характеристики активной среды лазера на парах бромида меди с добавками водорода и результаты исследований характеристик АОС с усилителями яркости на основе данной среды. При добавках водорода происходит заметное сглаживание распределения эффективного усиления по поперечному сечению активного элемента, что делает активную среду на парах бромида меди с добавками водорода предпочтительной для создания АОС. Максимальная частота следования импульсов генерации для данного типа лазера с активными добавками достигает 400 кГц [12, 13], что открывает возможность создания лазерного монитора с высоким временным разрешением.

Экспериментальные результаты

Как отмечалось выше, активные оптические системы позволяют наблюдать объекты в условиях внешней фоновой засветки. В работе проведен ряд тестовых экспериментов по наблюдению микрообъектов в условия внешней и собственной фоновой засветки, в том числе при высокой частоте следования импульсов накачки оптического усилителя. Схемы экспериментов представлены на рис. 3.

В качестве оптического усилителя использовался активный элемент лазера на парах бромида меди с добавками НВг с частотой следования импульсов возбуждения 50...70 кГц. Регистрация объектов осуществлялась с помощью камеры Саяо ИХ^Н20, с временным разрешением 1 мс. В качестве тест-объектов использованы металлическая сетка с размером отверстий 0,75 мм и дифракционная решетка 600 штр./мм. В качестве внешней засветки использовано пламя свечи.

На рис. 4 показано изображение дифракционной решетки при разном увеличении объектива, полученное в режиме обычного проекционного микроскопа (внешняя засветка отсутствовала). На рис. 5 приведены результаты работы лазерной системы в режиме монитора (в условиях внешней засветки). Видно, что без использования оптического усилителя наблюдение области, засвеченной плазмой невозможно (рис. 5, а). В то же время, при использовании АОС, получаем увеличенное изображение засвеченной области (рис. 5, в), не уступающее по качеству изображению в отсутствии засветки (рис. 5, б). Яркие пятна на рис. 5, б, в, связаны с возникновением генерации вследствие отражения от выходного окна газоразрядной трубки. Оптимизация оптического усилителя позволит избавиться от данного паразитного эффекта.

Следующая серия экспериментов заключалась в визуализации объектов, которые являются источниками фоновой засветки, делающей невозможным наблюдение обычными оптическими системами. Схема эксперимента представлена на рис. 3, б. В качестве тестового эксперимента визуализировался процесс горения бенгальской свечи. На рис. 6 представлены кадры из видеоролика горения свечи, съемка производилась с частотой 1000 кадров/с.

Рис. 3. Схемы экспериментов в условиях внешней фоновой (а) и собственной (б) засветки: 1) объект наблюдения, 2) внешняя засветка, 3), 5) линзы, формирующие изображение на экране, 4) оптический усилитель, 6) экран

а б в

Рис 5. Тестовый эксперимент: а) внешний вид установки; б, в) изображение объекта на экране без засветки и при внешней засветке

а бег

Рис. 6. Тестовый эксперимент: а) начало горения области; б, в) горение; г) остывание свечи

По такой же схеме совместно с сотрудниками отдела макрокинетики ТНЦ СО РАН, г. Томск, А.И. Кирдяшкиным и Р.А. Юсуповым исследован процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза структуры FeTЮ3+SЮ2+Si+Al+C. На рис. 7 представлены кадры из видеофайла процесса горения данной структуры, полученные как без применения, так и с применением лазерного монитора. В связи с наличием мощной засветки не представляется возможным визуальное наблюдение за изменением структуры непосредственно в момент горения (рис. 7, а). С использованием ла-

зерного монитора с усилителем яркости на основе СиВг-№-НВг лазера произведена визуализация данного процесса. Результаты представлены на рис. 7, б, на котором видны характерные моменты процесса - начало горения (0 мс), синтез (155 мс) -процесс горения, для которого характерно наличие жидкой фазы, и кристаллизация (6000 мс).

С использованием схемы, аналогичной представленной на рис. 3, а, производилось наблюдение биообъектов. На рис. 8 представлено изображение мазка цельной крови.

7000 мс 8500 мс

а б

Рис. 7. Процесс горения структуры FeTiЮ-3+SЮ-2+Si+Al+C а) видеосъемка; б) визуализация с помощью АОС

Рис. 8. Изображения мазка цельной крови, полученные с помощью микроскопов: а) «Биолам 10М», б) лазерного проекционного

Качество полученного изображения позволяет производить количественные оценки (степень агрегации и количество эритроцитов на единицу площади) и не уступает изображению, получаемому при использовании стандартного микроскопа («Биолам 10М»).

В качестве следующего объекта наблюдения, с присутствием внешней засветки, использовалась клетка кожицы лука. Засветка осуществлялась излучением Не-№ лазера средней мощностью 3 мВт с диаметром пучка 1,5 мм (рис. 9, в).

Как видно на рис. 9, в, внешняя засветка не влияет на качество получаемого изображения, что позволит в дальнейшем производить детальное наблюдение за изменениями в биотканях при воздействии низкоэнергетического лазерного излучения в режиме реального времени.

Заключение

Использование лазеров на парах галогенидов металлов, в частности, на парах бромида меди в ка-

а б в

Рис. 9. Фотографии клетки кожицы лука: а) микроскоп «Биолам 10М»; б, в) активная оптическая система без засветки и при облучении Ие-Ые лазером

честве оптического усилителя для создания активных оптических систем, позволяет существенно расширить область применения лазерных мониторов и лазерных проекционных микроскопов.

В режиме проекционного микроскопа получены увеличенные изображения биообъектов, что свидетельствует о возможности наблюдения живых клеток без их деструкции. Высокая частота следования импульсов накачки оптического усилителя позволяет получать изображение высокого качества. Наличие внешней засветки не влияет на качество полученного изображения.

В режиме лазерного монитора на примере само-распространяющегося высокотемпературного синтеза показано, что в условиях фоновой засветки

удается визуализировать быстропротекающие процессы для их дальнейшего исследования.

Впервые в качестве оптического усилителя использован лазер с частотой следования импульсов генерации 70 кГц, что делает возможным создание системы с временным разрешением до 14 мкс.

Использование лазера с высокими частотами следования и современных скоростных фоторегистраторов позволит улучшить временное разрешение системы (до единиц мкс) и расширить область применения активных оптических систем.

Работа выполнена при поддержке АВЦП«Развитие научного потенциала высшей школы», проект № 2.1.2/1425 и частично представлена на XIII Всероссийской конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы», Звенигород, 8-13 июня 2009г.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пасманик ГА., Земсков К.И., Казарян М.А. и др. Оптические системы с усилителями яркости. - Горький: ИПН АФ СССР, 1988. - 173 с.

2. Hardy WA. Active images formation in lasers // IBM J. Reas. and develop. - 1965. - V. 9. - № 1. - P. 31-35.

3. Rabinovitz P., Chimenti R. Short communication // J. of the Optical Society of America. - 1970. - V. 60. - № 3. - P. 1577-1582.

4. Исаев А.А., Казарян М.А., Петраш Г.Г. Эффективный импульсный лазер на парах меди с высокой средней мощностью генерации // Письма в ЖЭТФ. - 1972. - Т. 16. - № 1. -С. 40-42.

5. Земсков К.И., Исаев А.А., Казарян М.А., Петраш Г.Г. Лазерный проекционный микроскоп // Квантовая электроника. -1974. - Т. 1. - № 1. - С. 14-15.

6. Абросимов Г.В., Польский М.М., Саенко В.Б. Использование лазерной среды для фотографирования поверхности, закрытой слоем плазмы // Квантовая электроника. - 1988. - Т. 15. - № 3. - С. 640-646.

7. Батенин В.М., Глина В.Ю., Климовский И.И., Селезнева Л.А. Применение оптических систем с усилителями яркости для исследования поверхностей электродов из графита и пирографита во время горения дуги // Техника высоких температур. -1991. - Т. 29. - № 6. - С. 1204-1210.

8. Асиновский Э.И., Батенин В.М., Климовский И.И., Марко-вец В.В. Исследование областей замыкания тока на электродах слаботочной угольной дуги с помощью лазерного монитора // Техника высоких температур. - 2001. - Т 39. - № 5. - С. 794-808.

9. Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Жаренова С.В., Климовский И.И., Прокошев В.Г., Шаманская Е.Л. Визуализация с помощью лазерного монитора взаимодействия лазерного излучения с поверхностью стекло- и пироуглерода // Известия Томского политехнического университета - 2008. - Т 312. - № 2. - С. 97-101.

10. Little C.E. Metal Vapor Lasers: Physics, Engineering & Applications. - Chichester (UK): John Willey & Sons Ltd., 1998. -P. 620-624.

11. Астаджов Д.Н., Вучков Н.К., Земсков К.И., Исаев А.А., Казарян М.А., Петраш Г.Г., Саботинов Н.В. Активные оптические системы с усилителем на парах бромида меди // Квантовая электроника. - 1988. - Т. 15. - № 4. - C. 716-719.

12. Евтушенко ГС. Лазеры на парах металлов и их галогенидов с высокими частотами следования // Наука - производству. -2003. - № 9 (65). - С. 51-54.

13. Губарев Ф.А., Федоров В.Ф., Евтушенко ГС., Суханов В.Б., За-икин С.С. Лазер на парах бромида меди с частотой следования импульсов 400 кГц // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т. 312. - № 2. - C. 106-107.

14. Евтушенко ГС., Губарев Ф.А., Суханов В.Б., Шиянов Д.В., Тригуб М.В. Скоростные мониторы на основе лазеров на парах металлов с модифицированной кинетикой // Диагностика высокотемпературной плазмы. Докл. XIII Всеросс. конф. - Звенигород, 8-13 июня 2009 г. - Троицк: ГНЦ РФ ТрИнИТИ, 2009. - С. 69-70.

Поступила 01.10.2009 г.