ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ОСВЕТИТЕЛЬ

Заявляемая полезная модель относится к элементам к оптическим микроскопам, а также к волоконно-оптической технике, предназначено для создания короткого импульса некогерентного света большой мощности с целью получения изображений движущихся микроскопических объектов при использовании микроскопа с телевизионной камерой. Полезная модель может использоваться в различных областях техники: измерительной технике, энергетике, экологии, медицине, фармакологии и других отраслях.
Импульсные источники оптического излучения находят широкое применение в технике для освещения крупногабаритных объектов. В частности, почти все фотоаппараты снабжены импульсными лампами-вспышками. Ксеноновая электрическая газоразрядная лампа-вспышка позволяет получать импульсы длительностью от десятков микросекунд до десятков миллисекунд с энергией вспышки в сотни джоулей. Аналогичные параметры имеют газоразрядные лампы, наполненные криптоном и другими газами. Излучение газоразрядных ламп некогерентное, что позволяет получать хорошее качество изображений требуемых объектов. При фотосъемке движущихся микрообъектов или получении их изображений с использованием телевизионной камеры применение газоразрядных ламп либо затруднено, либо невозможно по двум причинам. Во-первых, требуется малая длительность импульса (например, при скорости движения частиц 10 м/с для получения четкого изображения частицы размером 1 мкм необходима длительность оптического импульса приблизительно 10 нс). Во-вторых, при использовании микроскопа с большим оптическим увеличением необходима высокая интенсивность излучения подсветки объекта, т.к. поле зрения микроскопа уменьшается до сотен микрометров. Для того, чтобы выполнить оба условия, необходим источник с малой длительностью импульса, большой оптической мощностью, которую можно сфокусировать на маленькую площадь. Газоразрядные лампы имеют большую площадь излучающей поверхности, поэтому их излучение невозможно сфокусировать на малую площадь. Еще меньшую плотность мощности на единицу поверхности удается получить с использованием современных светодиодов.
Единственными источниками излучения, удовлетворяющим указанным выше требованиям, являются лазеры с пассивным или активным затвором. Однако излучение лазеров когерентное. При прохождении когерентным излучением оптически неоднородной среды - оптических окон, непосредственно среды, окружающей исследуемые объекты, в частности - микроскопические частицы, возникает случайная интерференционная картина, представляющая собой случайно расположенные темные и светлые пятна называемых спекл-пятнами или просто «спеклами». Такая картина снижает качество изображения и серьезно затрудняет определение размеров и количества посторонних частиц. Характерный размер спекл-пятен зависит от размера параметров источника излучения и расстояния до плоскости наблюдения. Основные свойства спекл-структур хорошо известны. Подробные сведения о свойствах спекл-структур, измерении их параметров и устройствах на их основе приводятся в монографии М.Франсона (Франсон М. Оптика спеклов / Пер. с франц., М., Изд-во «Мир», 1980, 176 С). Типичный размер спекл-пятен при использовании многомодовых волоконных световодов в качестве устройства для доставки излучения в оптическую систему микроскопов в фокальной плоскости составляет от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров, но не может быть меньше длины волны излучения. При использовании когерентного источника излучения с минимальным количество дополнительных оптических элементов к оптическому микроскопу или даже без них, интерференционная картина возникает вследствие интерференции излучения на оптических неоднородностях оптической системы микроскопа и среды, окружающей исследуемые объекты. Такими образом, возникающая интерференционная картина существенно ухудшает качество изображения исследуемых объектов или даже приводит к невозможности определения геометрических параметров объектов, в частности, формы и размеров частиц в прозрачной среде.
Влияние интерференции выходящего излучения на параметры сигнала при использовании многомодовых волоконных световодов (ВС) хорошо известно как эффект модового шума. В случае если производится пространственная фильтрация излучения, что имеет место при потерях в волоконно-оптических соединителях, тем более при использовании телевизионной камеры для регистрации выходящего излучения, возникновение модового шума и неоднородности освещенности приемной матрицы ТВ камеры - неизбежно. Для снижения модового шума используют механическое воздействие на волоконный световод, приводящее к изменению фаз интерферирующих волноводных мод, соответственно к изменению интерференционной картины. Данный способ и устройства на его основе описаны в 1984 г. (Котов О.И., Петрунькин В.Ю., Филиппов В.Н. Явление подавления модовых шумов в многомодовых волоконных световодах // Журнал технической физики, 1984, Т.54, №5, С.803-807). Недостатком данного способа является невозможность модулировать фазу волноводных мод с большой частотой. Пьезокерамические модуляторы позволяет получать частоту модуляции фазы в волоконных световодах до сотни килогерц, в некоторых специальных конструкциях - до десятков мегагерц, что недостаточно для получения изображений движущихся микрообъектов.
Каких-либо методов снижения длины когерентности излучения импульсных лазеров с синхронизацией мод фактически не существует. Единственным кардинальным решением данной проблемы является переход от когерентного излучения к некогерентному. Такой подход известен в технике, в частности, в настоящее время большие надежды возлагают на использование некогерентного излучения в системах хранения информации - использования флуоресцирующих многослойных дисков (FMD) в качестве альтернативы существующим DVD дискам, см. например, патент №6009065 (В.Glushko et al. Optical pickup for 3-D data storage reading from the multilayer fluorescent optical disk / Pat. US 6009065, G11B 7/00). Использование некогерентного излучения флуоресценции позволяет существенно улучшить качество формируемого изображения элементарных ячеек хранения информации вследствие отсутствия интерференционных явлений между слоями при считывании информации, соответственно, увеличить количество слоев, а значит - объемов хранимой информации, а также снизить вероятность ошибки при считывании информации. Однако данный способ не применим для большинства частиц в потоках различных веществ по двум причинам. Во-первых, большинство частиц не являются флуоресцирующими и их невозможно сделать флуоресцирующими, аналогично действию специальных флуоресцентных маркеров на определенные органические вещества, во-вторых, сама среда, в которой находятся частицы, как например, машинное или турбинное масло обладают эффектом флуоресценции, что создает дополнительные помехи при регистрации частиц.
Преобразование когерентного излучения в некогерентное за счет эффекта флуоресценции хорошо известно. Длительность импульса флуоресценции у большого количества флуоресцирующих веществ составляет от единиц до нескольких десятков наносекунд, т.е. возможно их использование для создания источника импульсного некогерентного излучения. В частности, для данных целей могут использоваться флуоресцирующие органические красители, применяемое для создания лазеров на красителях. Однако флуоресцирующие вещества в настоящее время не используются в качестве импульсных источников мощного излучения к оптическим микроскопам. По-видимому, это связано со сложностью фокусировки и доставки к оптической системе микроскопа излучения флуоресценции.
Известны несколько устройств, позволяющие направлять возникающее излучение флуоресценции. Патент №2397574 РФ (Дебейе М.Г. и др. Люминесцентный объект и его использование / Пат. 2397574, РФ) и пат. №2031502 РФ (Денисов Л.К. и др. Волоконно-оптический лазер на красителе в полимере / пат. №2031502 РФ). Патент №2397574 РФ представляет собой многослойную волноводную структуру, содержащую флуоресцирующий краситель, предназначенную для концентрации солнечной энергии, т.е. некогерентного излучения. Данное устройство может преобразовывать и направлять когерентное лазерное излучение. Однако параметры данного устройства никак не связаны с изменением степени когерентности выходящего излучения. Поэтому патент №2397574 РФ нельзя рассматривать как устройство для создания мощных импульсов некогерентного излучения к оптическому микроскопу для получения изображений движущихся микроскопических объектов.
Патент №2031502 РФ представляет собой устройство на основе полимерного волоконного световода, изготовленного с добавкой органических красителей в определенной пропорции для достижения максимальной мощности генерации лазерного (когерентного) излучения. То есть, устройство, описанное в пат. №2031502 РФ, предназначено, фактически для противоположных целей. Соответственно, параметры устройства оптимизированы для получения когерентного излучения, а не некогерентного. То есть, данное устройство также не может использоваться в качестве источника импульсного некогерентного излучения для микроскопа. По этой же причине не может использоваться и пат. №2091941 (Кытина Н.Г. и др. Твердотельный мини лазер на красителе / Пат. №2091941 РФ).
Непосредственных аналогов заявляемой полезной модели, имеющих такое же назначение, не найдено.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели выбрано устройство «Световод для облучения биообъектов» (Коробкин А.В.; Новиков В.Ф.; Пономарев Л.Е.; Кузьмин О.В. Световод для облучения биообъектов / Пат. РФ №2054189, заявка №92000934/14, G02B 6/00, опубл. 10.02.1996), так как имеет близкое назначение - создание поля с равномерной освещенностью для улучшения качества получаемого изображения, регистрируемого телевизионной камерой или наблюдаемого визуально, а также вследствие конструктивного сходства. Целью прототипа является повышение терапевтического эффекта воздействия при использовании световода. К задачам прототипа следует также отнести: равномерность светового воздействия на патологический очаг; упрощение конструкции световода; снижение стоимости световода; создание лучших условий для обслуживания больного и работы персонала. Сущностью предложения прототипа является выполнение эластичного световода из смеси полимера с люминесцентным веществом до 10% весового соотношения. При необходимости использования точечного воздействия или изменения площади воздействия световод может быть снабжен съемным непрозрачным кожухом (металлическим, полимерным).
Важно отметить, что прототип предназначен, прежде всего, для преобразования некогерентного излучения ламп накаливания в также некогерентное излучение флуоресценции, а освещаемые объекты расположены вокруг световода. То есть, равномерное освещение создается вокруг прототипа, а не на выходе волоконного световода, следовательно, параметры такого осветителя оптимизированы для освещения протяженных объектов. Поэтому основным недостатком прототипа является низкая интенсивность излучения, выходящего через торец, так как мощность излучения флуоресценции распределена по сравнительно большой (по сравнению с площадью сердцевины световода) площади поверхности. Следовательно, в импульсном режиме происходит либо ухудшение качества изображения из-за собственных шумов приемной матрицы телевизионной камеры или возникает невозможность получения изображения вследствие малой интенсивности осветителя. Необходимо также отметить, что прототип не предназначен для освещения движущихся объектов, хотя при использовании для накачки импульсного лазера с синхронизацией мод возможно получение коротких импульсов некогерентного излучения. Таким образом, прототип также не оптимизирован для достижения минимальной длительности импульса, конструктивные размеры прототипа не связаны с длительностью импульса, соответственно, не учитывают возможное увеличение длительности формируемого импульса вследствие межмодовой дисперсии в элементах конструкции, в частности, в волоконном световоде. Так как для накачки флуоресцирующего красителя в прототипе рекомендовано использование некогерентного источника излучения, геометрические размеры световода и концентрация красителя не связаны с изменением когерентности выходящего излучения, т.е. параметры прототипа не оптимизированы для достижения минимальных интерференционных шумов в приемной телевизионной камере микроскопа. Необходимо также отметить очень высокую концентрацию люминесцирующего вещества в прототипе (до 10% весового соотношения), что многократно выше растворимости практически всех известных флуоресцирующих красителей. Следовательно, такая среда будет обладать большим коэффициентом диффузного рассеяния, что целесообразно для освещения объектов излучением, выходящим через боковую поверхность, но не эффективно при освещении объектов излучением, выходящим через торцевую поверхность световода. Кроме того, термин «люминесцирующее вещество» подразумевает возможность использования порошковых флуоресцирующих пигментов, которые улучшают светотехнические характеристики прототипа, но не могут быть использованы для получения изображений движущихся микроскопических частиц.
Целью полезной модели является улучшение качества изображений движущихся микрообъектов, увеличения точности измерений размеров и геометрической формы микрообъектов.
Поставленная цель достигается тем, что в качестве осветителя микроскопа используется полимерное оптическое волокно с диаметром сердцевины 980 мкм, активированной органическим красителем со спектральным диапазоном поглощения соответствующим второй гармонике излучения твердотельного лазера и спектром флуоресценции в желтой или красной области видимого диапазона длин волн;
m
c
p
f
f,max
f
минимальная длина отрезка активного волокна выбрана как максимальное значение из двух величин L и L, где  - длина соответствующая максимальной интенсивности флуоресценции, α, α - коэффициенты затухания при выбранной концентрации красителя на длине волны излучения накачки 532 нм и длине волны, соответствующей максимальной спектральной плотности флуоресценции,  - минимальная длина, при которой контраст флуктуаций интенсивности не превышает заданную величину с, β - эффективность преобразования излучения накачки в излучение флуоресценции;
max,р
max,d
f,max
min
m
mах
1
максимальная длина отрезка активного волокна выбрана как минимальное значение из двух величин L и L, где  - максимальная длина отрезка, обусловленная необходимость достижения выходной энергии флуоресценции, достаточной для получения изображения, W - максимальное значение энергии флуоресценции в световоде, W - минимальная величина энергии, необходимая для засветки фотоприемной матрицы телевизионной камеры, k - коэффициент пропускания выходящего из волокна излучения оптической системой микроскопа,  - максимальная длина отрезка, обусловленная дисперсией импульса, с - скорость света, Δτ - максимально допустимая длительность импульса подсветки, n - показатель преломления сердцевины, NA - числовая апертура ПОВ;
минимально допустимая концентрация красителя в сердцевине волокна выбрана такой, чтобы поглощение излучения накачки красителем доминировало над собственными потерями световода, а максимально допустимая концентрация - чтобы глубина проникновения излучения накачки в световод была существенно больше диаметра сердцевины;
активный отрезок соединен с импульсным лазером посредством отрезка оптического волокна с кварцевой сердцевиной, ступенчатым профилем показателя преломления и диаметром, равным диаметру волокна, активированного красителем, а также числовой апертурой равной или меньшей, чем числовая апертура волокна, активированного красителем;
между выходом лазера и отрезком волокна с кварцевой сердцевиной размещен оптический светофильтр, поглощающий инфракрасное излучение.
Принцип действия полезной модели поясняется шестью фигурами: фиг.1 - расчетная зависимость мощности флуоресценции выходящего излучения при концентрации Родамина 6Ж в сердцевине световода 5 мг/кг, 2 - структурная схема заявляемой полезной модели, 3 - типичный спектр излучения лазера на иттриевом гранате, активированном неодимом, со светодиодной накачкой, при умножении частоты с помощью нелинейного кристалла КТР и спектр излучения после прохождения светофильтра, 4 - экспериментально измеренная зависимость изменения контраста спекл-структуры от длины световода при концентрации Родамином 6Ж в сердцевине 5 мг/кг, 5 - изображение движущихся частиц в потоке турбинного масла, полученное в когерентном свете, 6 - изображение движущихся частиц в потоке турбинного масла, полученное с использованием заявляемой полезной модели.
Структурная схема заявляемой полезной модели приведена на фиг.2, на которой: 1 - лазерный излучатель, 2 - отрезок полимерного оптического волокна, активированный органическим красителем, 3 - коллиматор, 4 - микрообъектив микроскопа, 5 - фокальная плоскость объектива, 6 - пучок излучения, выходящий из отрезка световода, 7 - выходной соединитель отрезка световода, 8 - входной соединитель отрезка световода, 9 - соединительный световод с кварцевой сердцевиной, 10 - входной соединитель световода с кварцевой сердцевиной, 11 - светофильтр.
3+
Лазерный излучатель на основе иттриевого граната (YAG: Nd) с пассивным затвором 1 подключен к волоконному световоду с кварцевой сердцевиной 9 с входным соединителем 10 через светофильтр 11. Лазер, светофильтр и соединитель 10 связаны механически. Волоконный световод с кварцевой сердцевиной 9 подключен к отрезку полимерного оптического волокна 2, активированного флуоресцирующим красителем через соединитель 8. Отрезок полимерного оптического волокна механически соединен с коллиматором 3 с помощью выходного соединителя 7. Микрообъектив микроскопа 4 механически связан с коллиматором; микрообъектив, коллиматор и отрезок полимерного волокна расположены на одной оптической оси. Исследуемые объекты должны находиться в фокальной плоскости 5 микрообъектива. Отрезки волокон 2 и 9 могут быть выполнены как прямыми, так и изогнутыми.
Принцип действия заявляемой полезной модели следующий. Импульсное когерентное излучение лазера 1, пройдя светофильтр 11, который отсекает инфракрасное излучение, попадет на входной торец световода с кварцевой сердцевиной 9. Пройдя световод 9, через соединитель 8, излучение попадает в отрезок полимерного оптического волокна 2, активированного флуоресцирующим красителем. В отрезке полимерного оптического волокна 2 происходит поглощение когерентного излучения накачки на длине волны 532 нм, которая преобразуется в некогерентное излучение флуоресценции. Излучение флуоресценции выходит через выходной соединитель 7, образуя световой пучок 6, который преобразуется в параллельный пучок света с помощью коллиматора 3. В фокальной плоскости микрообъектива 5 устанавливают кювету, через которую прокачивают жидкость или газ с исследуемыми микроскопическими частицами. Параллельный пучок света, пройдя кювету, попадает в микрообъектив микроскопа. Микроскоп формирует увеличенное изображение частиц, возникающее при световом импульсе. Изображение регистрируется телевизионной камерой или с использованием фотопленки.
Выбор полимерного оптического волокна обусловлен необходимостью введения органического красителя в материал, из которого изготавливается сердцевина световода - полиметилметакрилата (ПММА) или полистирол (ПС). Так как температура разложения известных флуоресцирующих органических красителей существенно меньше температуры плавления стекол различного состава, а тем более кварцевого стекла, ввести краситель в стеклянную сердцевину световода можно только после вытяжки волокна, если сердцевина содержит микро пустоты. Такие волокна не производятся с диаметром сердцевины 500 мкм и более, имеют существенно большую стоимость по сравнению с полимерными волокнами, а промышленной технологии заполнения микро пор красителями не существует. Диаметр сердцевины полимерного волокна 735 мкм или 980 мкм выбран исходя их существующего международного стандарта (IEC 60793-2) для совместимости со стандартными волоконно-оптическими соединителями. Использование ПОВ меньшего диаметра не желательно, так как при одинаковой выходной мощности в волокнах меньшего диаметра требуется значительно большая интенсивность излучения. Так, например в ПОВ с диаметром сердцевины 120 мкм (стандарт IEC 60793-2-40) для сохранения энергии импульса равного энергии импульса в ПОВ с диаметром 980 мкм интенсивность излучения необходимо увеличить более чем в 60 раз. Известно, что это приводит к ускоренному старению красителя, соответственно, к уменьшению срока службы осветителя.
Выбор спектрального диапазона флуоресцирующего красителя в желтой или красной области видимого диапазона длин волн обусловлен использованием оптического микроскопа, оптическая система которого оптимизирована на работу в видимом диапазоне длин волн, целесообразности использования наиболее распространенных телевизионных камер с кремниевыми фотоприемными матрицами для регистрации изображения, а также высокой квантовой эффективностью и ценовой доступностью красителей с указанным спектром флуоресценции (родамин С, Ж, В, пиронин, люцегинин, эозин и другие). Дополнительным требованием к флуоресцирующему красителю является требование малой длительности затухания флуоресценции - не более 10 нc.
m
c
Выбор минимальной длины отрезка активного волокна как максимального значения из двух величин L и L обусловлен следующими причинами. При вводе когерентного излучения накачки через входной торец световода, активированного флуоресцирующим красителем, по мере распространения происходит поглощение излучение накачки и увеличение мощности излучения флуоресценции, распространяющегося по световоду. Когда почти вся мощность накачки будет исчерпана, излучение флуоресценции, т.е. требуемое некогерентное излучение, будет уменьшаться вследствие затухания в диапазоне длин волн флуоресценции (так называемая самоабсорбция излучения флуоресценции). При маленькой длине отрезка не будет поглощена вся мощность накачки, соответственно, будет иметь место интерференция когерентного излучения на выходе световода, т.е. будет низкое качество изображения исследуемых объектов. Кроме того, такое преобразование когерентного излучения в некогерентное будет не эффективным.
p
0
f
f
f
p
Для оценки минимальной длины световода воспользуемся законом Бугера-Ламберта. Пусть: коэффициент ослабления интенсивности излучения на длине волны накачки равен α, начальная интенсивность накачки (на входном торце ВС) - I, коэффициент поглощения на длине волны флуоресценции - α. Коэффициент, характеризующий преобразование излучения накачки в излучение флуоресценции на единицу длины световода x означим как β. Интенсивность излучения флуоресценции - I. Изменение интенсивности накачки I по длине ВС описывается уравнением:
решением которого является функция:
Выражение (2) известно как закон Бугера-Ламберта для затухания излучения с учетом рассеяния и поглощения.
f
При наличие флуоресценции, часть излучения флуоресценции направляется волоконным световодом. Изменение интенсивности флуоресценции I в световоде можно описать уравнением:
С учетом (2), получаем:
p
f
f
f
р
f
f
f
Коэффициенты α, α и β зависят от длины волны. Излучение накачки можно полагать монохроматическим, а ее спектральную плотность - δ-функцией. Излучение флуоресценции не монохроматическое, поэтому формулы (3), (4) подразумевают их применение в узком спектральном интервале, в пределах которого указанные коэффициенты можно считать константами. Следовательно, величина β зависит не только от длины волны, но и от ширины выбранного спектрально интервала. В простейшем приближении, можно использовать значения коэффициентов затухания α, α, соответствующие максимуму спектральной плотности излучения флуоресценции и интегральное по всему спектру значение I, тогда величину β можно рассматривать как интегральную эффективность преобразования излучения накачки в часть излучения флуоресценции, направляемую световодом. Изменением спектральной чувствительности фотоприемной матрицы в пределах диапазона длин волн флуоресценции можно пренебречь.
f
Уравнение (4) является линейным дифференциальным уравнением первого порядка. Принимая во внимание начальное условие I=0 при х=0, решением уравнения является:
m
f
Расстояние от входного торца ВС, при котором интенсивность излучения флуоресценции будет максимальна х, можно определить, приравнивая к нулю производную от I по координате x:
m
m
p
f
m
m
-1
-1
Полученная величина х является искомой минимальной длиной L. Графическая зависимость изменения интенсивности флуоресценции от расстояния от входного торца ВС при концентрации Родамина 6Ж в сердцевине световода 5 мг/кг приведена на фиг.1. Величины α и α заданы приближенно - 0,4 см и 0,03 см соответственно. Зависимость имеет явный максиму при длине световода приблизительно 0,07 м. При других концентрациях красителя длину L можно определить исходя из расчетной или экспериментально измеренной длины L при другой концентрации, используя закон Бера. Аналогичный вид зависимости имеет место для всех флуоресцирующих красителей. При используемых концентрациях органических красителей в ПММА можно полагать, что коэффициент поглощения излучения растворенным красителем пропорционален его концентрации. Величины коэффициентов поглощения для большинства красителей хорошо известны.
m
Однако, при максимальной интенсивности излучения флуоресценции, выходящего из световода, величина интенсивности накачки не равна нулю. В зависимости от характеристик красителя, доля мощности когерентного излучения может составлять 5%-30%. В случае, если необходимо получить изображения частиц очень высокого качества, необходимо, в частности, обеспечить высокую равномерность освещения объекта. То есть, создать распределение интенсивности с еще меньшей величиной контраста спекл-структуры, чем при использовании отрезка флуоресцирующего волокна длиной L. В этом случае необходимо задать требуемое значение контраста флуктуаций интенсивности - спекл-структуры. Установим связь между контрастом спекл-структуры и длиной отрезка волоконного световода с флуоресцирующим красителем.
Известно, что распределение интенсивности в спекл-структуре излучения, выходящего из волоконного световода, имеет отрицательную экспоненциальную плотность вероятности, т.е. существует некоторая вероятность появления очень ярких пятен. Поэтому использование распространенного определения контраста как отношение разности максимального и минимального значения интенсивности к их сумме не дает объективного описания качества изображения при наличии спекл-структуры. Отдельные яркие пятна хотя и ухудшают качество изображения, но при равномерном распределении излучения на остальной площади изображения позволяют определить геометрическую форму и размеры микрообъекта. Более объективной оценкой контраста с является отношение среднеквадратического отклонения σ флуктуаций интенсивности по площади изображения к среднему значению :
Величины σ и  вычисляются в соответствии с классическим определением указанных величин:
i
где I - интенсивность излучения в i-ом пикселе изображения, N - общее количество пикселей, образующих изображение (полностью или выделенного фрагмента).
k
f
Контраст спекл-структуры с излучения, выходящего из волоконного световода, зависит от модового состава, длины когерентности лазерного излучения и других факторов. Обычно величина c находится в пределах от 0,3 до 1,0. Введем с - контраст спекл-структуры, обусловленный когерентным излучением при отсутствии излучения флуоресценции и с - контраст при наличии излучения флуоресценции. Излучение флуоресценции можно считать некогерентным, поэтому величина флуктуаций интенсивности не изменится, а произойдет только увеличение средней интенсивности . Тогда:
f
где  - среднее значение интенсивности при наличии излучения флуоресценции,  - среднее значение интенсивности когерентного излучения, I - интенсивность флуоресценции на выходе из световода. Выражение (10) можно записать в виде:
f,max
В качестве максимально возможной величины контраста с можно принять единицу. Тогда из (11) следует:
Так как и когерентное и некогерентное излучение выходит из одного световода, отношение интенсивностей  может быть заменено на отношение соответствующих мощностей . Под мощностью излучения флуоресценции подразумевается интегральная величина по всему спектру флуоресценции. Если задана величина предельно допустимого контраста, то можно рассчитать минимально допустимое отношение мощностей :
р
f
В качестве среднего значения  следует принять значение мощности излучения накачки Р. В качестве простейшего приближения можно не учитывать зависимость α от длины волны. Тогда выражения (2), (5), можно записать в виде:
0
где P - мощность накачки на входе в волоконный световод. Поделив выражения (14) и (15), получаем:
После преобразований выражения (16) относительно длины световода x, с учетом (13), имеем:
f
f
Изображение в приемной матрице телевизионной камеры формируется под действием излучения во всем спектре флуоресценции, поэтому в формулах (13)-(16) необходимо использовать интегральную величину мощности флуоресценции Р, а в (17) - интегральный коэффициент β.
m
c
Далее, рассчитав длину L и L, выбирают максимальное из этих величин, так как в этом случае будут выполнены условия требуемого отношения интенсивностей и эффективного преобразования излучения накачки в некогерентное излучение.
min
f,max
m
m
m
min,out
Для формирования изображения, в частности телевизионной камерой с фотоприемной ПЗС матрицей, необходим некоторый минимальный уровень оптической энергии, зависящий от типа фотоприемного устройства. Для наиболее распространенных телевизионных камер - с ПЗС фотоприемной матрицей, оценку необходимой энергии можно произвести с использованием методики, приведенной в пособии Марсакова В.А. и Невского М.Ю. (Марсаков В.А., Невский М.Ю. Методические указания к выполнению специального лабораторного практикума «Наблюдение астрономических объектов на телескопе» Часть I // Ростов-на-Дону, издательство Южного Федерального Университета, 2008, 47 С). Необходимая энергия зависит от размеров элементов ПЗС матрицы и некоторых других параметров. Наибольшая энергия требуется для получения изображения светлого объекта или светлого поля. Такой уровень минимальной величины энергии W, можно полагать необходимым для засветки фотоприемной матрицы телевизионной камеры для получения, так называемого, необходимого уровня сигнала «белого». Для многих телевизионных камер данная величина указана в технических характеристиках устройства. Энергия излучения флуоресценции в оптическом волокне, активированном органическим красителем, зависит от концентрации и типа красителя, энергии импульса накачки, длины волокна и других факторов. Максимальное значение W энергии флуоресценции в световоде достигается, как указано выше, при длине волокна L. На фотоприемную матрицу попадает только некоторая часть излучения, выходящего из волокна. Коэффициент пропускания k выходящего из волокна излучения оптической системой микроскопа определяется, прежде всего, отношением площади видимого поля микроскопа к площади светового пучка, формируемого коллиматором. На величину коэффициента k влияют также потери в оптической системе микроскопа. С учетом введенных обозначений, минимальная энергия излучения, выходящая из волокна W, необходимая для формирования качественного изображения, оценивается величиной:
f
out
m
Полагая, что потери при распространении излучения флуоресценции равны α, энергию излучения флуоресценции W на расстоянии L от точки L можно рассчитать по формуле:
out
min,out
max,p
Тогда, исходя из того, что должно выполняться неравенство W>W, с учетом (18) и (19), получаем максимальную длину L отрезка волокна, активированного флуоресцирующим красителем:
Величины, входящие в формулу (20), на стадии проектирования устройства могут быть неизвестны. В этом случае подбирают необходимую энергию импульса накачки на основании экспериментальных данных, а формулу (20) использую в случае, если необходимо изменить один из параметров, например, длину отрезка волокна, активированного красителем или при замене микрообъектрива микроскопа.
Максимальная длина отрезка активного волокна, обусловленная дисперсией может быть рассчитана, с использованием хорошо известных формул для межмодовой дисперсии, например из монографии Э.Л.Портнова (Портнов Э.Л. Оптические кабели связи и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи. - М.: Издательство «Горячая линия-Телеком», 2007. - 464 С.). Для отрезков световода, длина которых меньше длины установления стационарного модового распределения (для полимерных волокон 50-100 м), величина межмодовой дисперсии Δτ оценивается по формуле):
1
1
2
1
где n - показатель преломления сердцевины волокна, Δ=(n-n)/n - относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки волокна, с - скорость света, L - длина волокна. Принимая во внимание, что числовая апертура определяется через разность показателей преломления как
2
1
1
2
Выполнив преобразование выражения (21), полагая NA≈2n(n-n), получаем величину межмодовой дисперсии:
max
max,d
которая не должна превышать заданную величину Δτ. Из (23) следует, что длина волокна не должна превышать величину L:
5
p
Минимальное концентрация красителя выбрана исходя из эффективности использования излучения накачки и флуоресценции: эффекты, связанные с поглощением излучения красителем должны доминировать над собственными потерями световода, что возможно при концентрации распространенных красителей не менее 0,1 мг/кг. Например, для Родамина 6Ж в полосе поглощения красителя коэффициент затухания излучения накачки при концентрации красителя 5 мг/кг составляет порядка 10 дБ/км, потери в ПОВ из ПММА без красителя в этом диапазоне приблизительно 400 дБ/км. То есть, минимальная концентрация для Родамина 6Ж составляет порядка 0,1 мг/кг. Максимальная концентрация красителя определяется глубиной проникновения излучения накачки в световод: глубина должна быть существенно больше диаметра световода, иначе световод не будет выполнять роль свето-направляющей системы. В качестве значения глубины проникновения накачки можно использовать величину 1/α. Оценочное значение максимально допустимой концентрации Родамина 6Ж - 100 мг/кг. Необходимо отметить, что при еще больших концентрациях красителя, наступает, так называемое, концентрационное тушение флуоресценции и эффективность накачки значительно снижается.
Излучение, выходящее из твердотельного YAG лазера, имеет распределение интенсивности по сечению пучка близкое к гауссовскому. Для увеличения эффективности ввода в волоконный световод используется фокусирующая линза, создающая на торце световода пятно с диаметром меньше диаметра сердцевины. Это практически исключает потери при вводе (кроме обратного отражения), но приводит к увеличению плотности мощности в фокусе линзы. При мощности излучение лазера, необходимой для получения качественных изображений микрообъектов, происходит быстрое разрушение поверхности торца полимерного волоконного световода. Волоконные световоды с кварцевой сердцевиной обладают существенно большей лучевой стойкостью, а также меньшими потерями по сравнению с полимерными световодами. Поэтому используется промежуточный отрезок волокна с кварцевой сердцевиной, соединяющий импульсный лазер и полимерный световодов с органическим красителем. При распространении излучения по световоду с кварцевой сердцевиной распределение интенсивности в сердцевине становится однородным, а максимальное значение будет существенно меньше, чем в фокусе линзы. Поэтому при стыковке с полимерным световодом разрушения поверхности торца последнего не произойдет. Отрезок световода с кварцевой сердцевиной должен иметь ступенчатый профиль показателя преломления, так как в градиентных световодах существуют точки фокуса распространяющегося излучения. Это явление описано, например, в монографии А.Снайдера и Джэ Лава (Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. М.: Издательство «Радио и связь», 1987, 656 С.). Для исключения потерь при стыковке необходимо, чтобы диаметр излучающего световода (в данном случае световода с кварцевой жилой) был меньше или равный диаметру приемного ВС (в данном случае - полимерного ВС, активированного красителем). Аналогичное требование предъявляется к числовым апертурам стыкуемых волокон: числовая апертура излучающего световода должна быть меньше или равной числовой апертуре принимающего волокна. Эти требования хорошо известны для случая стыковки связных волокон, в частности, рассмотрены в книге Э.Л.Портнова (См. выше), однако могут быть применены и для случая стыковки используемых в заявляемой полезной модели волокон.
3
3
3
В связи с тем, что излучение первой гармоники YAG: Nd лазера (1064 нм - инфракрасное когерентное излучение) преобразуется кристаллом КТР (Титанил-фосфат калия) во вторую гармонику (532 нм) не полностью, и инфракрасное излучение практически не поглощается флуоресцирующими красителями, имеющими максимум поглощения вблизи длины волны 532 нм, когерентное излучение первой гармоники достигает выходного торца отрезка полимерного световода, активированного красителем. Следовательно возникает спекл-картина и качество изображения ухудшается. Для предотвращения проникновения излучения первой гармоники YAG: Nd лазера в оптическую систему микроскопа между выходом лазера и отрезком волокна с кварцевой сердцевиной размещен оптический светофильтр, поглощающий инфракрасное излучение. В частности, для фильтрации ИК излучения могут использоваться серийно выпускаемые светофильтры СЗС - 8, 9, 20, 21-25 (параметры светофильтров даны в каталоге «Цветное оптическое стекло и особые стекла». Цветное оптическое стекло и особые стекла. Каталог / под ред. Г.Т.Петровского, М. Изд-во «Дом оптики», 1990, 230 С). Типичный спектр излучения YAG: Nd лазера со светодиодной накачкой с удвоением частоты до светофильтра (12) и после светофильтра СЗС-25 (13) приведены на фиг.3.
р
f
m
m
c
f
c
m
c
c
-1
-1
-3
-1
В качестве примера, выполним расчет необходимых параметров полезной модели для органического красителя Родамин 6Ж (Р6Ж). Известно, что диапазон длин волн флуоресценции Р6Ж лежит в оранжевой области видимого спектра, т.е. выбранный вид красителя соответствует формуле полезной модели. Диаметр сердцевины волокна, активированного красителем, выберем также в соответствии с формулой полезной модели - 980 мкм. При концентрации Р6Ж в сердцевине световода 5 мг/кг, как указано выше, величины α и α приближенно - 0,4 см и 0,03 см, а оценочное значение длины L - 0,07 м. При концентрации Р6Ж 25 мг/кг, согласно закону Бугера-Ламберта-Бера, оценочное значение L будет немного больше 0,01 м. Для оценки длины L при концентрации Р6Ж 5 мг/кг положим максимально допустимый контраст спекл-шумов 5%, а величину β - оценочно 10 см, что соответствует известным экспериментальным данным. В соответствии с формулой полезной модели, получаем - L=24 см. Максимальная величина из L и L - это L. Таким образом, для достижения предельно допустимого контраст спекл-шумов изображения 5% необходим отрезок минимальной длины 24 см.
max,p
max,d
max,p
max,d
max
max,d
Теперь оценим максимальную длину отрезка ПОВ с красителем. Для этого рассчитаем величины L и L в соответствии с формулой полезной модели. В связи с тем, что параметры, необходимые для расчета величины L неизвестны, длину отрезка волокна выбираем исходя из предельно допустимого контраста шумов, а требуемого уровня энергии на фотоприемной матрице телевизионной камеры добиваемся регулировкой энергии импульса накачки. Для оценки величины L, обусловленной межмодовой дисперсией в волокне, положим: Δτ=10 нc, числовую апертуру волокна - 0,5, показатель преломления сердцевины ПОВ - 1,492, тогда L=72 м.
m
m
m
Условие формулы полезной модели о доминировании поглощения излучения красителем над собственными потерями в световоде для Р6Ж, как указано выше, выполнятся при концентрациях более 1 мг/кг. Максимальная концентрация Р6Ж может быть оценена исходя из того, что величина L должна быть, как минимум, на порядок больше диаметра световода. Так как при концентрации Р6Ж 5 мг/кг L≈0,07 м, то в предположении справедливости закона Бугера-Ламберта-Бера, величина L будет приблизительно равна 0,01 при концентрации Р6Ж в сердцевине ПОВ 35 мг/кг.
3+
Заявляемое устройство было опробовано на экспериментальной модели. В качестве источника когерентного излучения использовался YAG: Nd лазер с газоразрядной лампой накачки с удвоением частоты на кристалле КРС. Длины волн на выходе лазера - 1064 нм и 533 нм. Излучение, пройдя светофильтр СЗС-25, вводилось в волоконный световод с кварцевой сердцевиной и полимерной оболочкой (называемый «кварц-полимер») с диаметром сердцевины 980 мкм, числовой апертурой 0,22, длиной 4,5 м. Светофильтр отсекал инфракрасное когерентное излучение основной гармоники излучения лазера (фиг.3). Оптическое волокно «кварц-полимер» было соединено с отрезком полимерного волокна длиной 0,15 м, активированного Родамином 6Ж с концентрацией 25 мг/кг. Известно, что длина волны максимального поглощения Родамина 6Ж находится вблизи длины волны излучения лазера (532 нм). Доля мощности когерентного излучения на выходе полимерного волокна, т.е. на выходе заявляемой полезной модели, составляла не более 0,5%. Выходящее из устройства излучение проходило кювету с прозрачными оптическими окнами, через которую прокачивался поток турбинного масла с находящимися в нем загрязняющими частицами. Для получения изображений частиц использовался оптический микроскоп с различными микро объективами и телевизионная камера, сопряженное с персональным компьютером через устройство видеозахвата изображений. В качестве примера на фиг.5 приведено изображение микроскопических частиц в потоке масла ТП-22С при использовании когерентного излучения - без заявляемого устройства. На рис.6 - с использованием заявляемого устройства с указанными выше параметрами. Без проведения расчетов контраста спекл-структуры и определения отношения сигнал-шум очевидно, что в первом случае не только затруднено определение размеров частиц, но и само выявление изображений частиц на фоне пятнистой картины, а во втором случае частицы хорошо различимы. В первом случае контраст спекл-картины был приблизительно равен единице, во втором случае - не превышал уровня собственных шумов телевизионной камеры.
Конструкция волоконно-оптического осветителя может быть упрощена: если не требуется достижения высокого качества изображения и имеется возможность увеличения мощности накачки, то коллиматор можно исключить из конструкции полезной модели. При использовании импульсного лазера с длительностью импульса 3-10 нс возможно получение изображений частиц с размерами от 1 мкм и более, движущихся со скоростью до 100 м/с.