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Vescent D2系列產(chǎn)品在生命科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用
更新時間:2019-11-22   點擊次數(shù):1439次

光漫射方法廣泛用于物理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。研究主題包括生物光子學(xué)、光學(xué)成像、雙光子顯微鏡、可植入生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、MEMS/NEMS設(shè)備,大腦成像和調(diào)制以及神經(jīng)回路。研究者現(xiàn)階段關(guān)注探測液體介質(zhì)例如膠體中的擴散或生物組織中的血流的動力學(xué),但探測方法通常于相干光強度的波動原理。由于較弱的漫射光通量以及低的單模光纖量會導(dǎo)致低的光子計數(shù)率,進而會使常規(guī)的檢測器無法高速地探測深層組織血流的物理量。

為了解決這個問題,美國加州大學(xué)將多模光纖(MMF)干涉術(shù)引入漫射光學(xué)領(lǐng)域。為此,可以常規(guī)的CMOS相機轉(zhuǎn)換為靈敏的檢測器陣列,在生物組織深處探測到的微弱光通量。具體來說,他們通過使用CMOS相機實現(xiàn)對相干光波動的高度敏感和并行測量,這項工作的開展有望提高性能并降低漫射光學(xué)儀器的成本。他們開發(fā)了*的光學(xué)成像技術(shù)和新穎的集成化設(shè)備,并使用這些新設(shè)備來研究神經(jīng)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中的問題。如圖1所示,展示了實驗中整套多模干涉多斑檢測系統(tǒng)的搭建及基本路線。

 

圖1 多模干涉多斑檢測系統(tǒng)

圖中,用于測量相干光漫射動力學(xué)多模干涉多斑檢測系統(tǒng),使用Vescent Photonics D2-100-DBR-852-HP1高功率激光器在852nm處發(fā)射長相干光形成樣品束,與SMF-28光纖耦合器連接后照射樣品和M-Z干涉儀,樣品束準直后功率為50mW。SMF-28輸出光纖通過APC配合套筒連接到MMF耦合器,并帶有可變衰減器以避免機飽和。再用512像素的CMOS陣列相機配合MMF耦合器輸出光束強分析。

在這個實驗中,研究者將樣品束通過(左上角的“FMF耦合器”)分成兩條路徑。其中一束足夠靠近患者頭部的光束,使隱逝波(Evanescent Wave與患者的皮下組織相互作用,獲得回傳信號。然后科學(xué)家重新組合兩個光束(右上角地“MMF耦合器”)以產(chǎn)生干涉圖。將干涉儀的探針經(jīng)由患者的頭部,使光的相位隨患者頭部的血壓而變化。反過來,病人的血壓是他在心跳周期中所處位置的函數(shù)。通過分析數(shù)據(jù)作為時間的函數(shù),可以無創(chuàng)地監(jiān)測血流心跳。

其整套設(shè)備的重難點是需要一個穩(wěn)定的長相干激光來獲取干涉圖。(相干性長度與線寬的倒數(shù)函數(shù)比例)因此,窄線寬激光器適合本實驗。為了產(chǎn)生更準確的數(shù)據(jù),應(yīng)該捕獲不同波長的干涉圖。穩(wěn)定性(從幾秒到幾分鐘)對這個實驗至關(guān)重要。因此,Vescent D2-100系列可調(diào)諧激光器所具備的頻率穩(wěn)定、窄線寬、可調(diào)諧等優(yōu)勢非常適合這個實驗。D2-100-DBR-852-HP1線寬<1 MHz,輸出功率為>180 mW,由額定電流為500 mAD2-105-500激光控制器進行調(diào)制驅(qū)動,D2-005線性電源提供模塊供電。BFI波動的FFT頻譜數(shù)據(jù)如圖2所示。

 

圖2 基于光纖耦合器構(gòu)成的M-Z干涉儀系統(tǒng)BFI波動FFT頻譜數(shù)據(jù)

圖中,顯示了實驗中受試者的BFI測量波動的FFT頻譜,其上限為1.2Hz,表示心率為72 bpm,與脈搏血氧計一致,證明數(shù)據(jù)的自相關(guān),也證明了系統(tǒng)的可行性。半分鐘內(nèi)的干擾系數(shù)為4%-5%。與傳統(tǒng)的探測相比,方法技術(shù)新穎,包括對光相位的敏感性、低成本、對環(huán)境光有較高的魯棒性。本研究將光子計數(shù)探測器領(lǐng)域與迅速發(fā)展的CMOS像領(lǐng)域聯(lián)系起來代表著動物組織血流漫反射光學(xué)傳感領(lǐng)域的進步。

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