ИСТИНА

Проект имеет целью исследование физических принципов спектрально-временного преобразования сверхкоротких лазерных импульсов в фотонно-кристаллических световодах с активно формируемой дисперсией для создания новых волоконно-оптических источников для микроспектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС-микроспектроскопии) биологических объектов.

С использованием компактного КАРС-спектрометра на основе фемтосекундного Cr:forsterite лазера и фотонно-кристаллических волокон, специально оптимизированных для генерации перестраиваемого по частоте поля стоксовой волны, продемонстрирована визуализация срезов мозга мыши методикой КАРС-микроскопии. Для повышения химической селективности микроскопии биотканей на базе когерентного комбинационного рассеяния света была реализована спектральная компрессия импульсов накачек в кристаллах PPLN и LBO в процессе удвоения оптической частоты. Продемонстрирована возможность использования асферической линзы от Blu-Ray диска как объектива для миниатюрного сканирующего нелинейно-оптического микроскопа. За счет комбинации сканирующей двухкоординатной (2D) микро-электромеханической системы зеркал и согласующего телескопа с различными парами линз в тубусе, позволяющего изменять поле зрения от 59 х 93 мкм до 178 х 280 мкм, было получено пространственное разрешение от 0.6 до 2 мкм для двухфотонного сигнала флуоресценции. При скорости 34 кадра/сек была записана in vivo динамика биения сердца аквариумной рыбки Danio rerio (zebrafish) при регистрации двухфотонной флуоресценции зеленого флуоресцентного белка. Развита методика активного формирования спектрально-временного профиля сверхкоротких импульсов накачки для увеличения селективности и чувствительности метода КАРС-спектроскопии при использовании оптического волновода для доставки импульсов накачки к исследуемому объекту. Проведено сравнение записанных спектров КАРС тестового образца из полистирола при осуществлении транспортировки чирпированных импульсов через световод и в случае прямой фокусировки излучения в образец. Мы показали, что контраст сигнала когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) по отношению к когерентному фону, возникающему наличия нерезонансного четырехволнового взаимодействия, контролируется Q-фактором мод комбинационных резонансов и может быть независимым от параметров лазерных импульсов накачки. Согласно нашему анализу фононные моды полупроводниковых наночастиц с высоким Q-фактором, таких как наноалмазные частицы, которые часто используются в качестве бионаномаркеров, могут значительно увеличить контраст КАРС изображений биологических тканей, что в целом приводит к повышению чувствительности когерентной нелинейно-оптической методики КАРС спектроскопии и микроскопии органических тканей по сравнению со стандартными методиками на основе спонтанного комбинационного рассеяния. Было продемонстрировано, что процесс когерентного антистоксова рассеяния света с участием фемтосекундных импульсов накачки в нейронных клетках мозга сопровождается светоиндуцированной ионизацией биологических тканей, проявляющийся себя в заметном и легко измеряемом синем сдвиге антистоксова сигнала. Это синий сдвиг был использован для количественного описания определяемых ионизацией ограничений методики КАРС визуализации нейронов головного мозга. Реализован прототип КАРС-спектрометра, выполненный на базе неусиленного излучения фемтосекундного лазера на кристалле Cr: forsterite, генерирующиего импульсы длительностью 40-70 фс и энергией до 18 нДж, и фотонно-кристаллических волокон, специально оптимизированных для генерации перестраиваемого по частоте поля стоксовой волны. Выполнены тестовые эксперименты по измерению КАРС-спектров образцов тканей коры головного мозга лабораторных животных. Показано, что когерентность нелинейно-оптического сигнала, в частности, получаемого в процессе генерации третьей оптической гармоники, улучшает локальность и продольное разрешение методик нелинейно-оптической визуализации. Экспериментально реализована нелинейно-оптическая методика визуализации тканей головного мозга, включая ткани гипокампа и соматосенсорной коры, на основе генерации третьей оптической гармоники, проведено сравнение с флуоресцентной методикой маркерных белков, продемонстрирован высокий контраст нелинейно-оптической методики, возможность морфологического контроля тканей и субклеточного пространственного разрешения.