Введение
Топологически структурированный свет, несущий орбитальный угловой момент (OAM), стал мощным инструментом для нанофотоники и биомедицинской оптики, при этом обычные пучки Лагерра-Гаусса (LG) с целым топологическим зарядом страдают от вырождения состояния, что ограничивает точность биомедицинской диагностики тканей. Авторы исследования продемонстрировали, что пучки конического преломления (CR) [1], [2], [3] в частности, семейства Ллойда, Поггендорфа и Рамана, преодолевают это фундаментальное ограничение благодаря присущей им генерации дробных состояний OAM с однозначными фазовыми сигнатурами [4].
Анализ структурированных пучков с орбитальным угловым моментом
Благодаря методам аналитической интерферометрии (Рисунок 1) [5] для сравнения пучков LG и CR, распространяющихся через биологические образцы, было показано, что CR оптические пучки имеют превосходную диагностическую эффективность в то время, как LG пучки в сравнении продемонстрировали трехкратную фазовую нестабильность - погрешность в определении сдвига фазы на уровне 4,19 рад, в то время как пучки Поггендорфа обеспечили стабильность в определении фазы с точность до 0,08 рад. Оба семейства оптических пучков LG и CR продемонстрировали замечательную топологическую устойчивость, сохраняя фазовую когерентность при прохождении образцов биологических тканей, достигая чувствительности к показателю преломления на уровне 10-6.
Рисунок 1. Восстановление фазы структурированных CR и LG пучков по записанному внеосевому интерференционному портрету
Наиболее важным результатом исследования стало доказательство того, что вихревые CR пучки могут быть эффективно использованы в диагностике рака почек. Для здоровых и пораженных клеток разница во вращении фазы составила 4,71 рад против 5,04 рад. Также структурированные вихревые CR пучки продемонстрировали десятикратный прирост чувствительности по уровню поляризационно-индуцированных искажений.
Материалы и методы
Вихревые топологические пучки семейств CR и LG были сгенерированы с помощью двухосного 6 мм кристалла калий гадолиниевого вольфрамата, легированного неодимом Nd:KGd(WO4)2 - (BC) и пространственного модулятора света Holoeye PLUTO – (SLS). Когда гауссов пучок распространяется через двухосный кристалл BC, он преобразуется в две конические волны, проявляющиеся в виде серии колец Рамана и Поггендорфа по обе стороны от центрального кольца Ллойда (рисунок 2).
Рисунок 2. Пространственная эволюция профиля CR пучка в плоскости образца в зависимости от положения линзы «переключающей» пучки Ллойда, Поггендорфа и Рамана
Переключение между кольцами Ллойда, Рамана и Поггендорфа в эксперименте достигалось за счет смещения плосковыпуклой линзы селекции состояния пучка L4 (см. рисунок 3). Для анализа фазы структурированных пучков использовались интерферометры Маха-Цендера, оснащенные стабильными гелий-неоновыми лазерными источниками и матричными ПЗС-сенсорами для регистрации интерференционной картины (рисунок 1). В каждом из интерферометров Маха-Цендера исходный лазерный гауссов пучок разделяется на два при помощи делителя пучка PBS, в одном из плеч пучок конвертируется в вихревой и проходит через исследуемый биологический образец, после чего исходный пучок опорного плеча интерферометра складывается с вихревым при помощи второго светоделителя PBS [6]. Интерференционная картина между опорным и вихревым пучками и являлась предметом анализа в данной работе. Установка была использована для анализа LG световых пучков с топологическими зарядами 3 и 5, а также СR пучка с топологическим зарядом 3,5. В качестве исследуемых образцов использовались тонкие (5 мкм) гистологические срезы здоровых и раковых тканей почек, помещенные между двумя стандартными покровными стеклами для микроскопии. Измерения фазовой структуры пучков проводились в условиях стабилизированной температуры и влажности. Для каждой исследуемой точки образца проводилось 10 измерений фазового портрета пучка.
Рисунок 3. Схемы экспериментальных установок на основе интерферометров Маха-Цендера для анализа семейства пучков CR (a): NP PBS – неполяризующие светоделители, LP – линейный поляризатор, BB – оптические ловушки, QWP - четвертьволновая пластинка, BC – двухосный кристалл, L – линзы, M – зеркала, PH – точечная диафрагма, S – образец, CAM- камера; для анализа пучков семейства LG (b): P BSC – поляризующие светоделители, HWP – полуволновая пластинка
Выводы
Уникальная способность пучков с OAM сохранять свою спиральную фазовую структуру при распространении через неоднородную среду открывает возможность их использования в качестве инструмента для обнаружения мельчайших изменений показателя преломления при исследовании образцов биологических тканей различного генезиса. Определение показателя преломления классическими световыми пучками ограничено точностью 10-3, структурированные вихревые CR пучки увеличили точность до 10-6. Диагностическая фазовая чувствительность для CR пучков в сравнении с LG по уровню сигнал-шум повысилась более чем в 3,7 раза. Представленные в работе результаты закладывают прочную основу для перевода зондирования биологических тканей с использованием структурированных вихревых пучков из контролируемых лабораторных исследований в практические диагностические технологии, имеющие прямое клиническое значение. В частности, показана возможность использования вихревых CR пучков для диагностики рака почек.
*На основе работы: https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1515/nanoph-2025-0511/html?srsltid=AfmBOopz9E45vwpA48FxXoeY_QohVs7X9RjYixLt-5C-FHkGIqRWwRNb
Источники
[1] G. Sokolovskii, D. Carnegie, T. Kalkandjiev, and E. Rafailov, “Conicalrefraction: new observations and a dual cone model,” Opt. Express, vol. 21, no. 9, pp. 11125−11131, 2013,
[2] A. Turpin, Y. Loiko, T. Kalkandjiev, and J. Mompart, “Conical refraction: fundamentals and applications,” Laser Photonics Rev., vol. 10, no. 5, pp. 750−771, 2016,
[3] V. Y. Mylnikov, E. U. Rafailov, and G. S. Sokolovskii, “Close relationship between Bessel-Gaussian and conical refraction beams,” Opt. Express, vol. 28, no. 23, pp. 33900−33910, 2020,
[4] V. Y. Mylnikov, E. U. Rafailov, and G. S. Sokolovskii, “Close relationship between Bessel-Gaussian and conical refraction beams,” Opt. Express, vol. 28, no. 23, pp. 33900−33910, 2020,
[5] B. T. Chandraprasad, P. Vayalamkuzhi, and S. Bhattacharya, “Transform-based phase retrieval techniques from a single off-axis interferogram,” Appl. Opt., vol. 60, no. 19, pp. 5523−5533, 2021,
[6] J. Dong, E. Zhao, L. Xie, Y. Li, Z. Tian, and X. Xie, “Optical vortex interferometer: an overview of interferogram demodulation methods for dynamic phase measurement,” Opt. Lasers Eng., vol. 175, p. 108044, 2024,
Компания INSCIENCE предлагает комплексные решения на базе оборудования CAS Microstar. Мы помогаем с подбором конфигурации OS-SIM микроскопа, приобретением и интеграцией его в вашу лабораторию.
Для подбора оптимальной конфигурации под Ваши задачи воспользуйтесь кнопкой запроса.