Media-security

ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ

Е.Н.Лехциер, Э.Г.Семенов

Сконструирован экспериментальный голографический микроскоп, позволяющий после записи микрообъекта на голограмму апостериорно просматривать его увеличенное восстановленное изображение. Кроме того, используя голограмму для генерации одного из пучков, он может работать как интерференционный микроскоп. Объясняется конструкция микроскопа и представлены экспериментальные результаты.

Введение

В настоящее время накоплено много экспериментальных данных, касающихся возможностей практического применения голографии в самых различных областях науки и техники. Круг проблем, решаемых с помощью голографии, постоянно расширяется, и хотя первоначально назначение голографии ограничивалось задачами микроскопии /1/, теперь ее развитие не стимулируется исключительно этими задачами. Тем не менее, существуют области применения, в которых использование голографии в микроскопии весьма перспективно.

Известно, что микроскоп с большим увеличением имеет небольшую глубину поля зрения и с его помощью можно одновременно наблюдать только небольшие участки сцены, которые находятся в непосредственной близости от фокальной плоскости микроскопа /2/. Для наблюдения всей сцены по глубине необходимо производить перефокусировку микроскопа. Однако, если предметом изучения являются движущиеся микрообъекты, например, живые организмы в некотором объеме жидкости, то за время перефокусировки микроскопа они могут переместиться в пределах сцены, что может дать искаженное представление об изучаемых микрообъектах и их количестве. Техника

- 463 -

голографии позволяет преодолеть эту трудность. Для этого необходимо произвести голографирование изучаемой области через объектив микроскопа, имеющий большую глубину резкости, чем весь микроскоп в целом, с помощью импульсного источника излучения либо с помощью скоростной кинокамеры при непрерывной излучении. Полученное объемное изображение следует затем рассматривать через окуляр микроскопа, который модно фокусировать на различные плоскости полученной объемной картины. С помощью этого метода можно наблюдать жизнедеятельность простейших организмов /3/, исследовать живые клетки /4/, изучать свойства жидкостей и газов, содержащих примеси микроскопических частиц /5/ и т.д.

Интересные возможности открывает применение методов голографической интерферометрии в сочетании с микроскопией, позволяющих производить не только качественную, но и количественную оценку внутренней структуры прозрачных микрообъектов, изменяющих фазу проходящего через них света /6/.

В голографическом интерферометре, в отличие от классического, благодаря возможности интерференция волновых фронтов, зарегистрированных в различные моменты времени, используется, как правило, один и тот же оптический путь. При этом производится сравнение волновых фронтов от реальных объектов с волновыми фронтами, восстановленными с заранее полученных голограмм образцовых объектов, либо сравнение волновых фронтов от одного и того же объекта, полученных в различные моменты времени /1/. Голографический интерферометр не только обладает всеми возможностями классического интерферометра, но и имеет ряд преимуществ. Так, например, методами голографической интерферометрии, в отличие от классической, можно изучать объемные распределения различных физических параметров внутри прозрачных объектов /8/.

Для получения голографических интерферограмм используются, в основном, два метода: метод двойной экспозиции и метод наблюдения интерферограмм в реальном времени /9/. При методе двойной экспозиции на одной фотопластинке, при неизменном опорном пучке, регистрируются две голограммы объекта: одна до приложения возмущающих сил или до начала процесса и вторая - через некоторый временной интервал после приложения сил или начала процесса. Метод двойной

- 464 -

экспозиции, в основном, используется при изучении быстропротекающих процессов. Метод наблюдения интерферограмм в реальном времени используется при наблюдении сравнительно медленных процессов, либо как удобный метод контроля с помощью одной голограммы серии стационарных объектов. В этом случае фотопластинка, на которой регистрируется голограмма в отсутствии объекта, обрабатывается на месте экспонирования. При одновременном освещении такой голограммы сигнальной и опорной волнами будет наблюдаться однородное темное интерференционное поле. Сдвигом голограммы или поворотом одного из волновых фронтов вместо однородного поля можно получить линейчатое, т.е. в поле зрения появятся параллельные полосы /10/. Помещение исследуемого объекта в сигнальный пучок приводит к искажению первоначальной интерференционной картины.

Таким образом, представляет определенный интерес создание голографического микроскопа для исследования прозрачных объектов, расширяющего возможности классической микроскопии.

Экспериментальная установка

Во ВНИИОФИ разработан и собран голографический микроскоп, который в отличие от классического, позволяет после записи микрообъекта на голограмму апостериорно просматривать его увеличенное восстановленное изображение последовательно по глубине и по полю с помощью подвижного окуляра. Кроме того, благодаря способности голограммы сохранять запись волнового фронта и восстанавливать его в нужный момент времени, он может работать как интерференционный микроскоп. При этом голограмма восстанавливает записанный волновой фронт и используется так же, как и другие оптические элементы микроскопа.

Внешний вид голографического микроскопа показан на рис.1, а его оптическая схема приведена на рис.2. Луч лазера делится светоделителем СД₁ на два луча. Полученные лучи с помощью призм Пр3 и Пр5 и линз Л₁ и Л₂ образуют, соответственно, опорный и сигнальный волновые фронты. В качестве Л₁ используется 20^х микрообъектив, в фокусе которого устанавливается диафрагма. Для исследования дискретных оптических неоднородностей микрообъектов в микроскопе

- 465 -

применена фронтальная подсветка СД2, Пр4 /11/.

Рис.1. Внешний вид голографического микроскопа.

Рис.2. Оптическая схема голографического микроскопа.

- 466 -

Для уменьшения влияния усадки фотоэмульсии на яркость восстановленного изображения фотопластинка располагается перпендикулярно биссектрисе угла схождения опорного и сигнального волновых фронтов. Для каждого из входящих в комплект микроскопа объективов изготавливается своя голограмма, устанавливаемая в рамку с системой тонкой юстировки. Это позволяет отказаться от обработки фотопластинки на месте экспонирования и дает возможность менять как окуляры, так и попарно объективы, подбирая нужное увеличение для каждого микрообъекта непосредственно при его наблюдении.

Экспериментальные результаты

Одним из интересных применений голографической микроскопии является возможность ее использования в биологии и, в частности, при изучении живых клеток. В этом направлении во ВНИИОФИ ведутся исследования. Так, например, в работе /12/ объектом исследования были клетки эпидермиса чешуи лука. Полученные результаты показаны на интерферограммах групп клеток в спокойной состоянии на рис.3 и в состоянии плазмолиза */ на рис.4. Сравнивая полученные интерферограммы и фотографии рис.5, можно установить взаимосвязь между особенностями структуры клетки и ее интерферограммой. По частоте интерференционных полос можно оценить оптические неоднородности клетки, вызванные неравномерностью показателя преломления

Рис.3. Интерферограмма клеток эпидермиса чешуи лука в спокойном состоянии .

*/ Для получения явления плазмолиза в клетку вводится плазмолитик, например, раствор сахарозы.

- 467 -

а) б)

Рис.4. Интерферограммы клеток эпидермиса чешуи лука в состоянии плазмолиза:

а) в полосах бесконечной ширины;

б) в полосах конечной ширины.

Рис.5. Микрофотография клеток эпидермиса чешуи лука в состоянии плазмолиза.

и неравномерностью клетки по толщине. Полученные интерферограммы позволяют производить не только качественную, но и количественную оценку внутренней структуры клеток. На рис.6 показана функция, описывающая относительное распределение оптической плотности в клетке А (см. рис.3).

Голографическая микроскопия позволяет контролировать качество и распределение показателя преломления в оптических волокнах /13/. На рис.7 приведены интерферограммы, соответствующие четырем различным направлениям просвечивания исследуемого волокна. Для восстановления объемного распределения показателя преломления по данным

- 468 -

Рис.6. Функция относительного распределения оптической плотности делящейся клетки эпидермиса чешуи лука.

а) б)

в) г)

Рис.7 Интерферограммы исследуемого оптического волокна, соответствующие четырем различным направления просвечивания.

- 46" -

интерферограмм использовался метод, основанный на формуле обращения преобразования Радона /14/. На рис.8 приведены изолинии, показывающие двухмерное распределение показателя преломления в заданном сечении волокна. В качестве иллюстрации одного из последних исследований, произведенных на голографическом микроскопе, приведены результаты исследования влияния принеси активатора на неоднородность показателя преломления в кристаллах вольфрамата кальция, выращенных из расплава при различной концентрации активатора (неодима) от нуля до трех ат.% /15/. Были получены интерферограммы рис.9а отдельных участков передвигаемого перед объективом кристалла. Одновременно, убирая восстанавливающий луч, получали

Рис.8. Двухмерное распределение показателя преломления в заданном сечении исследуемого оптического волокна.

дифракционно-теневые картины рис.9б соответствующих участков, на которых четко видны зоны роста. Полученные интерферограммы позволяют вычислять кривые изменения показателя преломления вдоль кристалла в различных его продольных сечениях. Исследование кристаллов с различными примесями позволили построить зависимость величин изменения показателя преломления вдоль кристалла и максимальных

- 470 -

величин флуктуации в зависимости от исходной величины примеси.

а) б)

Рис.9. а) интерферограмма одного из участков кристалла вольфрамата кальция с концентрацией активатора (неодима) 1,5 ат.%;

б) соответствующая ей дифракционно-теневая картина.

Заключение

Разработанный голографический микроскоп позволяет получать объемные изображения исследуемых микрообъектов, а также их интерферограмму, при использовании голограммы для генерации одного из лучков. Таким образом, описанный микроскоп расширяет возможности исследования прозрачных микрообъектов.

Литература

1. d.gabor, nature, 161, 777, 1948.

2. К.Михель, Основы теории микроскоп. -пер. с нем., М., Гостехиздат. 1955.

3. c.knox. science, 153, 989, 1966.

4. van ligten r.v., h.osterberg. nature, 211, 282, 1966.

5. b.j.thompson, j.h.ward, w.zinky. appl.opt., 6, 519, 1967.

- 471 -

6. В.М.Гинзбург, И.Н.Гусева, Е.Н.Лехциер, Э.Г.Семенов. ПТЭ, № 1 180. 1974.

7. Ю.И.Островский. Голография и ее применение. Л., Наука, 1973.

8. k.a.haines, b.p.hildebrand. phys.lett., 19, 10, 1965.

9. Р.Кольер, К.Беркхарт, Л.Лин. Оптическая голография. Пер. с англ., М., Мир, 1975.

10. Р.Павлючик. Материалы v Всесоюзной школы по физическим основам голографии, Л., стр.314-333, 1973.

11. В.М.Гинзбург, Е.А.Кузнецова, Ю.Ф.Солуянов, В.Я.Царфин. ПТЭ. № 6. 187, 1972.

12. В.М.Гинзбург, Э.Г.Семенов, С.Н.Смирнова, Б.М.Степанов. ДАН СССР, 202. № 2. 313, 1972.

13. Е.Н.Лехциер, Л.Н.Прохорова. Труды ВНИИОФИ. Голографические методы и аппаратура, применяемые в физических исследованиях, вып.5, 1974.

14. Ю.И.Филенко. Материалы vi Всесоюзной школы по физическим основам голографии (Ереван, 1974), стр.269, Л., 1974.

15. И.Н.Гусева, Е.Н.Лехциер. Труды. ВНИИОФИ "Голографические методы и аппаратура, применяемые в физических исследованиях", вып.5, 1974.