聚焦激光束范文（精选8篇）
聚焦激光束 第1篇
共聚焦显微内镜(Confocal Laser Endomicroscopy,CLE)是一种将内镜与组织病理学检查相结合的现代高科技诊断设备。它采用激光扫描技术剖示活体组织结构并能即刻成像,主要应用于消化内镜诊断胃黏膜病变上[1]。
目前,国内外尚没有将宫腔镜技术和共聚焦激光扫描显微技术有机结合的设备。为此,我们结合临床需求,设计了共聚焦激光扫描显微宫腔镜,改变了传统妇科宫腔手术方式。现有的宫腔手术,医生可以通过硬质宫腔镜解决患者大部分的妇科病变,但对于宫腔腔内或者粘膜的肿瘤,炎症等可疑病变,往往需要通入手术器械(活检钳等)获取组织物,并送检,病变确诊后,才能给患者进行有效地治疗[2],如激光刀探头对病变进行切除、止血,微波刀探头对病变进行微波治疗等,增加了患者的痛苦,也延误了治疗时间[3,4]。本宫腔镜可以克服随机活检带来的弊端,有助于提高临床的治疗效果并降低医疗成本。
1 共聚焦激光扫描显微宫腔镜的结构
共聚焦激光扫描显微宫腔镜呈枪式结构(图1)设计,以便于手术操作过程的稳定抓握。其结构主要包括主体内镜和鞘管2部分。
(1)主体内镜部分包括硬质内镜端部(直径≤10mm,其长250~300mm)、光源输入端、共聚焦显微输出接头端、目镜输入端、控制单元、器械通道(2条,内径≤2.8mm)。此外,避免损伤人体组织,硬质内镜端部的前端成钝形设计,硬质内镜端部的先端部除了传统内镜的光学镜头外,还设计有共聚焦激光扫描模块,其模块包括共聚焦主机激光头2个和共聚焦显微镜头1个,共聚焦主机激光头在硬质内镜端部内通过光纤传导激光,并设置有相应的冷却装置。其先端部结构,见图2。
(2)宫腔镜鞘管部分包括鞘管主体、与鞘管主体连通的进水通道、出水通道及设置于鞘管主体前端的鞘管端部,鞘管端部的内径取决于主体内镜部分的端部外径,外径≤12cm。鞘管与内镜结合成一体进入宫腔内,鞘管部分提供额外的通道,可以通入液体,保证共聚焦激光扫描和摄像头的观察视野。
(3)共聚焦主机激光头发射波长为488nm的蓝色激光,与宫腔壁间的荧光素钠相互作用,其图像可以为共聚焦显微镜头所捕捉,共聚焦显微镜头把图像经由传输专线传输至主机处理器进行处理成像[5,6]。共聚焦激光扫描显微宫腔镜上连接有2台医用监视器,分别显示内镜图像和共聚焦显微图像,为便于操作还设计了与硬质宫腔镜主机连接的键盘。
1宫腔镜鞘管;2共聚焦激光扫描显微宫腔镜主体;3工作端部;4器械通道一;5器械通道二;6冷光源接口;7数据接口;8目镜输入端;9进水通道;10出水通道;11控制模块。
1导光光纤;2共聚焦主机激光头;3进水通道;4共聚焦显微镜头;5出水通道;6共聚焦主机激光头;7光学镜头。
2 共聚焦激光扫描显微宫腔镜的临床使用方法
医生首先需要对患者进行静脉注射荧光素Na。术中,共聚焦激光扫描显微宫腔镜通过子宫口进入子宫腔内,医生通过操作控制单元,使得共聚焦显微主机产生波长488nm蓝色激光束,通过共聚焦主机激光头摄像被观察的子宫壁粘膜组织,然后将共聚焦激光扫描显微宫腔镜的共聚焦显微镜头贴近子宫壁粘膜组织,组织内荧光素Na在激光束的激发下产生的信号被共聚焦显微镜头检测到并通过共聚焦显微镜输出接头端输入到共聚焦显微主机,共聚焦显微主机能够以≥30帧/s(fps)记录细胞内的动态,并以≥230fps的速度拍摄图像[7,8],使医生可以同时观察到子宫内膜的宏观情况和微观情况[9],帮助医生对患者子宫壁粘膜病变的性质做出诊断。
共聚焦激光扫描显微宫腔镜,为医生进行实时的细胞活检提供了新的设备平台。
参考文献
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激光共聚焦扫描显微镜的光学设计 第2篇
关键词： 激光共聚焦； 光学设计； 照明光路系统； 发射光路系统； Zemax
中图分类号： TH 703 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.006
文章编号： 1005-5630（2016）03-0221-05
Abstract： In order to obtain the high-resolution cell image，we designed a laser scanning confocal optical system.The light system and emission system were realized based on the objective of complex structure.The Zemax was used for the system optical design.In the simulation the focal spot size of light system was less than 1μm，and the focal spot size was less than 20 μm at the light pinhole position.The focal spot size was less than 20 μm at the emission pinhole position.At the same time light system and emission system of the MTF curve was close to the diffraction limit to reach the ideal situation.
Keywords： laser confocal scanning； optical design； lighting system； emission system； Zemax
引 言
激光共聚焦扫描显微镜（LCSM）是以激光作为光源[1]，激光束经照明针孔形成点光源对焦平面上标本进行扫描，标本上的聚焦点在与其共轭的探测针孔的位置成像[2]，这样所得到的共焦图像是样本的光学横断截面的图像。由此可知，激光共聚焦扫描显微镜的成像原理与普通的光学显微镜明显不同，它以抑制焦点外物点信息的光信号来实现高分辨率，再采用扫描技术来弥补视场小的缺点[3]。理想情况下，实现点对点的成像。与普通光学显微镜相比，它可以获得更高的横向分辨率，并且具有较高的纵向分辨率。利用这样的特性，实现了对样品三维结构重建和测量分析的工作，为研究生物组织等物体结构提供了有效的工具[4]。
本文根据LCSM工作原理设计了共聚焦扫描光学系统，并用Zemax对所设计光学系统进行仿真和优化。
1 激光共聚焦工作原理
在共焦显微成像系统中，使用共焦探测针孔不但使得整个光学系统拥有了高分辨轴向响应特性，同时具有抗杂散光和增大对比度的优点。激光共聚焦扫描显微成像系统是利用物镜使光束聚焦形成很小的光点，通过光点与样品之间的相对运动，实现对样品逐点扫描成像。激光共聚焦扫描显微成像采用焦点共轭的技术，使照明针孔、探测针孔、被照射的样品都处在彼此的共轭位置。这样只有在焦平面上的点被光源照射所激发出的荧光能够通过探测针孔而被光电探测器所接收，焦面以外的光线或聚焦在针孔前或聚焦在针孔后，会很大程度地被抑制掉，因此共焦探测针孔的作用相当于一个针孔滤波器，可以极大地提高激光共焦显微成像系统的纵向分辨率[5]。
2 光学系统设计过程
激光共聚焦光学系统由照明光路系统和发射光路系统组成。如图1所示，激光器发出的激光束经过准直扩束透镜组（镜组1、2），变成一束直径较大的平行光束，二向色镜4使光束偏转90°，经过物镜3会聚在其焦点上。样品中的荧光物质在激光激发下发射沿各个方向的荧光，一部分荧光经过物镜、二向色镜、高通滤波片5、聚焦透镜（镜组6）会聚在聚焦透镜的焦点处，再通过焦点处的针孔7，由探测器8接收。
2.1 照明光路设计
2.1.1准直扩束系统
激光准直扩束系统由图1中的镜组1和透镜2组成，其从左到右各面的参数如表1，通过改变光束束腰直径，使激光的准直性、光束平行度变高，且照明针孔位于镜组1的聚焦点处，激光经过此针孔后形成点光源，点光源不仅具有方向性强、发散小、亮度高的特点，而且具有高度的空间和时间相干性以及平面偏振激发等独特的优点。为了得到较小的聚焦光斑，聚焦光路选择两个透镜组合（镜组1）的形式，材料选择ZF14，其聚焦光斑点列图如图2所示，光斑直径小于20 μm。此处照明针孔和探测针孔几何尺寸一致。探测针孔的大小与艾里斑的直径相关，针孔大小为艾里斑经过光学系统成像的大小时，探测器接收光能量较高[6-7]。
2.1.2 显微物镜
显微物镜是LSCM中最为重要的器件，对成像质量起决定性作用，而数值孔径是判断物镜性能的重要参数，表征物镜的聚光能力，增强物镜的聚光能力，可提高物镜的分辨率。根据初始结构[10]校正轴上点球差，并保证较大的数值孔径。图1物镜3从上到下各面的参数如表2所示，点列图如图3所示。
由图3可知此物镜的像差很小，弥散斑直径小于1 μm。由数值孔径计算公式NA=nsinθ，可得数值孔径为0.69。同时数值孔径决定物镜的衍射分辨率σ的大小，由σ=0.61λNA且物镜的工作波长为405 nm，得其衍射分辨率为0.358 μm。物镜的MTF曲线如图4所示，其接近于衍射极限，因此具有极高的分辨率[8-9]。
2.1.3照明光路
将准直扩束光路和物镜组合在一起并添加二向色镜的反射面和光阑，得到照明光路的初始结构。其中照明光源是方向性、单色性很好的激光，采用平行入射的方式进入光学系统，因此该照明系统只存在轴上点球差。对该初始结构进行优化时，将准直扩束光路的半径设为变量，在默认评价函数中加入焦距控制操作数，使扩束比例达1.875，然后进行自动优化。再将物镜的所有半径以及像距设为变量，采用默认评价函数优化。优化后的MTF曲线和照明光路点列图如图5，图6所示。由图可知该照明光路的弥散斑直径小于1 μm，MTF曲线接近其衍射极限，因此该照明光路具有极高的点光源分辨率。优化后物镜的数值孔径变为0.686 8。
2.2 发射光路设计
将之前设计的物镜和一个双胶合透镜（镜组6）组合在一起并添加二向色镜的折射面，由此得到了发射光路的初始结构。为进一步优化发射光路（因系统不能改变物镜），只对起聚焦作用的双胶合透镜进行优化。设半径为变量，并逐渐修改厚度，用默认评价函数进行自动优化。优化后的发射光路点列图如图7所示，双胶合透镜从下到上各面的参数如表3所示。
优化后发射光路的MTF曲线分别如图8所示。由图可知弥散斑直径小于20 μm，而探测针孔直径等于艾里斑成像的直径D，即
D=β1.22λNA
式中：β为系统的放大倍率；λ为发射光的波长；NA为物镜的数值孔径。且β=40，λ= 480 nm，NA=0.686 8，由此得D=34 μm，探测针孔直径为35 μm。因此弥散斑直径小于20 μm，满足激光共聚焦探测针孔直径为35 μm的要求。发射光路的MTF曲线接近衍射极限，因此该发射光路具有极高的光学传输效率。
3 结 论
本文设计了激光共聚焦扫描显微镜的光学系统，采用结构较为复杂的物镜以及简单的准直扩束系统和二向色镜反射面实现了照明光路的设计，物镜以及简单的双胶合透镜和二向色镜的折射面实现了发射光路的设计。整个共聚焦系统中照明光路的聚焦弥散斑直径小于1 μm，照明针孔处的聚集光斑直径小于20 μm，满足照明针孔直径为35 μm要求。发射光路的聚集光斑直径小于20 μm，满足探测针孔直径为35 μm的要求，而且照明光路和发射光路的MTF曲线都比较接近衍射极限，优化的较为理想，具有比较好的光学传输效率。因此激光共聚焦扫描显微镜被广泛应用在生命科学、生物技术和纳米科学等领域。然而整个系统的设计也有可以改进的地方，此系统的物镜数值孔径较小，可以进一步提高物镜的的数值孔径，从而提高激光共聚焦光学系统的光学分辨率。
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聚焦激光束 第3篇
光学系统部分是激光打孔设备的重要组成部分。 光学系统在激光打孔系统中的主要作用是将从激光器输出窗口的激光束引导至加工工件表面,并在加工部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度。光学系统的设计影响激光打孔机的加工难度,光束的质量和聚焦光斑的形状进而影响激光打孔机的性能。普通透镜进行激光扫描时,由于非线性效应当激光经过透镜时, 会出现脉冲展宽、波前畸变的情况,而非球面镜则可通过改变镜面参数避免激光在透镜介质中产生以上情况。本文在现有激光打孔技术的基础上通过设计非球面透镜达到提高光束质量调整光斑形状,从而提高打孔质量的目的。
1激光打孔的系统方案
系统选用连续CO2激光器,激光器发出的连续光调制器入射在多棱镜其中一个表面上,多棱镜在旋转过程中反射的激光依次扫入聚焦透镜中,激光束经聚焦透镜聚焦在卷烟纸上打出一系列透气孔。激光打孔系统如图1所示,包括激光器,光调制器,激光聚焦系统和多棱镜分光系统。
激光打孔系统中有两个关键组成部分,一个是扫描器用来实现光束的空间扫描,另一个是聚焦物镜用来对光束聚焦。旋转多棱镜扫描示意图,如图2所示, 由于其扫描速度快、扫描角度大、回扫快和速度稳定性高等优点,正成为目前较为常用的光束扫描器。旋转多面体每一个面都为反射面,面数可根据实际生产需要而定。扫描器在电机带动下旋转,扫描后的光束以不同的角度入射到聚焦透镜,在透镜的焦平面上形成规则的扫描像。聚焦物镜的设计直接决定最终聚焦光斑的形状,要实现透镜在聚焦并对光束整形,需要对传统光束整形方法进行改进,还要考虑所设计透镜应用到生产中的可行性。实际生产中对扫描器和聚焦透镜的要求严格,扫描器反射面的平面度要一致,聚焦透镜需要大视场小孔径具有像方远心光路的线性成像物镜［5］。
2聚焦系统特性
光束质量影响激光器的应用水平和打孔质量,激光束的空间整形通常借助于外加的光束整形系统［6］。 随着MRF( Magneto Rheological Figuring)［7］技术的日益成熟,光学材料工件表面能在较短时间内得到亚纳米级的表面粗糙度,且加工价格更为合理,加工精度也基本能满足实际使用要求,为利用非球面镜实现激光束整形提供了基本条件［8］。由于双胶合球面镜加工困难而且会影响输出光束的质量,单片球面镜更适合文中的聚焦系统。
2. 1透镜前扫描
根据扫描器和聚焦透镜摆放位置的不同,文中分为透镜前扫描和透镜后扫描,虽透镜前扫描设计困难但其他问题的处理简单,而且能满足高要求的打孔需要这里采用透镜前扫描如图3所示。
像面上的理想像高y'与扫描角 θ 的线性关系为
一般光学系统的理想像高为
此时理想像高y'与扫描角 θ 不是线性关系。为保证对以等角速度偏转的入射光束在焦面上实现线性扫描,应使聚焦透镜产生一定的负畸变,对应畸变量
其中,L为扫描像点排列的长度; θ 是扫描角。可看出扫描长度L一定时,f'与 θ 呈反比关系,f'很小时光学系统设计比较复杂,加工制造成本也会增大［9］。
2. 2光斑大小的计算
聚焦系统的焦距决定光斑的位置和大小。为使光斑更小,选择短焦系统。且透镜孔径要超过与透镜截面重合处的光束直径以便充分利用能量。综上所述聚焦透镜要求焦距较小、相对孔径较大。由于激光束腰处的光能量密度最大,所以聚焦后的光斑就是变换后的激光束腰。因此,聚焦系统的物象变换关系就是初始激光束腰和最终激光束腰之间的变换。
激光束腰的放大率公式
其中,z0为共焦参数; W0和W'0分别是初始和最终的光束束腰直径。l为束腰到主面的距离。由以上公式可根据生产实际要求确定聚焦系统的外形尺寸和光斑大小。
当被聚焦的光斑尺寸很小,光束受到物镜孔径的限制,衍射和像差会导致光斑尺寸变大。光斑实际尺寸公式［10］
其中,D为物镜的孔径; Km为模系数; K为孔径形状及光束中强度分布形式的系数; ΔW'为束腰面内物镜的横向球差。
2. 3透镜的设计
聚焦系统的焦距决定光斑的位置和大小,短焦系统可使光斑更小,且透镜孔径要超过与透镜截面重合处的光束直径以便充分利用能量。综上两点,聚焦透镜要求焦距较小、相对孔径较大。在透镜设计过程中, 利用透镜的前后两个面代替透镜组的前后两个透镜, 光线在透镜内只折射两次,相比透镜组激光能量损失较小。非球面透镜的初始结构参数由正弦差和球差最小选取,用等光程原理求解非球面参数。由于光线经过第一个表面时发生折射且偏折角度较大,为保证聚焦效果,文中设计的非球面透镜比普通透镜厚。
聚焦物镜的焦距应满足
其中,x为物距,由系统结构选定。
当焦距不符合要求时可用下式修正
其中,f'、L是修正前的焦距和工作距离; f'*、L*是符合要求的焦距和修正后的工作距离。
光线在焦平面前后的传播特点决定了材料破坏的不同性质,离焦量的控制对孔深和形状有重要影响。 过分的入焦或离焦均将使被加工点的能量密度大幅下降,使孔壁产生强烈的熔化,影响打孔质量。当其它激光输出参数保持不变时焦点处在材料的上表面,孔的入口直径最小［11］。
3结果分析与优化
为能达到较为理想的效果,聚焦透镜的焦距不宜过大。文中选取的普通聚焦透镜焦距为20 ~ 30 mm, 聚焦透镜的直径为7 ~ 10 mm,两种透镜均选取热吸收系数相对较小的Zn Se材料。非球面透镜的部分面参数如图4所示。
将透镜导入到软件中进行仿真,通过合理选择输出光束、控制旋转棱镜转速和选择合适透镜位置对比前后光斑的形状和尺寸。设置表面光源的参数: 辐照度108 W/m2,光线波长10. 6 m,总光通量18 584 W, 总光线数500。优化后聚焦透镜镜和非球面透镜对于打孔面的被吸收光通量对比图如图5所示。
图5为聚焦透镜为普通球面镜时对打孔面被吸收光通量图,可看出扫描光斑呈不规则椭圆形,且圆斑光强分布不均,这是轴外像差和扫描速度失真影响引起的综合效应。扫描过程焦点轨迹为一条直线,椭圆的形状和扫描角有一定的关系。在扫描角较大的地方要使光束直径有理想的衍射聚焦,需要在设计和优化方面作出改进。
从改进后的图5和图6对比可看到: 优化前光斑在接收板( Y,Z) 坐标轴内和Z、Y轴平行并和光斑边缘相切的4条切线的交点的坐标为( 108. 353,- 0. 947) ( 108. 353,1. 228) ( 110. 864,-0. 947) ( 110. 864,1. 228) , 可计算出光斑在Y轴方向光斑宽度为2. 511 mm,在Z轴方向光斑宽度为2. 175 mm。由优化前的数据可看出Y、Z轴方向的畸变率为14. 341% 。优化后光斑在接收板( Y,Z) 坐标轴内和Z、Y轴平行并和光斑边缘相切的4条切线的交点的坐标为( 110. 224,- 0. 790) ( 110. 224,0. 243) ( 111. 262,-0. 790) ( 111. 262,0. 243) , 可计算出光斑在Y轴方向光斑宽度为1. 038 mm,在Z轴方向光斑宽度为1. 033 mm。由优化后的数据可看出Y、Z轴方向的畸变率为0. 483% 。对比之前的不规则椭圆状光斑优化后的光斑接近圆形,光斑尺寸变小且光强分布较为均匀,达到整形目的。
在实际生产中,光束在打孔的同时旋转多棱镜在横向扫描而且工件也在走动,所以作用范围随着热扩散在增大,导致激光作用范围比打孔的直径大。由于自身限制非球面镜很难达到衍射极限的聚焦,但相比之前的焦斑最终焦斑质量已大幅提高。
4结束语
聚焦激光束 第4篇
激光扫描共聚焦显微镜LSCM (Laser Scanning Confocal Microscopy) 是国外二十世纪八十年代后期开发的新测试仪器, 它集显微技术、高速激光扫描和计算机图像处理技术于一体, 是采用激光为光源, 在传统荧光显微镜成像的基础上, 附加了激光扫描装置和共轭聚焦装置, 通过计算机控制来进行数字化图像采集和处理的系统[1]。
激光扫描共聚焦显微镜的基本工作原理是首先由激光器发射的一定波长的激发光, 光线经放大后通过扫描器内的照明针孔光栏形成点光源, 由物镜聚焦于样品的焦平面上, 样品上相应的被照射点受激发而发射出的荧光, 通过检测孔光栏后, 到达检测器, 并成像于监视屏上。这样由焦平面上样品的每一点的荧光图像组成了一幅完整的共焦图像, 称为光切片。
激光扫描共聚焦显微镜是迄今为止较为理想的三维显微成像系统, 与常规的光学显微镜相比具有更高的分辨率, 分辨率比一般显微镜高1.4倍, 而且显微镜的放大倍数可以达到10000倍, 并可分层扫描, 光切片最薄为0.1μm[2]。本仪器最大穿透深度为100μm左右, 将每层扫描图像存入计算机, 然后可重建三维立体图像[3]。我们主要应用激光扫描共聚焦显微镜来进行岩芯图像的分析, 以达到研究油气储层孔隙结构的目的。
2 岩芯图像的采集及扫描
岩芯图像的采集主要使用岩芯图像采集仪, 这个设备可以连续地采集高清晰度的岩芯图像, 在地质研究工作中发挥了独特的作用, 目前在国内各大油田得到广泛的推广应用[4]。
获取图像的过程为:首先, 用环氧树脂浸染剂注入岩芯, 制成铸体薄片。而后, 使用激光扫描共聚焦显微镜将铸体薄片进行切片, 对岩芯实体表面图像信息进行断层扫描, 获得连续的等间距的一组图像。所形成的岩芯图像分辨率为一般5000像素/m, 频谱范围400~700nm (可见光频谱范围380~780nm) 。
3 岩芯图像分析
3.1 孔隙特征分析
孔隙结构主要指孔隙数量多少、大小、几何形状、分布特征和孔隙间的连通程度。研究孔隙结构的有效方法是对铸体薄片进行观察和对激光共聚焦显微镜扫描获得的三维图像进行分析, 这种方法具直观和快速的优点。通过对这些三维图像的分析我们可以计算出岩芯的体积和孔隙度, 并通过放大和旋转从不同的角度更好地观察孔隙数量、孔喉大小、分布、形状和连通程度。
微机处理岩芯图像时, 主要采用灰度识别方法.通过编程自动提取岩芯图像孔洞目标.对于复杂岩芯图像还可进行人工修正和干预, 以提高目标提取的准确性[5]。图像处理时, 一般将目标颜色赋为红色.背景颜色赋为黑色。如下图所示为岩石薄片处理前 (图2) 和处理后的图片 (图3) 对比。岩芯图像孔洞目标提取后, 我们便可进行相关参数的分析计算。
3.2 应用线性回归分析方法计算孔隙度
非均质性强的火成岩、碳酸盐岩储层, 往往孔洞、缝发育且分布不均, 孔洞大小及连通性存在很大差异。长期以来.如何准确计算这两类特殊岩性储层的孔隙度参数, 一直是困绕着储量计算的难题。对于孔隙度参数的计算和孔洞发育特征的评价, 实验室采用岩石薄片分析、常规物性孔隙度测定等方法时, 经常受岩芯的取样位置、样品大小和样品成型状况等条件所限, 一般只能选取岩芯局部的微小孔洞样品进行分析 (对于大孔洞岩芯样品则无法分析) , 往往随机误差较大, 难以取得较好的结果。我们利用岩芯实体表面图像分析, 可以在准确计算孔洞面孔率参数的基础上, 与实验室常规物性测试结果相结合.应用数理统计中的线性回归分析方法分析孔洞的面孔率与孔隙度的相关性, 建立两者的统计学关系, 从而预测孔隙度。使得孔洞型储集层的岩, 宏观分析与实验室常规测试结果及其他相关资料能够相互对比、补充完善, 确定更准确的孔隙度参数计算结果, 为深入评价孔洞型储集层的储集性能提供重要依据。
岩芯表面孔洞的重要参数还有一个就是面孔率, 我们采用如下公式进行编程计算:
式中:为分析测试区域岩芯孔洞面孔率;s1为测试岩芯区域孔洞面积·mm2, s2为测试岩芯区域面积·mm2。该实例图片中一共有133个孔隙, 计算后的具体参数如下所示:
从铸体薄片孔隙特征图像分析测定报告我们可以看出, 在该样品中孔隙半径在100μm。
以下的孔隙占整个岩芯面积的32.68%, 孔隙半径在100μm以上的孔隙占整个岩芯面积的67.62%、平均孔隙半径为207.76μm。平均孔隙半径与孔隙度渗透率有着很大的相关性。随着平均孔隙半径的增大, 孔隙度和渗透率也随之增大, 但是孔隙度与渗透率增加的幅度随着平均孔隙半径的增大而越来越小。也就是说从参数我们可以看出当平均孔隙半径的值在0μm~100μm之间时, 孔隙度和渗透率增加的幅度最大, 当平均孔隙半径大于100μm之后, 孔隙度和渗透率的增加幅度也变得越来越平缓。从这个例子的孔隙半径特征参数可以看出油层的孔隙半径都比较小, 使得有效渗流孔隙半径更小流体在孔隙中流动更加困难。
通过镜下观察, 孔喉配位数为0.47。从孔隙和喉道的配位数可以看出, 每个孔隙相配置的喉道数较少, 这使得孔隙结构表现更为复杂, 大大降低了孔隙的有效渗流作用。所以这样的孔隙结构对油层的开发是不利的, 可以通过酸化压裂等相关的手段来提高有效渗流孔隙。
4 结论
将激光共聚焦扫描显微镜应用于岩芯图像的三维重建研究中, 对碳酸盐岩类储层的不同岩石结构进行三维的分层扫描, 从而获得岩石孔隙分布的三维图像, 并用对图像进行了定性和定量的分析、统计和计算 (包括孔隙的形态、大小、连同性及面孔率等) , 最终获得岩芯结构的三维量化指标以及结构图像。计算结果直观、准确、快捷。该方法较好地解决了以往通过岩芯观察描述.来统计测定岩芯孔洞参数所存在的误差大和费工费时的问题。采用岩芯图像分析所获取孔隙度和面孔率的方法能够更真实地反映岩芯宏观孔洞特征, 从而能够反映灰岩、火成岩等特殊储集层的物性特征规律, 对油田开发有一定的积极作用。
摘要：本文将激光共聚焦技术与岩芯图像相结合。使用激光共聚焦技术将采集到的岩芯进行切片, 断层式的扫描, 从而获得岩石孔隙分布的三维图像, 并且对岩芯图像进行了定性和定量的分析 (包括孔隙度、面孔率等) 。使用该方法所获取孔隙度和面孔率能够更真实地反映岩芯宏观的孔洞特征, 对油田的开发具有一定的积极作用。
关键词：激光共聚焦,岩芯图像,孔隙
参考文献
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聚焦激光束 第5篇
关键词：激光扫描共聚焦显微镜,实验教学,教学探讨,大型仪器,教学改革
激光共聚焦扫描显微镜是20世纪80年代发展起来的一项具有划时代意义的高科技新产品,是当今世界上最先进的分子生物学、细胞生物学分析仪器[1]。它是一种大型的精密仪器,是以光学为基础,融机械、电子、计算机为一体的高精度现代化显微测试仪器。它克服了传统光学显微镜把被观察物体一定范围内的结构都加以成像的缺点,把物体分为若干个光学断层,逐层扫描成像,为微观世界的探测提供了一种新的研究手段[2]。激光扫描共聚焦显微镜技术已经广泛应用到了生物化学、细胞生物学、分子生物学等几乎所有涉及细胞研究的生物和医学研究领域[3]。这种高精度显微成像技术可以对荧光标记的细胞和组织进行形态学的定位和定量观察。人们应用该技术来观察和分析细胞内或组织内生物大分子、 细胞及亚细胞的形态结构,观察细胞内离子、蛋白分子的变化,包括细胞内钙离子的变化、活性氧物种的产生、转录因子、表面分子、细胞凋亡、细胞膜电位的变化、细胞内分子的运动、细胞间的缝隙连接、蛋白间的相互作用、荧光共振能量转移、荧光漂白恢复等。 激光扫描共聚焦显微镜技术的使用已经涉及到动物、 植物、微生物的几乎所有领域。鉴于激光扫描共聚焦显微镜技术能对细胞或组织进行无损伤的连续光学切片,并且可以对活细胞进行实时的动态观察,使该技术在生物学的科学研究中占有举足轻重的地位。 在采集样品荧光图像方面,与荧光显微镜相比激光扫描共聚焦显微镜在很大程度上克服了普通荧光显微镜观察时经常出现的三维空间定位不准、结果细节模糊不清、过强或过弱信号均难以成像的缺点,其成像的分辨率、对比度、清晰度也大大提高[4]。如何能更好地应用这种技术并将如此先进的仪器更好地应用到教学中去,拓展学生的视野和提高学生的科研实践能力呢? 面对这些问题,东北农业大学生命学院在生物仪器分析实验课中开设了激光扫描共聚焦显微镜技术,并对课程进行一定的设计,通过6年的教学实验取得了良好的教学效果。
1激光扫描共聚焦显微镜在教学中的应用现状
随着国家的发展和科学技术的进步,激光扫描共聚焦显微镜技术的应用越来越受到人们的关注。培养大学生使用激光扫描共聚焦显微镜这类大型仪器的能力,不仅可以满足社会对人才的需求,也为学生将来就业增加了一条出路[5,6,7]。作为大型仪器的一员,激光扫描共聚焦显微镜本身价格昂贵,其配套耗材、使用成本、平时维护的费用也很昂贵,而且这样的大型仪器在一所高校一般只有1台,仅用于科学研究工作,除了负责仪器使用的人员,其他人根本没有机会接触到。目前,我国的高校学生只有在有实验课时或是做毕业课题时才能进入实验室,在以往的实验课中多采用教师在课堂上讲理论,如原理、操作步骤、注意事项等,统一时间再安排学生上实验课。这样学生很难将教师很久之前讲述的理论和即将要做的实验联系起来,而且在大型仪器使用上,学生更难有自己动手操作的机会,从而影响其学习积极性,难以达到预期的教学效果和教学目的。东北农业大学生命科学学院在生物仪器分析实验课中开设激光扫描共聚焦显微镜技术实验课,通过6年的实验教学实践,取得了满意的教学效果。
2激光扫描共聚焦显微镜技术实验课设计
笔者以东北农业大学生命学院本科生、硕士生、 博士生生物仪器分析实验课中开设激光扫描共聚焦实验课为例,具体讲述实验课的设计。
2.1仪器概述
东北农业大学生命科学与生物技术研究中心有一台激光扫描共聚焦显微镜,型号为Leica TCS SP 2 AOBS。激光扫描共聚焦实验课主要讲解激光扫描共聚焦显微镜的原理,演示激光扫描共聚焦的工作过程。按照以下几个方面来介绍仪器: 激光光源、扫描器、荧光显微镜系统、光学系统、计算机图像存储与处理及控制系统,讲述每个系统的组成和它们所起的作用。
2.2具体课程设计
2. 2. 1优化教学内容在以往的实验课中多采用教师在课堂上讲理论,如: 原理、操作步骤、注意事项等。 激光扫描共聚焦显微镜技术实验在讲述基本理论的基础上,讲述该仪器的构造、发展、基本功能、荧光探针的选择和荧光样品的制备,并介绍该技术在国内外应用的科研方向等。同时选择一些典型的实验案例作为讲解共聚焦应用的实例,如: 用激光扫描共聚焦显微镜技术原位检测细胞凋亡、原位实时定量测定细胞内Ca2 +浓度的动态变化、活细胞膜电位的变化等。 通过这些生动的实际例子激发学生的学习兴趣,使他们透彻地理解教师讲述的理论知识,把理论学习与将来的科研工作结合到一起。针对激光扫描共聚焦技术的无损伤三维光切和对细胞动态观察方面的优势, 在教学时还从平时的科研样品中抽取几个既能体现激光扫描共聚焦技术特色又能体现最新科研发展趋势的实际例子来讲解。利用这些科研例子来给学生讲解演示,并通过图像处理的方法得到细胞三维重组的立体图像或者是动态细胞变化过程的动画[2],使学生更加形象地了解并掌握激光扫描共聚焦显微镜这门技术及本学科的科研发展方向,能够在以后的学习科研中更好地应用这台仪器。同时,这能够促进大型仪器设备的资源共享,加强对外开放和服务,提高大型仪器设备利用率[8]。
为了使学生更多地了解本学科的前沿、开阔视野,在教学过程中注意更新补充新的内容,并引入本仪器使用的新技术和新方法。另外,授课时向学生推荐书籍和材料,让学生查阅激光扫描共聚焦显微镜的最新发展动态,讨论、交流查阅的文献资料,使新知识、新技术更好地渗透[9]。
2. 2. 2改革教学方法实验教学是教学环节的重要组成部分,与理论教学相辅相成[10],应合理安排实验课时间。结合生命科学的科研实际情况,采用理论联系实际的教学方法,在实验室面对仪器授课,将理论与实验合二为一,在上课过程中学生可以随时和教师交流讨论,这样学生能更好地理解所学内容。教师将专业知识内容直观形象地展现在学生面前,加强了学生的理论知识储备,为实验课的进行打下坚实的基础[11,12]。
在实验课中借助多媒体技术将文、图、声等因素有机结合在一起,把一些抽象的理论通过三维动画、 视频图像等手段形象直观地展现出来,使抽象的内容具体化,复杂的内容简单化,展示语言难以描述的内容[13],使学生通过多种感官刺激全方位地获取信息, 使学生更好地掌握这门技术,应用这门技术[10]。
在上课过程中采用多种教学方法,提高教学效果。为了最大限度地调动学生的学习积极性和主动性,在教学过程中可根据具体的教学内容,采用形式灵活多变的教学方法,介绍与教学内容相关的科研发展,一方面可以激发学生的学习兴趣,另一方面又可以引导学生树立正确的科学态度[14]。如在教学中, 向学生们介绍激光扫描共聚焦显微镜的发展史,介绍发展的同时使学生们知道激光扫描共聚焦显微镜发展至今,已经不再是普通的光学显微镜,而是光学显微镜与激光、高灵敏度探测器、高性能计算机和数字图像处理软件相结合的新型高精度显微成像系统。
在教学中引导学生把理论知识和当前的科学研究有机地结合起来,有效地提高学生对知识的兴趣以及对知识的掌握程度。例如,先在课堂布置学生在课后撰写与其相关研究方向的综述,然后针对学生们写的综述情况展开讨论,引导学生们自己寻找理论和实践之间的联系。充分运用多媒体教学方法,能够有效地增大教师授课信息量,提高教学质量和教学效果[9]。生物仪器分析实验,是仪器分析课程中非常重要的实践性教学环节,实验教学与理论教学平等而又相互协调、相辅相成,二者缺一不可[15]。学生上课人数与仪器数量之间的矛盾是每个高校都现实存在的。为保证更多的学生都有接触到仪器的机会并保证教学质量,每次实验只能安排10 ~ 15名学生。 为了充分调动学生学习的主动性和积极性,实验课时经常采用不同的学生制作的不同样品,不同的学生制作相同的样品,比较不同制作方式的样品所带来的不同效果,及各个领域中的不同样品在激光扫描共聚焦显微镜下的状态。学生参与细胞样品的制备、利用激光扫描共聚焦显微镜采集图像、图像处理和数据分析等实验的全过程。与此同时,鼓励学生自己在感兴趣的方向进行实验探索和设计,培养学生的创新能力和实践能力。课堂气氛活跃融洽,一部分学生还能对自己以后想要 研究的方 向提出一 些具体的 设想和问题[12]。
3展望
结合生命科学的学科特点,以本科生、硕士研究生、博士研究生为授课对象,以小组的模式教学,通过实验课授课形式学习激光扫描共聚焦显微镜这一大型仪器的组成、结构,通过生动的教学实验使学生更好地将理论实践结合在一起,提高了学生的学习兴趣,提升了教学质量,使学生在搞科研时能够以激光扫描共聚焦显微镜为工具进行科学研究,走向社会时能够满足现代社会对分析测试人才的需求。
聚焦激光束 第6篇
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取我院2012年8月~2013年8月收治的40例胃癌患, 其中男22例, 女18例, 年龄23~78 (45.65±5.27) 岁, 患者接受共聚焦激光显微内镜检查, 将其作为观察组。选取同期收治的40例用普通胃镜检查的胃癌患者为对照组, 男21例, 女19例, 年龄20~75 (44.21±5.38) 岁。患者均经病理证实为胃癌, 两组患者在一般资料上无统计学意义 (P>0.05) 。将严重肝肾功能损害患者、心脑血管疾病患者、哺乳期妇女、妊娠期妇女排除。
1.2 检查方法
1.2.1 仪器与试剂
仪器:激光共聚焦纤维内镜 (由苏州旭宏光电科技有限公司提供) 。荧光对比剂:0.05%盐酸吖啶黄与10%荧光素钠 (由武汉科博尔武汉实验室仪器设备提供) 。
1.2.2 检测方法
观察组:于检测前15min, 取50ml去黏液剂, 给予患者口服, 取10毫克异丙酚, 为患者静脉注射, 取20mg解痉灵, 为患者肌肉注射。在CLE检查过程中, 5~10mg 0.05%盐酸吖啶黄素粘膜喷洒 (或取5ml 10%荧光素钠静脉注射) , 注射后10~20秒内, 可以观察到胃黏膜颜色发生改变 (变黄) , 此时可实施共聚焦成像检查。CLE检查时, 需取生理盐水10ml, 对检查部位进行清洗, 在距离内镜视野左下方1cm部位, 放置靶部位, 利用蓝色激光进行指导, 使黏膜与共聚焦镜头接触, 将吸引按钮按下, 扫描成像。利用调控按钮对共聚焦平面深度进行扫描。将右侧按键间断按压, 便可获取细胞、深层微血管图像。患者均接受共聚焦显微内镜检查, 检查部位包括胃底部、胃体大弯侧部位、胃窦大弯侧部位。每个部位均需获取细胞、胃小凹、黏膜深层微血管网图像, 并将图像完整保存。
对照组:行普通胃镜检查。患者均需空腹检查, 取左侧卧位, 不能移动头部与身体部位, 若在检查过程中出现了不适症状, 且患者无法忍受, 则需用手指示意, 必要情况下采取措施缓解。
1.2.3 病理学检查
利用甲醛将活检标本固定后, 行脱水、石蜡包埋操作, 横断面切片 (厚度为4μm) , 经HE染色后, 行病理学检查。
1.3 统计学方法
对本组研究的数据采用SPSS16.0统计软件进行分析, 计量资料以均数±标准差 (±s) 表示, 采用t检验, 对计数资料采用X2检验, P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
经研究发现, 由表1可以计算出, 普通胃镜检查的敏感度为42.9% (6/14) , 特异度为73.1% (19/26) , 准确率为62.5% (25/40) 。
由表2可以计算出, 共聚焦内镜检查的敏感度为92.9% (13/14) , 特异度为80.8% (21/26) , 准确率为85.0% (34/40) 。
2.3 敏感度、特异度、准确性比较
两组检测结果上看, 共聚焦内镜检测的敏感度、特异度与准确率均优于普通胃镜, 对比差异显著, 具有统计学意义 (P<0.05) 。
3 讨论
共聚焦激光显微内镜 (CLE) 有着良好的共聚焦显微镜功能, 在活体内, 经荧光对比剂, 可将杯状细胞、黏膜细胞、隐窝、毛细血管等部位清楚显示, 除此之外, 还可以实现横断面图像的重建, 将三维结构显示出来[4]。
CLE对荧光对比剂的依赖性较强, 通过荧光对比剂, 可以将不同结构清晰展现出来, 及时查看检查部位是否发生病变[5]。胃癌属于较为常见的恶性肿瘤, 据相关资料显示, 胃癌癌前病变主要有上皮内瘤变、胃黏膜肠上皮化生、胃黏膜萎缩等情况[6]。肠上皮化生通常与胃黏膜萎缩并存, 通过CLE可以观察到腺体分布处于稀疏状态, 胃小凹部位明显增宽, 腺体排列紊乱, 从腺体数量上看, 固有腺体呈现为下降趋势[7]。CLE是现阶段一种新型的检测方式, 在胃癌疾病的诊断中, 有着较高的应用价值。
从本次研究中可以看出, 观察组采用共聚焦激光显微内镜进行诊断, 其诊断的敏感度为92.9%, 特异度为80.8%, 准确率为85.0%, 明显高于普通胃镜, 这表明共聚焦激光显微内镜检出率更高。以胃癌未分化型与分化型为依据, 经CLE检测, 可明确患者胃癌恶性程度。这种技术的使用有利于提高胃癌诊断的正确率, 便于尽早提出有针对性的治疗策略, 为患者疾病治疗提供依据, 降低误诊率。
综上所述, 共聚焦激光显微内镜在胃癌及癌前病变中有着较高的临床应用价值, 有利于及时检查出病变, 实现早诊断、早治疗, 值得临床推广应用。
摘要：目的 探讨共聚焦激光显微内镜对胃癌及其癌前病变临床诊断意义。方法 选取我院2012年8月2013年8月收治的40例胃癌患者的临床资料, 利用共聚焦激光显微内镜对患者疾病进行诊断, 将其作为观察组, 选取同期收治的40例用普通胃镜检查的胃癌患者为对照组, 比较普通胃镜与共聚焦激光显微内镜的检测结果, 分析共聚焦激光显微内镜的临床诊断价值。结果 普通胃镜检查的敏感度为42.9%, 特异度为73.1%, 准确率为62.5%。共聚焦内镜检查的敏感度为92.9%, 特异度为80.8%, 准确率为85.0%。共聚焦内镜检测的敏感度、特异度与准确率均优于普通胃镜, 对比具有统计学意义 (P<0.05) 。结论 共聚焦激光显微内镜检测的特异性、准确率、敏感度较高, 有利于为患者疾病治疗提供依据, 在临床中有着较高的临床应用价值, 值得临床推广应用。
关键词：胃癌,癌前病变,临床诊断价值
参考文献
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聚焦激光束 第7篇
1 原理及实验方案
1.1 原理
LSCM在普通荧光显微镜的基础上对成像原理作了改进, 加装了激光扫描装置和数字成像装置, 使得荧光分辨率大幅度提高, 显微镜的使用范围也得到了大幅度拓展。共聚焦的主要原理是使激光扫描束通过光栅针孔形成点光源, 在荧光标记标本的焦平面上逐点扫描, 采集点的光信号通过共聚焦针孔到达光电倍增管 (PMT) , 经过计算机信号处理形成图像。由于激光光源的光栅针孔和探测针孔对物镜焦平面是共轭的, 焦平面上的点同时聚焦于光栅针孔和探测针孔, 进行点扫描时, 扫描点以外的点不会成像, 经逐点扫描后才形成整个标本的焦平面图像。针孔只接受聚焦点处荧光信息, 使LSCM能够对样品内部进行深层次观察, 并进一步获取图片, 通过对连续层次上的共聚焦图像的计算机处理, 可以得到三维图像。
钛合金在口腔移植材料方面已经得到了广泛应用。近年口腔医学界对移植材料的优化方面做了大量的工作, 共聚焦显微镜的特性在进行此方面研究时可以起到重大且不可替代的作用。本文利用共聚焦荧光信号通过物镜返回光电倍增管成像的原理, 获取钛金属表面的反射光以形成可见光图片, 同时在不透光的钛金属材料表面接种成骨细胞, 并对其进行荧光标记, 由共聚焦成像获得细胞荧光图片, 进行细胞和钛金属表面相容性观察[1,2], 并且通过逐渐深入的多层扫描, 进一步获取细胞和移植材料结合的信息, 以选择钛金属的表面处理工艺。
1.2 实验方案设计
1.2.1 对钛金属进行不同的表面处理
打磨表面:光滑钛片表面以砂纸由粗至细逐级打磨到800 目[3]。喷砂表面:光滑钛表面经40～50 目砂粒高速吹打成形。喷砂酸蚀表面:喷砂处理后的钛片经酸蚀。
1.2.2 对成骨细胞进行荧光标记
首先对所有钛片均经去离子水冲洗, 高温消毒后放入24 孔板。接种成骨细胞进行培养[4]。
取已进行细胞培养的钛片, 以PBS洗3 次, 用2%多聚甲醛固定, 0.2%Triton在室温下处理, PBS充分洗涤。用25 μg/ml Phalloidin- TRITC室温下染色, 水洗, 直接置于盖玻片上共聚焦观察。
1.2.3 共聚焦观察并比较
共聚焦显微镜观察钛金属的表面结构, 激发光波长为488 nm, 利用共聚焦用40×物镜拍摄图片, 通过全反射获得样品反射光图象。通过红色通道观察成骨细胞与钛金属的结合情况, 应用Z- series模式断层扫描一系列X、Y轴构成的平行切面, 获得各层的LCSM图像。
2 结 果
不同形态的钛片表面肌动蛋白铺展形态不同, 打磨组细胞肌动蛋白纤维在一个平面铺展, 与表面沟纹方向一致;喷砂组和喷砂酸蚀组向三维方向铺展, 伸入周围孔洞或附着于表面隆起部分的边缘, 将细胞悬挂于凹窝上方, 粗糙表面有利于形成机械锁结, 提高骨结合力 (图 1) 。本实验涉及的表面处理方案中, 喷砂表面更适合成骨细胞的结合、黏附和生长。
2.1 细胞在不同表面的生长情况
在不同的钛金属表面, 成骨细胞均能很好的生长和贴附, 表明钛金属的生物相容性较好, 但在不同的表面, 细胞的形态以及和钛金属的结合情况有明显不同。打磨组细胞的肌动蛋白纤维成束, 排列于细胞周缘, 沿沟纹方向铺展, 细胞明显变大, 成多角形, 但细胞形态较平。喷砂组细胞肌动蛋白纤维束依据附着点呈有规律的平行排列, 肌动蛋白纤维汇聚成束, 集中附着于凹窝边缘或深入孔洞, 细胞成多边体状, 与孔洞形态相适应, 具有明显的贴附生长特征。酸蚀组与喷砂组相比无明显变化, 对细胞依附情况起决定作用的是钛片表面的物理结构。
2.2 细胞在3 种表面不同深度的铺展结合情况
细胞在打磨钛片表面呈平面生长, 铺展很好, 细胞骨架集中在一个平面, 无明显三维结构。成骨细胞的厚度均匀, 平均4.5 μm, 直径平均60 μm (图 2) 。
成骨细胞在喷砂钛片表面呈立体状生长, 在钛金属突出的位置附着, 铺展形状由钛片表面的突起位置决定, 并且会贴着钛片的凹凸不平的表面生长, 与钛片表面结合紧密, 有明显三维结构, 表明移植材料与细胞结合更牢靠。成骨细胞的厚度与钛片表面形态相关, 厚度由4～10 μm不等, 平均8 μm;直径差异大, 最小的仅20 μm, 最大80 μm, 平均60 μm (图 3) 。
喷砂酸蚀表面与喷砂表面比较, 无明显差异, 细胞与钛片紧密结合, 铺展好, 有明显三维结构。成骨细胞的厚度与钛片表面形态相关, 厚度由4～10 μm不等, 平均在7 μm;直径差异大, 最小的30 μm, 最大75 μm, 平均60 μm (图 4) 。
3 讨 论
通过实验发现成骨细胞成长过程中铺展的形态与所接种的移植材料表面特性有很大关系。在平整的移植材料表面细胞延平面铺展, 与移植材料未能形成牢靠的结合, 应进行改进。具有适当粗糙表面的移植材料上接种的成骨细胞在三维方向铺展, 肌动蛋白伸入周围孔洞或沿着移植材料表面的凹凸形态形成紧密的结合, 提高了成骨细胞与移植材料的结合力, 证明具有适当粗糙度表面的口腔移植材料更适合于临床使用。
本实验利用共聚焦显微镜的成像原理, 成功地进行了口腔移植材料与成骨细胞表面相容性观察, 取得了很好的效果。表明激光共聚焦显微镜是观察不透光移植材料表面细胞生长结合情况的良好工具, 可对移植材料及其上生长细胞内部进行非侵入式光学断层扫描, 有高灵敏度和能观察空间结构的优点, 解决了在不透光钛片表面观察细胞内部结构的问题。
共聚焦显微镜在科研方面已得到广泛应用, 作为使用者, 我们注重在常规的试验项目外, 加强显微镜的使用面, 拓宽仪器的使用范围, 注重仪器和各类实用科学相结合, 使其更好的为科研服务, 为人民的生活服务。
激光共聚焦显微镜在医学方面常规的应用有以下几个方面:① 细胞间通信研究; ② 免疫荧光定量定位测量; ③ 细胞内钙或其他粒子浓度及其变化监测; ④ 细胞膜蛋白及膜流动性检测。
传统的方法很难直观地观察生物细胞和植入材料之间结合的情况, 激光共聚焦显微镜可以填补这一方面的空白, 并且可以利用活细胞染料对细胞染色后进行活体观察和动态观察。这是一种观察移植材料和机体相容性实验的新方法。此方法可用于选择移植材料的表面处理工艺。随着共聚焦技术的发展, 特别是多光子技术的发展, 在生物材料相容性研究方面, 共聚焦将大大扩展适用范围, 应用于不透光材料和各种表面与生物细胞相容性实验, 比如骨折后的固定支架、体内植入物与人体的相容性实验等, 也可进行传统显微镜无法进行的组织级别精细荧光观察, 前景广阔。
摘要：目的:观察不同处理的钛金属表面与成骨细胞的生物相容性。方法:利用共聚焦显微镜荧光信号通过物镜返回光电倍增管成像的原理, 获取不透光的钛金属表面图像, 对钛金属表面 (打磨、喷砂、喷砂酸蚀表面) 接种的成骨细胞骨架进行荧光标记, 并用共聚焦显微镜获取荧光图像, 观察细胞和钛金属表面的生物相容性, 并且通过逐渐深入的多层扫描, 探索细胞和移植材料结合的进一步信息。结果:喷砂表面适合成骨细胞的贴附和生长。结论:钛金属与成骨细胞的结合情况主要与金属表面的物理形态有关。
关键词：激光共聚焦显微镜,成骨细胞,钛
参考文献
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聚焦激光束 第8篇
1理论计算
光束质量主要从远场质量、近场质量和传输质量［3］等三方面来评价。近场光束质量主要关心强度分布的均匀性［4］。近场调制度虽然不能反映近场强度调制的来源, 但是具有形式简单、使用方便的特点, 所以本实验选用近场调制度作为衡量近场光束质量的参数, 它定义为近场区域的峰值强度Imax和平均强度Iave之比:
近场调制度不能反映近场光束质量的细节信息, 只能反映出整体起伏。M的取值范围是M ≥ 1, M越小, 光束分布越均匀, 近场光束质量越好。对于高功率激光器, 一般要求M ≤ 1. 5［3］。在近场光束质量的测量中, 光楔起着取样和衰减光强的作用, 本节对取样光退偏比与取样角度的关系进行计算。
对于高功率激光器, 虽然采取了相关措施, 热效应会导致激光器的输出光束会发生一定程度的退偏［5］。定义光的退偏比 ( depolarization ratio ) ρ 为［6］:
式 ( 2) 中Is和Ip分别为光束中S分量和P分量的强度。光楔对入射光的反射率与入射光的偏振态有关, 不同偏振成分的光强反射率之间的差异会导致光束发生退偏。利用菲涅耳公式 ( Fresnel’s Law) 可以得到入射光经过光楔取样后, 取样光的退偏比与取样角度的关系, 如图1所示。
由图1可知, 只有保证小角度单次取样 ( 不大于10°) 时, 不同偏振成分反射率之间的差异才不至于引起取样光发生明显的退偏。
2实验光路
如图2所示, 为了尽可能真实地测得实验样品处聚焦光束近场质量, 实验必须共轭测量: ①透镜1和透镜2焦距相等且相对于光楔1共轭; ②样品和科学级CCD感光面相对于光楔1共轭; 对于聚焦光束近场质量的测量, 为了避免损坏CCD, 需要大倍率衰减取样光光强。本实验中, 水平偏振输出、能量为100 J且光斑直径为60 mm激光经过透镜聚焦于光学元件表面进行实验, 光学元件表面作用区域的直径为10 mm。科学级CCD的感光强度为nJ量级, 所以为了不损坏CCD, 至少需要对激光进行109倍衰减。而实验证实利用中性衰减片大倍率衰减光强会影响光束近场质量［7］, 所以本实验采用光楔多次取样来大倍率衰减光强, 同时利用小倍率中性衰减片对取样光的衰减进行精细控制以充分利用CCD光学动态范围。
2. 1光楔小角度取样实验
图2 ( a) 是传统的小角度取样测量方法。让两个光楔均以5°取样, 此情形下光楔对于入射光中的S分量和P分量的光强反射率之比为Rs/ Rp= 1. 025, 所以经过光楔两次取样后进入CCD中取样光的退偏比为 ( 假设每个光楔对入射光中相应偏振成分的反射率分别相等并忽略吸收等因素对光强的影响)
式 ( 3) 中 ρsam和 ρ 分别是取样光和入射光的退偏比。 式 ( 3) 表示小角度取样测试方法在取样次数较少时能比较真实地反映光束近场分布。激光器输出激光主要是水平偏振成分, 经过光楔两次取样后, 光强被衰减102倍, 即还需用中性衰减片来完成大倍率衰减 ( 107倍) , 这也会对光束近场质量的测量产生影响［7］。测量结果见3 ( a) 所示, 图中出现的条纹起伏主要是液晶光阀的影响。
2. 2光楔大角度取样实验
针对前述情况, 本文提出让光楔以较大角度取样以解决问题。图2 ( b) 是大角度 ( 本实验为45°) 取样, 为了能真实地测量出近场光束质量, 在两个光楔之间加入90°石英旋光片, 本实验使用了两块旋光片。入射光经过光楔4次取样, 光强衰减倍数可达106倍, 能满足大倍率衰减的需要。图3 ( c) 是测量结果。
这种测量方法的关键在于: ①确保石英旋光片的作用效果, 即让入射光的偏振态发生90°偏转, 这可以在实验之前通过两块互相垂直的格兰棱镜来检测; ②保证让光垂直通过石英旋光片。本实验通过让指示光是否能原路返回来判断光是否垂直通过。 指示光从1 m远入射并经旋光片表面反射返回, 由于人为判断的误差致使返回光点和光源之间距离可控制在5 mm的范围内, 即入射角度的误差可以控制在5 mrad范围内, 由此带来的测量误差可以忽略。
3实验结果和分析
对于小角度 ( 5°) 取样实验, 若多次使用光楔取样以满足大倍率衰减的需要 ( 比如4次取样) , 则此时进入CCD中取样光的退偏比为
即取样光会发生退偏, 这种测量光路虽然满足大倍率衰减的要求但是会带来较大误差。对于图2 ( b) 所示的实验, 若不加入90°石英旋光片, 则经过光楔4次取样后进入CCD的取样光中P分量和S分量的强度如下 ( 假设每个光楔对入射光中相应偏振成分的反射率分别相等并忽略吸收等因素对光强的影响)
(CP:cuneiform prism;L:Lens;QR:90°quartz rotator)
Rp和Rs分别是P分量和S分量的强度反射率。 由于是多次大角度 ( 本实验是45°) 取样, 此时, 不同偏振成分的光强反射率之比为Rs/ Rp= 12. 53, 所以有
故经过光楔4次取样后, 取样光会发生严重退偏, 此时取样光主要包含S分量即激光器的退偏成分。测量结果见3 ( b) 所示, 由于本激光器的8支泵浦氙灯沿钕玻璃棒四周成正八边形放置, 此时钕玻璃棒中的区域越靠近氙灯, 其受热效应的影响越严重, 退偏成分越多, 所以CCD上显示的结果是大致在和氙灯相对应的位置出现强区: 对于大角度取样, 若不使用90°石英旋光片, 则不能真实地测量出光束近场质量。
90°石英旋光片利用旋光效应改变入射光的偏振态, 即光束经过90°石英旋光片作用后, P分量和S分量的偏振态会互换。若在两个光楔之间加入90°石英旋光片, 进入CCD的取样光中P分量和S分量的强度如下
进入CCD的取样光没有发生退偏即 ρsam= ρ。测量结果如图3 ( c) 所示, 由于激光器采取了相应的措施, 相对于激光器输出的主要偏振成分, 退偏成分占的比例不是很大, 所以图3 ( c) 虽然含有退偏成分, 但是不会出现与图3 ( b) 类似的强区分布。图3 ( b) 中的灰度值相对于图3 ( c) 较大的原因是在充分利用CCD光学动态范围时, 选用的小倍率中性衰减片的衰减倍数较小造成的。
对于小角度取样方法和本文新提出的“大角度成对使用光楔并利用90°石英旋光片”的测量方法, 导致两者测量结果出现精度差异的可能因素有: ① 图2 ( b) 中两个透镜L1和L2没有相对于光楔CP1处在共轭的位置上。经过SG99光传输软件［8］计算, 光斑直径为60 mm的16阶超高斯光束在2 m的传输距离范围内, 光束的近场质量不会发生变化, 实验中两个透镜L1和L2相对于光楔CP1的距离差控制在2 m范围内, 所以这种放置不会影响测量结果的精度; ②多次使用光楔以较大角度取样引起的测量误差, 本实验中光楔的反射率和90°石英旋光片的透射率经过测试, 二者的不均匀性不会对测量结果产生影响; ③在实验中, 严格控制影响实验结果的前述两个关键点; ④CCD的响应不均匀性和非线性对于各种测量方法都是一致的, 故该因素不会影响大角度取样测量的精度。所以, “大角度成对使用光楔并利用90°石英旋光片”测量方法的测量精度不会低于小角度取样测量方法。需要注意的是, 无论怎样减小取样角度, 光楔对P分量和S分量的光强反射率都不会完全相等, 所以小角度取样方法从实验原理上就存在一定的测量误差, 而“大角度成对使用光楔并利用90°石英旋光片”测量方法解决了该问题。
对于上述两种不同的测量光路, 在不改变其他参数的情况下, 进行20发次对比测试, 发现“大角度成对使用光楔并利用90°石英旋光片”的测量结果和小角度取样的测量结果差异不明显, 即该方法能真实地测得光束近场质量。图3是上述对比测试的一组典型结果。
4结论
本文对比分析了光楔在小角度和大角度使用情况下对聚焦光束进行光束近场质量的测量的差异, 通过实验验证得到以下结论: ①为保证取样光不发生退偏, 必须使光束以小角度入射 ( 不大于10°) ; ② 本实验提出“大角度成对使用光楔并利用90°石英旋光片”测量方法, 实验证实该方法可以真实地测量出光束近场质量, 这种测量方法对光束近场质量尤其是聚焦光束近场质量的准确测量具有参考价值。
参考文献
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