Филамент, образованный путём отражения излучения от парабалической линзы.


Исследователи из университета ИТМО собрали установку, которая с фемтосекундной скоростью снимает голограммы с мельчайших объектов – например, живых клеток (поясним: 1 фемтосекунда = 10−15 секунд). Новая камера воссоздаёт рельеф изучаемого образца по искажению лазерного импульса, прошедшего сквозь него, и способна визуализировать даже прозрачные биоструктуры без введения в них контрастных веществ, с чем не справляются электронные микроскопы, сообщается в пресс-релизе.

Каждую секунду в живых клетках происходит до ста миллиардов биохимических реакций и физических процессов. Их регистрация требует высокого временного разрешения. Чтобы заснять настолько быстрые превращения нужны очень точные и не менее быстрые устройства. Биологическую ткань можно изучать с помощью электронного микроскопа, но для этого понадобится ввести в неё специальный краситель. Он сделает клетки контрастными, хотя может повлиять на их метаболизм. Цифровые голографические микроскопы лишены этого недостатка, но обладают малым пространственным разрешением.

Новая установка, собранная в Университете ИТМО, способна вести съёмку быстропротекающих процессов в прозрачных образцах и позволяет увеличивать разрешение снимков в широких пределах. Прибор записывает фазовые деформации сверхкоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов, возникающие, когда свет проходит сквозь исследуемый объект. Фазовые изображения, или голограммы, помогут исследовать клетки, чтобы лучше понимать механизмы аутоиммунных, онкологических, нейродегенеративных заболеваний, а также отслеживать эффективность противораковой терапии.


"Наша установка позволит проследить за тем, что происходит внутри живой клетки, с временным разрешением порядка 50 фемтосекунд – этого достаточно, чтобы заснять большинство биохимических реакций. Теоретически такая камера способна запечатлеть даже переход электрона на другую орбиту. Но главное, теперь мы можем изучать жизнедеятельность клеток не пассивно, а инициируя в них определённые процессы. Например, нагревая или перемещая вирусы, отдельные клетки и их структуры в пространстве с помощью фемтосекундных импульсов. Прибор также поможет отслеживать состояние клеток при изменении кислотности среды, внесении и редактировании генетического материала", – комментирует разработку ведущий автор статьи Арсений Чипегин.


Для анализа объекта фемтосекундный лазерный пучок расщепляют на три луча. Первый содержит 95% энергии и запускает процесс, который диагностируется двумя другими. Второй луч, называемый объектным, проходит сквозь исследуемый образец. Третий, опорный пучок, отклонённый зеркалами, огибает предмет. За образцом объектный и опорный лучи снова встречаются и формируют интерференционную картину из ярких полос, возникших там, где гребни световых волн наложились и усилили друг друга.

Регулируя положение зеркал, ученые задерживают опорный пучок, заставляя его встретиться с объектным в разное время – так опорный пучок сканирует луч, прошедший через образец. Столкновения пучков записываются на субголограммах, которые объединяются в одно изображение компьютерным алгоритмом, отличающимся простотой и быстродействием.

В качестве опытного объекта исследователи использовали искру (филамент), высеченную мощным лазерным импульсом из воздуха, а также специальное стекло с субмикронными включениями. В обоих случаях физики смогли получить снимки с высоким пространственным и временным разрешением.

Новое устройство снимает один из важнейших вопросов цифровой голографической микроскопии, связанный с повышением разрешающей способности системы ещё на стадии записи голограммы.


"Технически мы можем увеличивать изображения исследуемых объектов в десятки раз, устанавливая увеличительные системы между объектом и камерой. Это не просто повышает разрешение – растёт точность измерений, поскольку интерференционные полосы визуально становятся тоньше на фоне образца. Таким образом, можно точнее вычислить разность фаз объектного и опорного пучков", – говорит Николай Петров, руководитель лаборатории цифровой и изобразительной голографии Университета ИТМО.


Как сообщают учёные, исследования продолжатся, поскольку разработанная система устроена проще, чем многие современные микроскопы, но имеет ряд преимуществ в быстродействии и обработке голограмм.

Работа российских физиков опубликована в журнале Applied Physics Letters.

Кстати, ранее учёные нашли способ создания движущихся голограмм с помощью закрученных в спираль полупроводников.