بخشی از مقاله
چکیده -
میکروسکوپهای تداخلی روشهای موثری برای مطالعهی فازی نمونههای میکرونی و زیرمیکرونی از جمله نمونههای زیستی به شمار میروند. در میان روشهای مختلف تداخلسنجی، میکروسکوپی تمامنگاری دیجیتالی از اهمیت ویژهای برخوردار است زیرا با استفاده از آن میتوان به مطالعهی دینامیکی نمونههای در حال حرکت پرداخت. از آنجاییکه بررسی افت و خیزهای سلولی نیاز به استفاده از روشهایی با پایداری بالا و اختلاف راه نوری کم دارد، اخیراً استفاده از چیدمانهای هممسیر متداول شده است.
در این مقاله به معرفی چیدمانی ساده، کارا و مقاوم در برابر ارتعاشات مکانیکی و اپتیکی بر پایهی تداخلسنجی دو منشور فرنل پرداختهایم. به علت اختلاف راه نوری بسیار کم میان دو موج تداخلکننده از یک لیزر دیودی با طول همدوسی کم به عنوان منبع استفاده شد. با استفاده از تحلیل فریزهای تداخلی اطلاعات مربوط به دامنه و فاز نمونهی مورد آزمایش قابل بازیابی است. تغییرات راه نوری بر حسب زمان با استفاده از این چیدمان بررسی شد و نتایج آن با چیدمان متداول تمامنگاری دیجیتالی بر پایهی تداخلسنج ماخ- زندر مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج نشاندهندهی بازدهی بالای چیدمان مورد استفاده و دقت نانومتری آن در مطالعهی تغییرات مورفولوژیکی نمونههای زیستی است.
-1 مقدمه
تصویرگیری کمی از نمونههای میکرونی شفاف کاربردهای گستردهای در پزشکی و زیستشناسی دارد و یکی از چالش های میکروسکوپهای نوری به شمار میرود. برای مطالعهی فازی نمونههای زیستی که در ناحیهی مرئی میدان الکترومغناطیسی شفاف هستند از تکنیکهای تباین فازی مانند روشهای تداخلسنجی استفاده میشود. در میان روشهای تداخلسنجی، تکنیک تمامنگاری دیجیتالی ابزاری قدرتمند برای مطالعهی تغییرات ضخامت و ضریب شکست نمونهها به حساب میآید. با این روش میتوان از نمونههای میکرونی به صورت غیرمخرب تمامنگاشت تهیه کرد و بازسازی تمامنگاشتها را به صورت عددی انجام داد. تکنیکهای مختلفی برای محاسبهی عددی میدان پراش وجود دارد. در این مقاله از روش انتشار طیف زاویهای استفاده شده است
چیدمانهای متداول تمامنگاری دیجیتالیمعمولاً بر پایهی تداخلسنجهای ماخ- زندر هستند که در آن از یک بازوی مرجع علاوه بر بازوی شیء استفاده میشود که قطعات اپتیکی بسیاری در آن استفاده شده است. این قطعات اپتیکی اضافی منجر به مخدوش شدن تمامنگاشت، ایجاد نوفه و حساسیت بالای فریزهای تداخلی نسبت به ارتعاشات محیطی میشود. از طرفی به علت استفاده از دو باریکهشکن در چیدمان و اختلاف راه نوری زیاد در دو بازوی تداخلسنج لازم است از چشمهی نور با همدوسی و توان بالا مخصوصاً در نمونه هایی که عبور کمی دارند، استفاده شود.
در سال های اخیر برای رفع این مشکل تمایل به استفاده از چیدمان های هممسیر افزایش یافته است که از جملهی آنها میتوان به چیدمانهای چینشی [2,3]، دو آینه لوید [4]، و ساگناک [5,6] اشاره کرد.
در این مقاله یک چیدمان تمامنگاری هم مسیر و ساده بر پایهی استفاده از دومنشور فرنل در مسیر یک میکروسکوپ نوری باز، معرفی شده است. چیدمان مورد استفاده بسیار ساده، ارزان و به علت کوچک بودن برای اندازه گیریهای آنلاین مناسب است.فریزهای تداخلی دارای نمایانی بسیار خوبی هستند و اختلاف راه نوری نزدیک به صفر میان دو موج تداخل کننده نیاز به استفاده از منبع نور با همدوسی زمانی بالا را از بین میبرد.
استحکام بالای چیدمان و حساسیت پایین آن نسبت به ارتعاشات محیطی باعث میشود بتوان از این چیدمان برای اندازهگیری افت و خیزهای نانومتری غشاء سلولهای زنده استفاده کرد. تنها مشکلی که در استفاده از چیدمانهای هممسیر بر پایهی تداخلسنجهای چینشی وجود دارد این است که اطلاعات شیء در هر دو بازوی تداخلسنج وجود دارد و برای تصویرگیری از نمونههایی با غلظت بالا این اطلاعات باید از یکی از بازوها حذف گردند. چنین مشکلی در تصویرگیری از نمونههای رقیق ایجاد نمیشود.
-2 تئوری
دومنشور فرنل منشوری است که از اتصال دو منشور با زاویه رأس کوچک ساخته میشود. اگر یک جبهه موج استوانه ای s به دومنشور برخورد کند بخش بالایی جبهه موج به سمت پایین و بخش پایینی آن به سمت بالا شکسته میشود و در ناحیهی برهمنهی دو جبهه موج که در واقع از یک جبهه موج تشکیل شدهاند، فریزهای تداخلی تشکیل می شوند. میتوان گفت فریزهای تداخلی حاصل برهم نهی دو منبع فرضی s1 و s2 است که در فاصلهی d نسبت به هم قرار دارند. فاصلهی جدایی دو منبع به زاویه رآس منشور وابسته است.
در این رابطه L فاصله ی s1 و s2 از صفحه ی مشاهده و طول موج نور فرودی است . شکل 1 تشکیل فریزهای تداخلی در دومنشور فرنل را نشان میدهد.
شکل :1 هندسهی تشکیل فریزهای تداخلی در دومنشور فرنل.
شکل :2 چیدمان آزمایش. C چگانده، MO عدسی شیئی میکروسکوپ، S نمونه، و FB دومنشور فرنل هستند.
-3 چیدمان و روش انجام آزمایش
شکل 2 چیدمان آزمایش را نشان میدهد. از یک لیزر دیودی با طول موج 605 نانومتر به عنوان منبع استفاده شد که طول همدوسی زمانی آن با استفاده از تداخلسنج مایکلسون 4 میلیمتر اندازهگیری شد. نور لیزر پس از عبور از عدسی چگالنده - C - ، نمونه - S - و عدسی شیئ میکروسکوپ MO - ، 40 X با گشودگی عددی - 0,65 به دومنشور فرنل برخورد میکند و فریزهای تداخلی بهوسیلهی یک دوربین BFLY-U3-23S6M-C - CMOS با اندازه پیکسل 5,86 میکرومتر - ثبت میشوند.
در این تکنیک از موج مرجع جداگانه استفاده نشده است و هر دو موج مرجع و شیئی در واقع از یک جبهه موج با راه نوری یکسان تشکیل شدهاند با این وجود به علت زاویهی میان دو جبهه موج تداخلکننده هندسهی تمامنگاری برپایهی تمامنگاری خارج محوری است. مشکل عمدهی تداخلسنجهای چینشی این است که زاویهی میان دو بازوی تداخل سنج قابل تنظیم نیست
یکی از مزیت های این چیدمان در مقایسه با چیدمانهای چینشی امکان تغییر فرکانس فضایی فریزها با جابهجایی مکان دومنشور در راستای محور نوری است که در نمونهبرداری حائز اهمیت است. همچنین برای جداسازی زاویهای بهتر پراشهای مرتبهی 1 و -1 از پراش مرتبه صفر - شدت یکنواخت - با چرخاندن دومنشور حول محور اپتیکی میتوان فریزهای مورب با زاویهی دلخواه تشکیل داد.
شکل 3 تصاویری از تداخل نگاشتهای ثبت شده در فواصل مختلف دومنشور
شکل :3 تمام نگاشتهای ثبت شده در فواصل متفاوت دومنشور نسبت به دوربین، a=8 cm - a - ، a - b - به ازای چرخش 25 درجه دومنشور حول محور z، a=12cm - c - ، .a=16 cm - d - نسبت به دوربین نشان میدهد. یک لایهی نازک از گلبول-های قرمز خون - RBC - آغشته در پلاسما به عنوان نمونه مورد استفاده قرار گرفت. شکل 4 - a - تمامنگاشت ثبت شده از RBC و شکل 4 - b - طیف فوریهی 4 - a - را نشان میدهد. با استفاده از یک فیلتر مستطیلی در فضای فوریه یکی از مرتبههای پراش انتخاب شده است . با ثبت نمایهی فازی در غیاب نمونه و محاسبه ی اختلاف فاز - - اطلاعات از فاز نمونه بدست میآید. شکلهای 4 - c - و 4 - d - شدت و فاز بازسازی شدهی RBC را نشان میدهند.
شکل :4 بازسازی عددی تمامنگاشت. - a - تمامنگاشت ثبت شده از RBC، - b - طیف فوریهی - a - ، و - c - و - d - به ترتیب شدت و فاز بازسازی شده میباشند.
