Учёные из Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО создали сверхбыструю голографическую цифровую камеру.



Учёные из Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО создали сверхбыструю голографическую цифровую камеру.

Учёные из лаборатории Цифровой и изобразительной голографии Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО собрали установку, которая с фемтосекундной скоростью регистрирует голограммы с мельчайших объектов – например, живых клеток. Новая камера воссоздает рельеф изучаемого образца по искажению лазерного импульса, прошедшего сквозь него, и способна визуализировать даже прозрачные биоструктуры без введения в них контрастных веществ. Работа опубликована в журнале Applied Physics Letters.

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. Прозрачные биологические ткани можно изучать с помощью микроскопа, но для этого понадобится ввести в них 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 лаборатории Цифровой и изобразительной голографии, способна вести съемку быстропротекающих процессов в прозрачных образцах и позволяет увеличивать разрешение снимков в широких пределах. Прибор записывает фазовые деформации сверхкоротких, или фемтосекундных, лазерных импульсов, возникающие, когда свет проходит сквозь исследуемый объект. Это, помогает 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 определенные 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 Арсений Чипегин, ведущий автор статьи, аспирант кафедры Фотоники и оптоинформатики и научный сотрудник лаборатории Цифровой и изобразительной голографии Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО.

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, отклоненный 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 еще 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 – растет 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 Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО.