Эллипсометрическое исследование оптических свойств роговицы глаза

Щёлоков, Роман Викторович

Эллипсометрическое исследование оптических свойств роговицы глаза тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Щёлоков, Роман Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Волгоград МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Эллипсометрическое исследование оптических свойств роговицы глаза»

Автореферат диссертации на тему "Эллипсометрическое исследование оптических свойств роговицы глаза"

На правах рукописи

ЩЁЛОКОВ Роман Викторович

ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РОГОВИЦЫ ГЛАЗА

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Волгоград-2006

Работа выполнена на кафедре лазерной физики Волгоградского государственного университета.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Яцышен В.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Нефедов Е.И.

доктор технических наук, профессор Руденок И.П.

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Саратовский

государственный университет»

Защита состоится 3 ноября 2006 года в 14.00, на заседании диссертационного совета К.212.029.03 по специальности 01.04.03 — радиофизика в Волгоградском государственном университете по адресу: 400062, Волгоград, пр. Университетский 100, актовый зал физического факультета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВолГУ. Автореферат разослан_октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

--Затрудина Р. Ш.

к. ф.-м. н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ !

Актуальность темы : .. : V , .

На сегодняшний день современная медицина и биология : в большом объеме используют,новейшие достижения физики. Методы, оптической обработки информации занимают одно из важных мест а развитии медицинской техники и средств для обеспечения медико-. биологических исследований. К , их числу можно Л отнести томографические, спектроскопические, голографические ; и . многие другие способы диагностики и изучения биологических объектов.

Исследования сложных органических структур ведутся либо на макроуровне, когда используются методы,упругого.и квазиупругого рассеяния света, интерферометрии, дифрактометрии и голографии [Л1], либо на микроуровне, когда используются все средства молекулярной, линейной и нелинейной оптики [Л2,ЛЗ].

Значительным звеном в изучении органических и биологических объектов также, является теоретическое исследование воздействия электромагнитного излучения (ЭМИ) на них. Немаловажным моментом здесь является изучение взаимодействия ЭМИ с подобными объектами. В простейшем случае на макроуровне эту проблему можно свести к взаимодействию ЭМИ с комбинациями цилиндров, сфер и эллипсоидов [Л4]. Для более сложных сред требуется решение трудоемкой электродинамической задачи. Такого рода усложнения происходят вследствие того, что традиционные методы исследования для своего развития требуют построения более совершенных моделей тканей, учитывающих неоднородность, рассеяние, оптическую активность и другие их свойства [Л2,Л4]. А это, в свою очередь, делает необходимым совершенствовать методы решения обратных задач. , .Л;

Появление мощного лазерного излучения открыло новые возможности в диагностике и исследовании процессов, проходящих в, биотканях, и как следствие, породило множество вопросов в области нелинейного взаимодействия. Возникла необходимость более подробно исследовать взаимодействие мощного ЭМИ с органическими средами и построение более точных моделей их отклика. ,

Совершенствование. компьютерной техники и теоретического моделирования биологических тканей и процессов потянуло за собой развитие методов измерения (повышение чувствительности, точности и локальности измерений и расширение возможностей их проведения).

3 1

На этом фоне широкое распространение получил метод эллипсометрии [Л5]. Сущность его заключается в исследовании изменения состояния поляризации ЭМИ в результате его отражения или прохождения через изучаемый образец. Препятствием для эллипсометрии долгое время служили сложность и громоздкость математической обработки результатов. Развитие вычислительной техники дало возможность использовать эллипсометрию во многих областях (биология, медицина, химия, электроника и т.д.). Наряду с незначительными трудностями в интерпретации результатов эллипсометрический метод имеет ряд очень важных преимуществ.

Во-первых, очень высокая чувствительность к малейшим изменениям поляризации, что, в свою очередь, дает возможность определять незначительные флуктуации параметров в изучаемом образце. ВО-вторых, это неразрушающий и невозмущающий характер эллипсометрических измерений, что делает их привлекательными для in situ и in vitro измерений. В-третьих, эллипсометрические измерения могут проводиться при большой вариации температур и давлений. В-четвертых, возможность использования эллипсометрии в сочетании со многими методами линейной и нелинейной оптики. ,. •

Подводя итог выше изложенного, можно сказать, что среди многих методов диагностики и исследования биологических и органических сред одним из наиболее перспективных является эллипсометрия. Она, в свою очередь, требует развития оптических моделей исследуемых объектов и процессов, отвечающих требованиям более простого решения обратной задачи. Возможность сочетания эллипсометрии и линейной и нелинейной оптики ставит перед нами проблему интерпретации данного эксперимента и открывает широкий потенциал для выявления новых закономерностей , и расширения спектра, использования эллипсометрии, чем и обусловлена актуальность темы.

Цель диссертационной работы

Построение оптических моделей линейной и нелинейной эллипсометрии многослойных рассеивающих сред типа роговицы глаза для проведения экспресс диагностики такого объекта.

Научная новизна работы

преломления для отдельных.,, ее, слоев. ,и, комплексный

. .. показатель преломления выделений из пораженной герпесом

,2. Впервые получены , отражательные ^ . э лл и псом етр ее к и е параметры многослойной среды т,ипа ррго.вица глаза для ... различных концентраций твердой фазы в отдельных ее слоях и для случая поверхностного герпетического.поражения.

3. Впервые рассчнтаны пропускательные эллипсометрические параметры у и Д с учетом оптического . ; вращения для органического соединения типа, коллаген.",'' Г ;ТГ

4. Впервые рассчитаны спектры,, Н11ВО. для. случая поверхностного герпетическогопоражения., роговицы при различных концентрациях вируса. _

Впервые,.рассчитаны эллипсометрические параметры для случая нелинейного, взаимодействия ЭМИ с органическими

. „ соединениями типа коллагена.

Достоверность результатов

Достоверность основывается на строгих теоретических

моделях , взаимодействия электромагнитных волн с веществом.

Достоверность полученных результатов .также обусловлена

использованием, проверенных методов измерения м обработки

экспериментальных данных, которые находят согласие с результатами, полученными другими авторами.

Практическая значимость работы

Полученные в диссертации результаты могут: - составить базу для разработки оптических установок экспресс диагностики роговицы глаза и органических объектов;

быть использованы :для моделирования линейных и нелинейных оптических характеристик органических соединений типа коллагена, образующего.значительную часть других живых тканей.

. ... Основные положения, выносимые на защиту

1. Предложенная оптическая модель роговицы глаза, ...... представляющая собой трехслойную систему с, заданными

эффективными комплексными показателями преломления, адаптирована для задач эллипсометрии.

2. Развит метод НПВО для диагностики поверхностных герпетических поражений.

3. Оптическая модель органических соединений типа коллагена с учетом пространственной дисперсии (в линейном по волновому вектору приближении) для расчетов эллипсометрических параметров у и Д.

4. Предложенная нелинейная эллипсометрическая модель органического соединения типа коллагена позволяет учитывать межмолекулярные взаимодействия в ангармоническом приближении.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на I международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 2001 г.); X международной школе семинаре "Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот" (Москва, 2002 г.); VII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2002 г.); VII региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2002 г.); международной конференции "Saratov fall meeting" (Саратов, 2003 г.); междисциплинарной (медицина, биология, физика, радиоэлектроника, химия, математика, информатика, педагогика..,) конференции с международным участием "Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека" ("НБИТТ-21") (Петрозаводск, 2003 г.); VIII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2003 г.); II международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 2003 г.); IX межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2004 г.); III международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Волгоград, 2004 г.); конференции " Лазеры. Измерения. Информация." (Санкт-Петербург, 2004 г.); конференции "Лазеры для медицины, биологии и экологии" (Санкт-Петербург, 2005 г.); X региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2005 г.); конференции "Лазеры для медицины, биологии и экологии" (Санкт-Петербург, 2006 г.).

Публикации

г По теме диссертации опубликовано 20 работ (2 статьи в рецензируемых журналах» 2 статьи в международных научных сборниках, 13 статей » сборниках тезисов докладов международных и общероссийских конференций и 3 статьи в;сборниках тезисов докладов региональных конференций)/ ,

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит- из введения, 4 глав^: заключения, 3 приложений и списка литературы из 115 наименований, иллюстрирована 129 рисунками. Общий объем диссертации составляет 177 страниц текста, включая приложения. ;

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, ее новизна и практическая значимость, сформулирована цель работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены различные подходы по решению прямых и обратных задач эллипсометрии. Рассмотрено множество методов по исследованию жидких кристаллов и биологических объектов, например, метод иммерсионной пропускательной эллипсометрии, который позволяет определять с высокой точностью трехмерные индикатрисы показателя преломления тонких анизотропных пленок [Л6]. Так же здесь представлена историческая ремарка развития эллипсометрии как метода исследования в биомедицине [Л7].

Во второй части рассматриваются работы по исследованию сложных молекулярных комплексов методами комбинационного рассеяния, по расчетам оптической активности КР с использованием теории самосогласованного поля. Так же здесь рассматриваются работы по исследованию поляризационных особенностей генерации второй гармоники [Л8].

Во второй главе рассмотрено строение роговицы и с учетом ее; особенностей; построена адекватная модель, позволяющая использовать её для задач эллипсометрии [1 — 8, 14], в частности, для определения концентрации форменных элементов роговицы. Модель представляет собой трехслойную систему (рис. 1), эффективный показатель преломления описывается выражением (1) для первого и третьего слоя, которые имеют клеточную структуру, и (2) для второго

слоя, который состоит из коллагеновых фибрилл, расположенных в

Рис. 1. Модель роговицы глаза Ьь Ьг, Ьз - толщины слоев, <14 - диаметр вирионов герпеса.

1.Передний эпителий

2. Боуменова оболочка и строма

3. Десцеметова оболочка и эндотелий

4. Вирионы герпеса

5. Влага передней камеры глаза

(О

¿г- (2)

где £{ и £2- диэлектрические проницаемости жидкой и твердой фазы соответственно, а с- объемная концентрация твердой фазы.

На основе эксперимента определены значения эффективного показателя преломления для Л = 0,630 мкм [3, 14: Первый слой - й = 1,370 + /• 9,01 ■ 1 О*5 Второй слой - й = 1,366 +/ 4,77-10*5 Третий слой - Й = 1,684 + / 2,67-10'5

С учетом этих результатов были рассчитаны эллипсометр1Р1еские параметры для различных условий, таких как изменение концентрации эпителиальных клеток и коллагеновых волокон (рис. 2, 3) [4,5,7,8,14]. Данные изменения роговицы выбраны неслучайно, они характеризуют различные виды ее дистрофий.

Из полученных результатов (рис. 2-3) видно, что эллипсометрический метод обладает высокой чувствительностью к малейшим флуктуациям оптических параметров (ограничения накладываются возможностью эллипсометра), что является очень важным при диагностике состояния роговицы глаза. В свою очередь . V скорость снятия одного измерения может достигать микросекунд, что позволяет с помощью этого метода проследить динамику изменения -и-оптических параметров представленной модели.

базовом веществе [Л9].

с! = 100 ни

Ь1 = 40 мкм

И2= 514 мкм

"1-

■2-

--3 \ Ь » 18. мкм

/3(£2 -£\)£х у £г + 2е1

—— в норме .. 11 "в норче ••':' 11-; Г. *! *: т.;.

,40- ........... уменьшение коллагена на I % —— уменьшение эмдотелкальных клеток на 10% 30 '-'Г*^у^НЫЦеНИечКОЛМДТН* На 1% ■ —ь—уменьшение эндотслиальных плеток на ) 0% ■

; 30 3 .... я 120 ■ &

Г 20. «¿1 . тЙ 1 1 / /' :

ею- 10 ■ п 1/ 4

л п .

67 68 69 70 71 72 67 ее. 69- 70 " 71 71

9 грдзусы {^.градусы , . - , . ^

Рис.2. Зависимость Рис.3Зависимость ;

эллипсометрического угла у от эллипсометрического угла Д от

угла падения (Х=0563 мкм) при угла падения (Х=0,63 мкм) при ';

различных изменениях роговицы. различных изменениях роговицы.

Вместе с этим был рассмотрен случай герпетического поверхностного (эпителиального) поражения роговицы глаза (рисЛ). Эффективный показатель преломления с учетом вируса рассчитывался выражением (1) [12, 15].

На основе эксперимента были получены оптические параметры выделений, содержащих вирионы из пораженной герпесом ткани (для X = 0.63 мкм гц = 1,415 + /-3.54-10"3) [12, 15]. С использованием полученных параметров рассчитаны зависимости эллипсометрических углов от угла падения и от концентрации вируса в ткани (рис.4 — 5). Из угловой зависимости установлено, что наиболее удобной областью углов падения для диагностики является 67° - 72° [12, 15].

3 25

& 20

§ '15

э- 10

О 10 20

30 40 50 60 с. %

70 80

Рис.4. Зависимость эллипсометрического угла от концентрации вируса ткани (X—0,630 мкм) при разных углах падения.

-60* 50-

-64* 40-

74* 'з

-81* 30-

20-

10-

О 10 20 30 40 50 60 70 80 с,% .

Рис.5. Зависимость эллипсометрического угла Д от концентрации вируса в ткани (Х=0,630 мкм) при разных углах падения. '

Можно довольно точно определить стадию заболевания, сравнивая значения для нескольких углов (рис.4~5). Одновременно эллипсометрия позволяет проследить динамику заболевания, что облегчает выбор метода лечения.

В ' третьей главе рассмотрено строение и биологическое значение органических соединений типа коллагена. Рассчитана зависимость силы осциллятора от длины волны в приближении кластерной модели [Л10] как для отдельных аминокислот, так и для часто встречающихся триплетов тропоколлагена первого типа и поперечной сшивки, образованной из остатков лизина [ 18]. Установлено, что наибольший вклад в оптические характеристики желатина дают Ala, Arg, Asp, Glu, Gly, Hyp и Pro. Также рассмотрена оптическая активность и установлено, что наибольший вклад в оптическое вращение в видимой области дает пролин, а в УФ - аланин и глутаминовая кислота.

Для удельного оптического вращения используем [Л11]:

7200^ ¿у2 . '"

с M

где Na - число Авогадро; а> ~ частота падающего излучения; с -концентрация; M - молекулярная масса; ß - вращательная поляризуемость. Вращательная поляризуемость равна [Л 12]

ß = _--(4)

ЗЙ ff — ú)2 + iû)Tm

В общем случае вращательная поляризуемость является тензором, а для изотропного однородного вещества ß~ 1/ЗТг[Д,] [Л11].

Для желатина с выше предложенным аминокислотным составом в отсутствие поперечных связей удельное вращение, рассчитанное по зависимости (3) в случае однородности и изотропности составило ао(530нм)=-5,0290 [град/см], <xd(1060hm)=1,3288 [град/см]. Можно учитывать и влияние поперечной сшивки, для нее удельное вращение равно C£D(530hm)=- 1,5296 [град/см], ао(1060нм)= -0,3859 [град/см]. Для поляризуемости поглощающей среды используем [Л 12]:

о-=—У_^__(5~)

где Dm =|<0|р|Ы>|2 - сила диполя. .

В обшем случае поляризуемость является тензором. Для однородной изотропной среды а=1/ЗТг[сту]. Были произведены расчеты диагональных элементов тензора поляризуемости аминокислот желатина (таб.1) в приближении кластерной модели [Л10]

с помощью программы GAUSSIAN 03W version <6.0. для базиса STO 6G •

Таб. 1

Аминокислота ахх, Бор3 (1060нм/530нм) (Хуу, Бор3 (1060нм/530нм) огда Бор3 (1060нм/530нм)

А1а 25,9210/ "26,2942 15,1198/ 15,2894 20,9191/ 21,0971

Arg 51,3189/ 51,9854 51,4159/ 52,0222 34,4218/ . 34,7765

А$р 23,0344/ 23,3928 29,8637/ 30,3277 27,1344/ 27,4659

28,1754/ 28,5624 34,4306/ 34,9845 33,1618/ 33,5145

С1у 20,8765/ 21,1935 15,3954/ 15,5335 9,97551/ 10,0820

Нур 44,6108/ 45,2937 28,0156/ 28,3082 30,7303/ 31,0067

Рго 37,2337/ . 38,0979 32,8994/ 33,3730 23,4051/ 23,7147

сшивка 87,2522/ 88,4695 83,8749/ 84,8114 _ 68,4942/ 69,0497

Далее в приближении кластерной модели [Л 10] был рассчитан показатель преломления для предложенной модели желатины («(1060 1гм) = 1,2292, «(530 нм) = 1,2325).

По этим данным рассчитаны пропускательные эллипсометрические зависимости для системы стекло-желатин-стекло с учетом оптической активности (рис.б-7), по которым видно, насколько сильно она влияет, особенно при больших углах._

& га

е-

so 80706050: 403020 10

■А=1060 нм >.=530 нм

.87

88 в,градусы

Рис.6. Зависимость эллипсометрического угла у угла падения 9._'

ОТ

Х=1060 нм 1*530 ни

Рис.7. Зависимость эллипсометрического угла А угла падения 8.______

от

.Можно сказать, что при эллипсометрической диагностике сложных органических и биологических сред необходимо учитывать влияние пространственной дисперсии на окончательный результат. ,

Так же в данной главе рассмотрен эксперимент по определению эллипсометрических параметров оптической системы с пищевым желатином (стекло^^ 1. мм)-желатин(1 мм)-стекло(с!ст= I мм)) [19, 20]. Измерения проводились при углах падения <9-10°, 20°, 30° в спектральном диапазоне от 300 нм до 700 дм.

" 70 60 ' 50 2 -«Н

|эо ^ 20 - 10-

: 1 * 20*

'ЧНИ^]'....-« теория 10*

| х

\ :с теория20° 1 * теория 30°

300

.400

500

1, Н|1

600

700

Рис. 8. Зависимость эллилсометрического угла у от длины волны X.

160; 140: ' 120: 3 1005 80 % 60 40 20^

.**-. .-**■. 20" ......4 30.

" • "*-. -п.

, *. о теория 10

теория 20" * теория 30*

300

400

500 600 нм

700

Рис. 9. Зависимость эллипсометрического угла Д от длины волны X.

,, ^ , Теоретические значения эллипсометрического угла V находятся в пределах погрешности для 20° и 30°, а,для 10° отличается на 9,54° (рис.,8). Что касается .¡значений эллицсометрического угла Д, то различия между теорией и экспериментом составляют более 117° (рис. 9). Такие различия эллипсометрических параметров (рис. 8 — 9), обусловлено тем, , что , при . вычислениях использовалась "Идеализированная модель желатина с определенным набором аминокислот, в то время как в реальном пищевом желатине могут встречаться'отдельные фракции эластина. Целью в данной части работы являлась разработка экспериментальной установки, адаптированной для измерений эллипсометрических параметров органических соединений [19, 20].

В четвертой главе рассмотрено совместное использование метода НПВО и эллипсометрии при диагностике поверхностных герпетических поражений [11,13,17].

Получена зависимость энергетического коэффициента отражения для р - и $ - поляризации от концентрации вируса в ткани (рис.10). Чтобы добиться максимальной чувствительности, необходимо, чтобы угол падения был равен углу полного внутреннего

отражения. Эллипсометрическим углом у будет являться величина ага^ЧНр). Этот метод позволяет проводить диагностику поверхностного слоя, не затрагивая более глубокие слои.

41 0.6-

р.» '

Рис. 10. Зависимость

энергетических коэффициентов отражения

от концентрации

вирионов герпеса с.

Также были рассмотрены спектры комбинационного рассеяния и спектры силы оптического вращения для линий КР [10, 16). В области от 500 - 1500 см'1 доминируют полосы Pro, в области 1961,3 см*1 доминирует полоса Glu и в области 3500 - 4500 см"1 доминирует His. Оказалось, что наибольший вклад в спектры КР дают His и Glu, а в оптическое вращение - Pro, причем сила вращения меньше на один ~ два порядка, чем при линейном рассмотрении.

В последней части диссертации рассмотрена генерация второй гармоники при отражении от полубес конечного слоя желатина.

Нелинейные восприимчивости для желатина в приближении кластерной модели были рассчитаны с использованием программы GAUSSIAN 03W version 6.0. для базиса STO-6G. Для изотропной однородной среды ненулевыми элементами тензора восприимчивости являются X*yz=Xyzx~Xzxyb для которых получились следующие значения (Х=1060 нм): Хху&Ъ) = XyzxQJ2) = ^К>,(ЛУ2) = 1,0475-Ю-13 [см/В]. Видно, что нелинейность очень мала, и поэтому требуются большие поля для генерации. Для полей - 105 [В/см] получена зависимость коэффициента передачи от угла падения (рис. 11), максимум которого приходится для s - компоненты эллиптически поляризованного падающего света на угол падения равный 53° с величиной 3,2-10*15.

3.5-,

3,0:

ЛЛ 2.5-

2.0-

1.5

***

0,5|

0,0

~р1 -51

.... р2 •82

.....рЗ

бЗ

10 20 30 40 50 60 70 80 90 0. градусы

Рис. 11. Зависимость коэффициента передачи от угла падения для случаев: р1 - 5 = 0, Ер, ~ 105; б! - 5 = 0, Е$} » 105; р2 - 5 - л/2, Ер1 - 105; э2 - 5 = л/2, Е„ = 103; рЗ -.5 = л/2, ' Ер, 2:105; - 6 = л/2, £<, - 105.

; 90 .1 80 70-€0 50 40 30 20 10 О

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

в, градусы

Рис.12. Зависимость. эллипсом етрич ее кого угла ^ от угла падения 9 для случаев: 1 - 5

= О, ЕР1 = I О5, Е$! = 103; 2 - 5 = л/2, Ер, = 10= 105; 3 - 5 =

п/2, Еп\ = 2-103, Ец! =' 105

' Таким образом^ данная среда обладает малой нелинейностью, : которую можно не учитывать при воздействии больших полей, так. как произойдет разрушение белка скорее, чем проявится генерация второй гармоники. Также для данного случая рассмотрены ■' элл ипс ом етр и ч ее к ие зависимости (рис. 12), из которых видно, что форма эллипса поляризации не меняется, а происходит его поворот.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

г - V-- ;; 1. Предложена оптическая' модель роговицы . глаза, '.представляющую собой трехслойную систему с экспериментально ■ определенными оптическими параметрами отдельных ее компонентов ! (комплексные показатели преломления твердой фазы роговицы, эффективные комплексные показатели преломления для отдельных ее слоев).. С использованием этой модели и полученных оптических параметров ■ ■ роговицы, впервые получены отражательные эллипсометрические параметры многослойной рассеивающей среды -роговицы глаза для различных концентраций твердой фазы в отдельных ее слоях.

2. На основании эксперимента были впервые получены оптические параметры выделений из пораженной герпесом ткани (эффективный комплексный показатель преломления). По этим

данным рассчитаны эллипсом етрические углы для случая поверхностного герпетического поражения роговицы, из которых видно, что наиболее удобной областью углов падения для экспресс диагностики является 67° — 72°.

3. Проведен квантово-механический расчет оптических параметров органических соединений типа коллагена в приближении кластерной модели. Рассчитана сила вращения для аминокислот коллагена, на основании чего рассмотрена оптическая активность для предложенной модели желатина. Установлено, что наибольший вклад в оптическое вращение в видимой области дает пролин. Для желатина впервые в рамках данной модели рассчитаны линейные восприимчивости и показатель преломления, а по ним пропускательные эллипсометрические параметры (у и Д в зависимости от угла падения) с учетом оптической активности, из которых следует необходимость учета пространственной дисперсии (в линейном по волновому вектору приближении) для таких объектов,

4. Разработана экспериментальпая установка, адаптированная для измерений эл л и п со м етр ич ее к их параметров органических соединений, и проведен эксперимент по определению элл и п с о метр ич ее ки х параметров желатина. Получены эллипсометрические параметры ц/ и Д в спектральном диапазоне от 400 до 700 нм. Для эллипсометричёского угла у получено хорошее совпадение с теоретическими расчетами.

5. Для случая поверхностного (эпителиального) герпетического поражения роговицы глаза впервые рассчитаны спектры НПВО. Найдено условие максимальной чувствительности данного метода - угол падения должен быть равен углу полного внутреннего отражения.

6. Рассчитана интенсивность линий комбинационного рассеяния света и соответствующие им силы оптического вращения для аминокислот коллагена. Установлено, что наибольший вклад в спектры дают гистидин и глутаминовая кислота, а в оптическое вращение - пролин.

7. Для случая генерации второй гармоники при отражении от полубесконечного слоя желатина впервые рассчитаны нелинейная восприимчивость и эллипсометрические параметры. Установлено, что данная среда обладает малой нелинейностью, которую можно не учитывать при воздействии вплоть до полей - 105 [В/см], а форма эллипса не меняется, происходит лишь его поворот.

Список используемых источников

' Л1. Тучин В. В. Исследование биотканей'методами светорассеяния. // УФН 1997. Т. 167, №5. 517-539.

J12. Тучин В. В! Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов. Изд-во Сарат. Ун-та, 1998.

: ЛЗ. Яковлев А.А. Информационно-статистический подход к анализу результатов натурных спектрофотометрических , измерений. // " Оптич. ж. 2000. 67, № 5. С. 42-46.

Л4. Сидько Ф. Я., Лопатин В. Н., Парамонов Л. Е. Поляризационные характеристики взвесей биологических частиц. Новосибирск. Наука, ! 990.

Л5. ПшениЦин В. И., Абаев М. И., Лызлов Н. Ю. Эллипсометрия в физико-химических исследованиях. Л.: Химия, 1986.

Л6. Jung С. С., Stumpe J. Immersion transmission ellipsometry (ITE): a new method for the precise deterrriination of the 3D indicatrix of thin films // Appl. Phys. - 2005. В 80. - P. 231-238.

Л7. Аззам P. M., Башара H. M. Эллипсометрия и поляризованный свет.

" М. Мир, 1981.-583 с. /;•;

Л8. Танеев Р. А., Чакера Ж. А., Рагурамия М., Шарма А. К., Наик П. А., ГуптаП. Д. Поляризационные характеристики гармоник и

- отраженного излучения при взаимодействий пикосекундных импульсов 100 ГВт с алюминиевыми пленками // Кван. Элект.-

'> 2000.T. 30.№11. -С. 970-974.

Л9. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. -

-" М.: Наука, 1982. Т.8.-621 с.

'Л 10. Эварестов Р.А. Квантовохимические методы в теории твердого тела. Ленинград: ЛГУ, 1982. 280 с.

Л11. MertnUcci В., Tomasi J., Cammi R., Cheeseman J. R., Frisch M. J., " Devlin F. J., Gabriel S., Stephens P. J. Polarizable Continuum Model (PCM) Calculations of Solvent Effects on Optical Rotations of Chiral • Molecules // J. Phys. Chem. A. - 2002. - Vol. 106; N. 25. - P. 6102 -6113.

Л12. Кизель В. А., Бурков В. И. Гиротропия кристаллов. - М.: Наука, 1980.-304 с. - • ; "

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Расчет эллипсометрическйх параметром неоднородных биологических объектов ft Приложение к журналу "Физика волновых процессов и

радиотехнические системы". I Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения, волновых процессов", - Самара. - 2001. т. 2. -134 с. '

Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Эллипсометрический метод диагностики биологических' объектов // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". . I Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов".-Самара.-2001. т. 2.- С. 145- 136. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Пропускательные поляризационные характеристики роговицы глаза // X Международная школа семинар "Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот". Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. - Москва. - 2002. т. 10 (X), вып. 2(34).-241 с.

Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Эллипсометрический метод в диагностике сред со сложной молекулярной структурой (роговица глаза) // X Международная школа семинар "Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот". Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. - Москва. - 2002. т. 10 (X), вып. 2(34). -246 с. Щелоков Р. В. Эллипсометрический метод в диагностике роговицы глаза // VII Межвузовская конференция студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области. Физика и математика. - Волгоград. — 2002. вып. 4. - С. 41-42. Щелоков Р. В. Комплекс программ по расчету свойств роговицы глаза // VII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Тезисы докладов. -Волгоград.-2002.- С. 189-190.

Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Эллипсометрический метод диагностики состояния роговицы глаза // Материалы междисциплинарной (медицина, биология, физика, радиоэлектроника, химия, математика, информатика, педагогика.,.) конференции с международным участием "Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века; для диагностики и лечения-заболеваний человека" ("НБИТТ-21"). - Петрозаводск. - 2003. -С. 9-10. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Определение оптических параметров биологических объектов методами эллипсометрии // Приложение к журналу "Физика волновых

процессов и радиотехнические системы". II Международная . научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". - Самара. — 2003. — 381 с.

9. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Расчет дисперсионных и спектральных характеристик поверхностных плазмонов для неоднородного анизотропного слоя // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". III Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". -Волгоград. -2004,- 133 с.

10. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. КР-спёктры органических / соединений // Приложение к журналу "Физика волновых ' , процессов и радиотехнические системы". III Международная

научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". - Волгоград. - 2004. - 412 с.

11. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Метод НПВО в диагностике , биологических и органических объектов // Приложение к

журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические V. системы". - III Международная научно-техническая ;; конференция "Физика и тех ни1! ее к не приложения волновых

процессов". - Волгоград. - 2004. - 427 с, , v 12. .Schelokov R. V., Yatsishen V. V. Diagnostics of virus diseases of a cornea .by ellipsometry. methods // Proceedings of SPIE..- 2004. vol. 5474. - P. 312-320.

13. Щелоков P. В., Яцышен В. В. НПВО спектры на границе со смесью, содержащей органические вещества // Лазеры. Измерения. Информация. Тезисы докладов конференции. -Санкт-Петербург. - 2004. - 35 с.

14. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Определение оптических параметров роговицы глаза методами эллипсометрии К

; Физика волновых процессов и радиотехнические системы. -2004. т. 7. №3,-С. 75-79.

15. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Оптическая поляризационная диагностика вируса герпеса // Вестник Волгоградского государственного университета. Исследования молодых ученых. - 2003-2004. сер. 9. вып. 3. ч. 2. -С. 61-66.

16. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Расчет интенсивности резонансного комбинационного рассеяния света органическими молекулами // Лазеры для медицины,

биологии и экологии. Тезисы докладов конференции. -Санкт-Петербург. - 2005. - С. 37-38.

17. Schelokov R. V., Yatsishen V. V. ATR spectra on boundary with mixture containing organic substances // Proceedings of SPIE. -

2005. vol. 5447. - P. 125 - 133.

18. Щелоков P. В., Яцышен В. В. Влияние поперечных сшивок коллагена на форму их спектров поглощения // Лазеры для медицины, биологии и экологии. Тезисы докладов конференции. - Санкт-Петербург. - 2006. - С. 22-23.

19. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Экспериментальное определение эллипсометрических параметров денатурированного коллагена // Лазеры для медицины, биологии и экологии. Тезисы докладов конференции. -Санкт-Петербург. - 2006. - С. 23-24.

20. Щелоков Р. В. Экспериментальная установка по измерению эллипсометрических параметров биологических объектов // X Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Тезисы докладов. - Волгоград. -

2006. - С. 245-246.

Подписано в печать 25.09.2006 г формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. Печ. Л. I. Тираж 100 экз. Заказ £$éf Издательство Волгоградского государственного университета. 400062, Волгоград, просп. Университетский, 100.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Щёлоков, Роман Викторович

I* Содержание

Введение

1. ЛИНЕЙНЫЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ

1Л. Эллипсометрия как метод диагностики в биологии и медицине

1.2. Нелинейная оптика и эллипсометрия

1.3. Постановка задачи

2. ЛИНЕЙНАЯ ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ ТИПА РОГОВИЦЫ ГЛАЗА

2.1. Морфология и физиология роговицы

2.2. Рассеяние излучения форменными элементами роговицы

2.2.1. Бесконечный круговой цилиндр как модель коллагеновых нитей

2.2.2. Амплитудная матрица рассеяния

2.3. Эллипсометрия как метод диагностики 44 2.3.1. Теория расчета эллипсометрических параметров многослойных сред

Щш 2.3.2. Метод измерения эллипсометрических параметров

2.4. Экспериментальное определение оптических параметров роговицы глаза

2.4.1 Пропускание света слоем

2.4.2 Эффективная диэлектрическая проницаемость слоя роговицы

2.5. Диагностика вируса герпеса методами эллипсометрии

2.6. Резюме

3. ЛИНЕЙНАЯ ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ТИПА КОЛЛАГЕНА

3.1. Строение и биологическое значение органических соединений типа коллагена.

3.2. Моделирование оптических параметров органических соединений типа коллагена

3.3. Расчет эллипсометрических параметров органических соединений на примере желатины

3.4. Экспериментальное определение пропускательных эллипсометрических параметров органических соединений на примере желатины

3.5. Резюме 114 * 4. СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЛИПСОМЕТРИИ И

ДРУГИХ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

4.1. Эллипсометрия и метод нарушенного полного внутреннего отражения

4.2. Эллипсометрия и комбинационное рассеяние

4.3. Нелинейная эллипсометрия при генерации второй гармоники 127 Ш 4.4. Резюме

Введение диссертация по физике, на тему "Эллипсометрическое исследование оптических свойств роговицы глаза"

Актуальность темы

На сегодняшний день современная медицина и биология в большом объеме используют новейшие достижения физики. Методы оптической обработки информации занимают одно из важных мест в развитии медицинской техники и средств для обеспечения медико-биологических исследований. К их числу можно отнести томографические, спектроскопические, голографические и многие другие способы диагностики и изучения биологических объектов.

Исследования сложных органических структур ведутся либо на макроуровне, когда используются методы упругого и квазиупругого рассеяния света, интерферометрии, дифрактометрии и голографии [1-8], либо на микроуровне, когда используются все средства молекулярной, линейной и нелинейной оптики [8,9].

Значительным звеном в изучении органических и биологических объектов также является теоретическое исследование воздействия электромагнитного излучения (ЭМИ) на них [10-12]. Немаловажным моментом здесь является изучение взаимодействия ЭМИ с подобными объектами. В простейшем случае на макроуровне эту проблему можно свести к взаимодействию ЭМИ с комбинациями цилиндров, сфер и эллипсоидов [13-22]. Для более сложных сред требуется решение трудоемкой электродинамической задачи. Такого рода усложнения происходят вследствие того, что традиционные методы исследования для своего развития требуют построения более совершенных моделей тканей, учитывающих неоднородность, рассеяние, оптическую активность и другие их свойства [3-5,7,8,13,16,21,23]. А это, в свою очередь, делает необходимым совершенствовать методы решения обратных задач.

Появление мощного лазерного излучения открыло новые возможности в диагностике и исследовании процессов, проходящих в биотканях, и как следствие, породило множество вопросов в области нелинейного взаимодействия. Возникла необходимость более подробно исследовать взаимодействие мощного ЭМИ с органическими средами и построение более точных моделей их отклика.

Совершенствование компьютерной техники и теоретического моделирования биологических тканей и процессов потянуло за собой развитие методов измерения (повышением чувствительности, точности и локальности измерений и расширением возможностей их проведения). На этом фоне широкое распространение получил метод эллипсометрии [24]. Сущность его заключается в исследовании изменения состояния поляризации ЭМИ в результате его отражения или прохождения через изучаемый образец. Препятствием для эллипсометрии долгое время служило сложность и громоздкость математической обработки результатов. Развитие вычислительной техники дало возможность использовать эллипсометрию во многих областях (биология, медицина, химия, электроника и т.д.). Наряду с незначительными трудностями в интерпретации результатов эллипсометрический метод имеет ряд очень важных преимуществ.

Во-первых, очень высокая чувствительность к малейшим изменениям поляризации, что, в свою очередь, дает возможность определять незначительные флуктуации параметров в изучаемом образце. Во-вторых, это неразрушающий и невозмущающий характер эллипсометрических измерений, что делает их привлекательными для in situ и in vitro измерений. В-третьих, эллипсометрические измерения могут проводиться при большой вариации температур и давлений. В-четвертых, возможность использования эллипсометрии в сочетании со многими методами линейной и нелинейной оптики.

Подводя итог выше изложенного можно сказать, что среди многих методов диагностики и исследования биологических и органических сред одним из наиболее перспективных является эллипсометрия. Она, в свою очередь, требует развития оптических моделей исследуемых объектов и процессов, отвечающих требованиям более простого решения обратной задачи. Возможность сочетания эллипсометрии и линейной и нелинейной оптики ставит перед нами проблему интерпретации данного эксперимента и открывает широкий потенциал для выявления новых закономерностей и расширения спектра использования эллипсометрии, чем и обусловлена актуальность темы. Цель диссертационной работы

1. Впервые получены оптические параметры модели роговицы глаза и выделений из пораженной герпесом ткани с учетом затухания (комплексные показатели преломления твердой фазы роговицы, эффективные комплексные показатели преломления для отдельных ее слоев и комплексный показатель преломления выделений из пораженной герпесом ткани).

2. Впервые получены отражательные эллипсометрические параметры многослойной среды типа роговица глаза для различных концентраций твердой фазы в отдельных ее слоях и для случая поверхностного герпетического поражения.

3. Впервые рассчитаны пропускательные эллипсометрические параметры \\) и Д с учетом оптического вращения для органического соединения типа коллаген.

4. Впервые рассчитаны спектры НПВО для случая поверхностного герпетического поражения роговицы при различных концентрациях вируса.

5. Впервые рассчитаны эллипсометрические параметры для случая нелинейного взаимодействия ЭМИ с органическими соединениями типа коллагена.

Достоверность результатов

Достоверность основывается на строгих теоретических моделях взаимодействия электромагнитных волн с веществом. Достоверность полученных результатов также обусловлена использованием проверенных методов измерения и обработки экспериментальных данных, которые находят согласие с результатами, полученными другими авторами.

Практическая значимость работы

Полученные в диссертации результаты могут:

- составить базу для разработки оптических установок экспресс диагностики роговицы глаза и органических объектов;

- быть использованы для моделирования линейных и нелинейных оптических характеристик органических соединений типа коллагена, образующего значительную часть других живых тканей.

Основные положения выносимые на защиту

1. Предложенная оптическая модель роговицы глаза, представляющая собой трехслойную систему с заданными эффективными комплексными показателями преломления, адаптирована для задач эллипсометрии.

2. Развит метод НПВО для диагностики поверхностных герпетических поражений.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на I международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 2001 г.); X международной школе семинаре "Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот" (Москва, 2002 г.); VII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2002 г.); VII региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2002 г.); международной конференции "Saratov fall meeting" (Саратов, 2003 г.); междисциплинарной (медицина, биология, физика, радиоэлектроника, химия, математика, информатика, педагогика.) конференции с международным участием "Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека" ("НБИТТ-21") (Петрозаводск, 2003 г.); VIII межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2003 г.); II международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 2003 г.); IX межвузовской конференции студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2004 г.); III международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Волгоград, 2004 г.); конференции " Лазеры. Измерения. Информация." (Санкт-Петербург, 2004 г.); конференции "Лазеры для медицины, биологии и экологии" (Санкт-Петербург, 2005 г.); X региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2005 г.); конференции "Лазеры для медицины, биологии и экологии" (Санкт-Петербург, 2006 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 20 работ (2 статьи в рецензируемых журналах, 2 статьи в международных научных сборниках, 13 статей в сборниках тезисов докладов международных и общероссийских конференций и 3 статьи в сборниках тезисов докладов региональных конференций):

1. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Расчет эллипсометрических параметром неоднородных биологических объектов // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". I Ш

Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". - Самара. - 2001. т. 2. -134 с.

2. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Эллипсометрический метод диагностики ^ биологических объектов // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". I Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов".-Самара.-2001. т. 2. - С. 145 - 136.

3. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Пропускательные поляризационные характеристики роговицы глаза // X Международная школа семинар "Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот". Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. - Москва.

2002. т. 10 (X), вып. 2(34). - 241 с.

4. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Эллипсометрический метод в диагностике сред со сложной молекулярной структурой (роговица глаза) // X Международная школа семинар "Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот". Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. - Москва. - 2002. т. 10 (X), вып. 2(34). - 246 с.

5. Щелоков Р. В. Эллипсометрический метод в диагностике роговицы глаза // VII Межвузовская конференция студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области. Физика и математика. - Волгоград. -2002. вып. 4.-С. 41-42.

6. Щелоков Р. В. Комплекс программ по расчету свойств роговицы глаза // VII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Тезисы докладов. - Волгоград. - 2002. - С. 189-190.

У|

7. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Эллипсометрический метод диагностики состояния роговицы глаза // Материалы междисциплинарной (медицина, биология, физика, радиоэлектроника, химия, математика, информатика, педагогика.) конференции с международным участием "Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека" ("НБИТТ-21"). -Петрозаводск. - 2003. - С. 9-10.

8. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Определение оптических параметров биологических объектов методами эллипсометрии // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". II Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". - Самара. - 2003. - 381 с.

10. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. КР-спектры органических соединений // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". III Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". - Волгоград. - 2004. - 412 с.

И. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Метод НПВО в диагностике биологических и органических объектов // Приложение к журналу "Физика волновых процессов и радиотехнические системы". III Международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов". - Волгоград. - 2004. -427 с.

12. Schelokov R. V., Yatsishen V. V. Diagnostics of virus diseases of a cornea by ellipsometry methods // Proceedings of SPIE. -2004. vol. 5474. - P. 312-320.

13. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. НПВО спектры на границе со смесью, содержащей органические вещества // Лазеры. Измерения. Информация. Тезисы докладов конференции. - Санкт-Петербург. - 2004. - 35 с.

14. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Определение оптических параметров роговицы глаза методами эллипсометрии // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2004. т. 7. № 3. - С. 75-79.

16. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Расчет интенсивности резонансного комбинационного рассеяния света органическими молекулами // Лазеры для медицины, биологии и экологии. Тезисы докладов конференции. -Санкт-Петербург. - 2005. - С. 37-38.

17. Schelokov R. V., Yatsishen V. V. ATR spectra on boundary with mixture containing organic substances // Proceedings of SPIE. - 2005. vol. 5447. - P. 125- 133.

Личный вклад

Постановка задач осуществлялась научным руководителем профессором, д.т.н. Яцышеным В. В. Личный вклад диссертанта: вывод аналитических решений, составление компьютерных программ и численный расчет, а также самостоятельная постановка экспериментов, разработка и изготовление экспериментальных установок, проведение экспериментов, обработка и интерпретация результатов. Анализ и обсуждение результатов выполнены совместно с научным руководителем.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 3 приложений и списка литературы из 115 наименований. Общий объем диссертации составляет 177 страниц текста, включая приложения, иллюстрирована 129 рисунками.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной целью и задачами были получены следующие результаты:

1. Предложена оптическая модель роговицы глаза, представляющую собой трехслойную систему с экспериментально определенными оптическими параметрами отдельных ее компонентов (комплексные показатели преломления твердой фазы роговицы, эффективные комплексные показатели преломления для отдельных ее слоев). С использованием этой модели и полученных оптических параметров роговицы, впервые получены отражательные эллипсометрические параметры многослойной рассеивающей среды - роговицы глаза для различных концентраций твердой фазы в отдельных ее слоях.

2. На основании эксперимента были впервые получены оптические параметры выделений из пораженной герпесом ткани (эффективный комплексный показатель преломления). По этим данным рассчитаны эллипсометрические углы для случая поверхностного герпетического поражения роговицы, из которых видно, что наиболее удобной областью углов падения для экспресс диагностики является 67° - 72°.

3. Проведен квантово-механический расчет оптических параметров органических соединений типа коллагена в приближении кластерной модели. Рассчитана сила вращения для аминокислот коллагена, на основании чего рассмотрена оптическая активность для предложенной модели желатина. Установлено, что наибольший вклад в оптическое вращение в видимой области дает пролин. Для желатина впервые в рамках данной модели рассчитаны линейные восприимчивости и показатель преломления, а по ним пропускательные эллипсометрические параметры (\|/ и А в зависимости от угла падения) с учетом оптической активности, из которых следует необходимость учета пространственной дисперсии (в линейном по волновому вектору приближении) для таких объектов.

4. Разработана экспериментальная установка, адаптированная для измерений эллипсометрических параметров органических соединений, и проведен эксперимент по определению эллипсометрических параметров желатина. Получены эллипсометрические параметры \|/ и А в спектральном диапазоне от 400 до 700 нм. Для эллипсометрического угла \\i получено хорошее совпадение с теоретическими расчетами.

7. Для случая генерации второй гармоники при отражении от полубесконечного слоя желатина впервые рассчитаны нелинейная восприимчивость и эллипсометрические параметры. Установлено, что данная среда обладает малой нелинейностью, которую можно не учитывать при воздействии вплоть до полей ~ 105 [В/см], а форма эллипса не меняется, происходит лишь его поворот.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Щёлоков, Роман Викторович, Волгоград

1. Тучин В. В. Исследование биотканей методами светорассеяния. // УФН 1997. Т. 167, № 5. 517-539.

2. Приезжев А. В., Тучин В. В., Шубочкин Л. П. Лазерная макродиагностика оптических тканей глаза и форменных элементов крови. // Изв. АН СССР сер. Физ. 1989. Т. 53, № 8, С. 1490-1495.

3. Максимова И. Л., Тучин В. В., Шубочкин Д. П. Поляризационные характеристики роговой оболочки глаза. // Оптика и спектроскопия 1986. Т. 60, №4. 801-806.

4. Максимова И. Л., Тучин В. В., Шубочкин Л. П. Матрицы рассеяния света хрусталика глаза. // Оптика и спектроскопия 1988. Т. 65, № 3. 615-620.

5. Буй Л. М., Хайруллина А. Я., Олейник Т. В.Учет граничных условий при определении оптических характеристик агрегированной крови. // Оптика и спектроскопия 1999. Т. 87, № 6. 1004-1009.

6. Орбачевский Л.С., Барышников Н.В. Низкоинтенсивные лазерные технологии в офтальмологии. // Вести МГТУ. Сер. Прибороапр. 1998. Спец. вып. № 186, С. 89-98.

7. Бессмельцев С. С., Лендяев А. В., Скворцова Ю. А., Тарлыков В. А. Лазерная дифрактометрия оптических и механических свойства эритроцитов. // Отпич. ж. 2000. Т. 62, № 4. 47-51.

8. Тучин В. В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов. Изд-во Сарат. Ун-та, 1998.

9. Яковлев А.А. Информационно-статистический подход к анализу результатов натурных спектрофотометрических измерений. // Onmuu. ж. 2000. 67, №5. С. 42-46.

10. Ю.Афанасьев A.M., Подгорный В.В., Сипливый Б.Н., Яцышен В. В. Математическое моделирование взаимодействия СВЧ излучения свлагосодержащими плоскими слоистыми средами. Часть 1. // Известия ВУЗов, Электромеханика,2001, № 2. С. 14-21.

11. П.Афанасьев A.M., Подгорный В.В., Сипливый Б.Н., Яцышен В. В. Математическое моделирование взаимодействия СВЧ излучения с влагосодержащими плоскими слоистыми средами. Часть 2. // Известия ВУЗов, Электромеханика,2001, № 4-5. С. 32-38.

12. Сидько Ф, Я., Лопатин В. Н., Парамонов Л. Е. Поляризационные характеристики взвесей биологических частиц. Новосибирск. Наука, 1990.

13. Вощинников Н. В., Фарафонов В. Г. Рассеяние света диэлектрическими сфероидами. // Оптика и спектроскопия 1985. 58, №1. С. 135-141.

14. Фарафонов В. Г. Рассеяние света сфероидальными частицами в квазистатическом приближении. // Оптика и спектроскопия 1994. Т. 77, № 3. С. 455-458.

15. Фарафонов В. Г. Рассеяние света многослойными эллипсоидами в релеевском приближении. // Оптика и спектроскопия 2000. Т. 88, № 3. С. 492-494.

16. Вощинников Н. В., Фарафонов В. Г. О применимости квазистатического и релеевского приближений для сфероидальных частиц. // Оптика и спектроскопия 2000. Т. 88, № 1. С. 78-82.

17. Фарафонов В. Г. Рассеяние света диэлектрическими частицами с аксиальной симметрией. // Оптика и спектроскопия 2000. Т. 88, № 1. С. 70-77.

18. Черкас Н. Л. Электромагнитная волна в среде из параллельных диэлектрических цилиндров. // Оптика и спектроскопия 1996. Т. 81, № 6. С. 990-996.

19. Верещагин В. Г., Дынич Р. А., Понаева А. Н. Применение метода интегральных уравнений к расчету когерентного пропускания монослоя цилиндрических частиц. // Оптика и спектроскопия 1999. Т. 87, № 1. С.126-131.

20. Максимова И. Л., Татаринцев С. Н., Шубочкин Л. П. Эффекты многократного рассеяния в биообъектах при лазерной диагностике. // Оптика и спектроскопия 1992. Т. 72, № 5. С. 1171-1177.

21. Изотова В. Ф., Максимова И. Л., Нефедов И. С., Романов С. В. Исследование анизотропии роговой оболочки глаза. // Оптика и спектроскопия 1996. Т. 81, № 6. С. 1003-1010.

22. Пшеницин В. И., Абаев М. И., Лызлов Н. Ю. Эллипсометрия в физико-химических исследованиях. Л.: Химия, 1986.

23. Шептунов О. В., Абаев М. И., Плисс Н. С. Решение обратной задачи эллипсометрии для неоднородного диэлектрического слоя на известной подложке с использованием второго приближения теории возмущения. // Опт. Спектр. 1996. Т. 80, № 6. С. 979-983.

24. Толмачев В. А. Определение пористости неоднородных пленок адсорбационно эллипсометрическим методом. // Опт. Спектр. 1998. Т. 84, № 4. С. 653-657.

25. Беляева А. И., Галуза А. А., Гребенник Т. Г., Юрьев В. П. Определение параметров прозрачной пленки, нанесенной на поглощающуюподложку, методом эллипсометрии. // Опт. Спектр. 1999. Т. 87, № 6. С. 1041-1044.

26. Яцышен В. В., Щёлоков Р. В. Отражательная эллипсометрия некоторых биологических объектов.// Качинские чтения (V) (сбор, стат.), 2000 г, С. 107-112.

27. Толмачев В. А. Адсорбционно-эллипсометрический метод исследования оптического профиля, толщины и пористости тонких пленок. // Оптич. ж. 1999. 66. № 7. 20-34.

28. Tkachenko V., Marino A., Vita F., D'Amore F., De Stefano L., Malinconico M., Rippa M., Abbate G. Spectroscopic ellipsometry study of liquid crystal and polymeric thin films in visible and near infrared // Eur. Phys. J. 2004. E 14.-P. 185-192.

29. Jung С. C., Stumpe J. Immersion transmission ellipsometry (ITE): a new method for the precise determination of the 3D indicatrix of thin films // Appl. Phys.-2005. В 80.-P. 231-238.

30. Аззам P. M., Башара H. M. Эллипсометрия и поляризованный свет. М. Мир, 1981.-583 с.

31. Капо Н., Kawata S., Surface-plasmon sensor for absorption-sensitivity enhancement // Appl. Opt. 1994. v.33. - P. 5166-5170.

32. Jorgenson R. C., Jung C., Yee S. S., Bargess L. W. Multiwavelength surface plasmon resonance as an optical sensor for characterizing the complex refractive indices of chemical samples // Sens. Actuators B. 1993. v.13-14. -P. 721-722.

33. Matsubara K., Kawata S., Minami S. Multilayer system for a high-precision surface plasmon resonance sensor // Opt. Lett. v. 15. - P. 75-77.

34. Qi Z., Matsuda N., Yoshida Т., Takasu A., Kato K. Colloid gold submonolayer thin-film glass plates for wavequide-coupled surface plasmon resonance sensors // Appl. Opt. 2003. v. 42. № 22. - P. 4522-4526.

35. Matsubara K., Kawata S. Optical chemical sensor based on surface plasmon measurement // Appl. Opt. 1988. v. 27. - P. 1160-1163.

36. Mutschler Т., Kieser В., Frank R., Gauglitz G. Characterization of thin polymer and biopolymer layers by ellipsometry and evanescent field technology // Anal. Bioanal. Chem. 2002. v. 374. - P. 658-664.

37. Kollmannsberger С., Mross К., Jakob A., Kanz L., Bokemeyer С. // Oncology. 1999. v. 56.-P. 1-12.

38. Стариков В. И., Протасевич А. Е. Колебательно-вращателный оператор поляризуемости для нелинейных молекул типа X2Y. Применение к расчету спектров комбинационного рассеяния молекулы Н20 // Опт. Спектр. 2004. т.97. №1,- С. 14-21.

39. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Кучерова В.В. Квантово-механический анализ спектров резонансного комбинационного рассеяния молекулы тимина. // Опт. Спектр. 2003. т. 95. № 3. - С. 25-29.

40. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Кучерова В.В. Квантово-механический расчет интенсивностей в спектрах резонансного комбинационного рассеяния молекулы цитозина. // Опт. Спектр. 2004. т. 97. № 1. - С. 37-40.

41. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Березин В.И. Квантово-механический расчет спектров резонансного комбинационного рассеяния аденина. // Опт. Спектр. 1999. т. 86. № 3. - С. 397-402.

42. Бурова Т.Г., Тен Г.Н., Андреева С.Е. Квантово-механический анализ спектров резонансного комбинационного рассеяния молекулы урацила. // Опт. Спектр. 2000. т. 89. № 2. - С. 228-233.

43. Бурова Т.Г., Приютов М.В. Эффект Герцберга-Теллера и распределение интенсивности в спектрах РКР многоатомных молекул. // Опт. Спектр. -1988. т. 64. № 1.-е. 182-185.

44. Бурова Т.Г. Эффект Герцберга-Теллера и распределение интенсивности в спектрах резонансного комбинационного рассеяния и двухфотонного поглощения многоатомных молекул. // Хим. Физ. 1994. т. 13. № 3. - С. 29-35.

45. Ахманов С. А., Коротеев Н. И. Спектроскопия рассеяния света и нелинейная оптика, нелинейнооптические методы комбинационного и рэлеевского рассеяния // УФН. 1977. т. 123. № 3. - С. 405-471.

46. Ахманов С. А., Бункин А. Ф., Иванов С. Г., Коротеев Н. И. Поляризационная активная спектроскопия и когерентная эллипсометрия комбинационного рассеяния // ЖЭТФ. 1978. т. 74. № 5.-С. 1272- 1294.

47. Aslanyan L. S., Bunkin A. F., Gladkov S. М. Observation of the interference of electronic and Raman resonances in coherent Raman ellipsometry // J. Apl. Spectroscopy. 1979. v. 31. N. 5. - P. 1409 - 1412.

48. Helgaker Т., Ruud K., Bak K. L., J0rgensen P., Olsen J. Vibrational Raman optical activity calculation using London atomic orbitals // Faraday Discuss. 1994. v. 99.-P. 165-180.

49. Mejia J. Е., Mendoza В. S. Polarizable-bond model for surface second-harmonic generation at Si(l 11): H(lxl) // phys. stat. sol. 2001. v. 188. N. 4.-P. 1393-1400.

50. Aktsipetrov O. A. and al. Magnetization-induced second- and third-harmonic generation in magnetic thin films and nanoparticles // J. Opt. Soc. Am. 2005. v. 22. N. l.-P. 138-147.

51. Гистология: Учебник / H. А. Юрина, E. Ф. Котовский и др. / Под ред. Ю. И. Афанасьева, Н. А. Юриной. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 2001.-744 с.

52. Глазные болезни: Учебник / А. А. Бочкарева, Т. И. Брошевский, А. П. Нестеров и др. / Под ред. А. А. Бочкаревой. 3-е изд. - М.: Медицина, 1989.-416 с.

53. Ковалевский Е. И. Глазные болезни. М.: Медицина, 1986. - 416 с.

54. Атлас по гистологии, цитологии и эмбриологии / С. JI. Кузнецов, Н. Н. Мушкамбаров, В. JI. Горячкина М.: Медицинское информационное агентство, 2002. - 374 с.

55. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. - 664 с.

56. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. - 720 с.

57. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982. т.8,-621 с.

58. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Определение оптических параметров роговицы глаза методами эллипсометрии // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2004. т. 7. № 3. - С. 75-79.

59. Горшков М. М. Эллипсометрия. М.: Советское радио, 1974. - 200 с.

60. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Пропускательные поляризационные характеристики роговицы глаза // X Международная школа семинар

61. Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот". Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот. Москва. - 2002. т. 10 (X), вып. 2(34). - 241 с.

62. Щелоков Р. В. Эллипсометрический метод в диагностике роговицы глаза // VII Межвузовская конференция студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области. Физика и математика. -Волгоград. 2002. вып. 4. - С. 41-42.

63. Щелоков Р. В. Комплекс программ по расчету свойств роговицы глаза // VII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Тезисы докладов. Волгоград. - 2002. - С. 189-190.

64. Шубладзе А. К., Маевская Т. М. Герпес. М.: Медицина, 1971. - 240 с.

65. Schelokov R. V., Yatsishen V. V. Diagnostics of vims diseases of a cornea by ellipsometry methods // Proceedings of SPIE. 2004. - Vol. 5474. - P. 312-320.

66. Щелоков P. В., Яцышен В. В. Оптическая поляризационная диагностика вируса герпеса // Вестник Волгоградского государственного университета. Исследования молодых ученых. -2003-2004. сер. 9. вып. 3. ч. 2. С. 61-66.

67. Канунго М. Биохимия старения. М.: Мир, 1982. - 296 с.

68. Miller Е. J. Biochemical characteristics and biological significance of the genetically-distinct collagens // Molecular & cellular biochemistry. 1976. -Vol. 13. N. 3. -P. 165-192.

69. Kuchurz E. J. The collagens: biochemistry and pathophysiology. Berlin, 1992.-430 p.

70. Каспарьянц С. А. Современные представления о структуре и свойствах коллагена. М.: МВА, 1981.

71. Химия белка: сборник статей / Под ред. М. М. Ботвинник. М.: Мир, 1969.-239 с.

72. Эварестов Р.А. Квантовохимические методы в теории твердого тела. Ленинград: ЛГУ, 1982. 280 с.

73. Эварестов Р.А., Котомин Е.А., Ермошкин А.Н. Молекулярные модели точечных дефектов в широкощелевых твердых телах. Рига: Зинатне, 1983.287 с.

74. Закис Ю.Р., Канторович Л.Н., Котомин Е.А., Кузовков В.Н., Тале И.А., Шлюгер АЛ. Модели процессов в широкощелевых твердых телах с дефектами. Рига: Зинатне, 1991. 382 с.

75. Степанов Н. Ф. Квантовая механика и квантовая химия. М.: Мир, 2001.-519 с.

76. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Влияние поперечных сшивок коллагена на форму их спектров поглощения // Лазеры для медицины, биологии иэкологии. Тезисы докладов конференции. Санкт-Петербург. - 2006. -С. 22-23.

77. М. A. Thompson and М. С. Zerner // J. Am. Chem. Soc. 1991. - Vol. 113. P. 8210.

78. Parthasarathi R., Madhan В., Subramanian V., Ramasami T. Ab initio and density functional theory based studies on collagen triplets // Theor. Chem. Acc.-2003.-Vol. 110-P. 19-27.

79. Кизель В. А., Бурков В. И. Гиротропия кристаллов. М.: Наука, 1980. -304 с.

80. Kondru R. К., Wipf P., Beratan D. N. Theory-Assisted Determination of Absolute Stereochemistry for Complex Natural Products via Computation of Molar Rotation Angles // J. Am. Chem. Soc. 1998. - Vol. 120. - P. 2204 -2205.

81. Stephens P. J., Devlin F. J., Cheeseman J. R., Frisch M. J., C. Rosini C. Determination of Absolute Configuration Using Optical Rotation Calculated Using Density Functional Theory // Org. Lett. 2002. - Vol. 4. N. 26. - P. 4595 -4598.

82. Mennucci В., Tomasi J., Cammi R., Cheeseman J. R., Frisch M. J., Devlin F. J., Gabriel S., Stephens P. J. Polarizable Continuum Model (PCM)

83. Calculations of Solvent Effects on Optical Rotations of Chiral Molecules // J. Phys. Chem. A. 2002. - Vol. 106. N. 25. - P. 6102 - 6113.

84. Autschbach J., Ziegler Т., van Gisbergen S. J. A., Baerends E. J. Chiroptical properties from time-dependent density functional theory. I. Circular dichroism spectra of organic molecules // J. Chem. Phys. 2002. - Vol. 116. N. 16.-P. 6930-6940.

85. Helgaker Т., Jorgensen P. An electronic Hamiltonian for origin independent calculations of magnetic properties // J. Chem. Phys. 1991. - Vol. 95. N. 4.-P. 2595-2601.

86. Bak K. L., Jorgensen P., Helgaker Т., Ruud K., Jensen H. J. A. Gauge-origin independent multiconfigurational self-consistent-field theory for vibrational circular dichroism // J. Chem. Phys. 1993. - Vol. 98. N. 11. - P. 88738887.

87. Давыдов А. С. Квантовая механика. M.: Физматгиз, 1963. - 748 с. 98.01sen J., J0rgensen P. Linear and nonlinear response functions for an exactstate and for an MCSCF state // J. Chem. Phys. 1985. - Vol. 82. N. 7. - P. 3235-3264.

88. Sekino H., Bartlett R. J. Frequency dependent nonlinear optical properties of molecules // J. Chem. Phys. 1986. - Vol. 85. N. 2. - P. 976-989.

89. Rice J. E, Amos R. D., Colwell S. M., Handy N. C., Sanz J. Frequency dependent hyperpolarizabilities with application to formaldehyde and methyl fluoride // J. Chem. Phys. 1990. - Vol. 93. N. 12. - P. 88288839.

90. Rice J. E., Handy N. C. The calculation of frequency-dependent polarizabilities as pseudo-energy derivatives // J. Chem. Phys. 1991. - Vol. 94. N. 7.-P. 4959-4971.

91. Агранович В. M., Гинзбург В. JL Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов. М.: Наука, 1979. -432 с.

92. Ятив А. Юх П. Оптические волны в кристаллах. М.: Мир, 1987. -616с.

93. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Экспериментальное определение эллипсометрических параметров денатурированного коллагена // Лазеры для медицины, биологии и экологии. Тезисы докладов конференции. Санкт-Петербург. - 2006. - С. 23-24.

94. Щелоков Р. В. Экспериментальная установка по измерению эллипсометрических параметров биологических объектов // X Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Тезисы докладов. Волгоград. - 2006. - С. 245-246.

95. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. НПВО спектры на границе со смесью, содержащей органические вещества // Лазеры. Измерения. Информация. Тезисы докладов конференции. Санкт-Петербург. -2004.-35 с.

96. Sehelolcov R. V., Yatsishen V. V. ATR spectra on boundary with mixture containing organic substances // Proceedings of SPIE. 2005. vol. 5447.-P. 125 - 133.

97. Конингстайн И.А. Введение в теорию комбинационного рассеяния света. -М.: Мир, 1975.- 192 с.

98. Helgaker Т., Ruud К., Вак К. L., J0rgensen P., Olsen J. Vibrational Raman Optical Activity Calculations using London Atomic Orbitals // Faraday Discuss. 1994. - Vol. 99. - P. 165-180.

99. Щелоков Р. В., Яцышен В. В. Расчет интенсивности резонансного комбинационного рассеяния света органическими молекулами // Лазеры для медицины, биологии и экологии. Тезисы докладов конференции. Санкт-Петербург. - 2005. - С. 37-38.

100. Frisch М. J., Yamaguchi Y., Schaefer III Н. F., Binkley J. S. Analytic Raman Intensities from molecular electronic wave functions // J. Chem. Phys. 1986. Vol. 84. - P. 531-532.

101. Бломберген H. Нелинейная оптика. M.: Мир, 1966. - 424с.