Лазерный мир

О.Н. Будаговская , А.В. Будаговский // ВЕСТНИК МичГАУ, №1, 2009, с: 82-86, УДК 631.521.54:15.849.15

Одной из важнейших задач агробиологии является адекватная диагностика функционального состояния культивируемых растений. Оптимизация технологии возделывания, отбор устойчивых генотипов, оценка и прогноз экологической изменчивости и другие вопросы, вытекающие из стратегии адаптивного растениеводства [1], связаны с этой проблемой. Наибольший интерес представляют неразрушающие оптические методы, в частности, основанные на использовании уникальных свойств лазерного излучения. Лазерный луч, благодаря высокой спектральной яркости, направленности, монохроматичности, поляризации, пространственной и временной когерентности, является чрезвычайно удобным инструментом для создания разнообразных многофункциональных измерительных приборов. Мировая практика давно и успешно использует лазерное излучение для исследования фотосинтетической функции растений. В данной статье описана аппаратура и практические примеры оценки самого проблемного с точки зрения неинвазивной диагностики параметра растительного объекта – микроструктуры.

В основе прибора лежит принципиально новая методология, использующая высокую статистическую упорядоченность лазерного излучения и оригинальная оптическая схема поляризационного интерферометра, позволяющая зафиксировать степень пространственной когерентности рассеянного растительной тканью лазерного пучка. Количественная оценка микроструктуры объекта становиться возможной благодаря известной в корреляционной оптике связи статистических свойств когерентного излучения и пространственной топологии элементов среды, рассеивающей свет [2, 3].

При выборе источника излучения мы остановились на полупроводниковых лазерах, генерирующих когерентное излучение с длиной волны 650…660 нм. Такие источники в наибольшей степени отвечают требованиям современного приборостроения и позволяют оценить концентрацию хлорофилла в ткани по степени поглощения излучения.
Для практической оценки пространственной когерентности и интенсивности светорассеяния использовалась экспериментальная конструкция лазерного анализатора микроструктуры (ЛАМ), включающая двухкоординатный столик — держатель объекта, систему лазерного зондирования образца, светосильный интерферометр сдвига, CCD-камеру, персональный компьютер, специализированную программу для обработки интерферограмм. Оптическая схема прибора оптимизирована для измерения целых листьев или плодов.
На рис.1 представлена функциональная схема прибора. Поток когерентного излучения от источника 1, проходя через поляроид 2, получает линейную поляризацию. Далее он попадает в телескопическую систему 3, где происходит формирование его интенсивности и фильтрация высших пространственных частот. Ограничивающая диафрагма 4 вырезает пучок заданного диаметра. Коллимированный и выровненный по интенсивности зондирующий пучок падает на закреплённый в держателе 5 исследуемый объект. Там он рассеивается на фазовых неоднородностях и частично теряет свою статистическую упорядоченность, т.е. изменяет степень когерентности. Наряду с этим происходит и его ослабление за счёт поглощения излучения пигментами ткани.
Рассеянный поток света, несущий информацию о микроструктуре объекта проецируется на входную диафрагму интерферометра 6. После него возникает характерная картина чередующихся светлых и темных полос — так называемая интерференционная картина, контрастность (видность) которой равен степени пространственной когерентности анализируемого света. Прошедшее сквозь ограничительную диафрагму 7 интерференционная картина фокусируется согласующей линзой 8 на входной зрачок фотоприемника 9. В качестве фотоприемника используется аналоговая черно-белая ПЗС-видеокамера. Видеосигнал камеры через карту ввода подается в э.в.м для последующей обработки с помощью специализированной компьютерной программы.

Новый способ оценки функционального состояния по значению степени когерентности рассеянного лазерного излучения позволяет обнаружить негативные деградационные процессы уже на раннем этапе патогенеза (через 20 часов после заражения) и далее разница между контрольными и инфицированными растениями только усиливается (Рис.3Б). Если ранжировать потенциальную жизнеспособность растений, исходя из абсолютных значений степени когерентности светорассеяния через 120 часов вегетации после обработки, то она будет выглядеть следующим образом: контрольные растения (34,6%) – вариант «Фунгицид» (27,8%) – вариант «Патоген+Фунгицид» (23,9%) – вариант «Патоген» (17,5%).

Примечательным является факт регистрации по степени когерентности светорассеяния ослабления функционального состояния незараженных растений, обработанных фунгицидом.
Это позволяет использовать новый метод и прибор для оценки экологической безопасности химических препаратов.
Предлагаемый компьютеризированный прибор позволяет проводить комплексные исследования амплитудно-фазовых параметров светорассеяния, отражающих микроструктурное состояние растительной ткани, и динамику его изменения в процессе вегетации. Это позволяет получать новую информацию об адаптивном потенциале и устойчивости растений, а также выявлять отклонения функционального состояния от нормы на самых ранних этапах развития патологии.

Полное содержание статьи: http://www.mgau.ru/file_article/Vestnik_1_2009.pdf